多形態(tài)藥型罩射流侵徹冰層數(shù)值仿真分析

杜勇 謝志剛 李根 趙英臣 劉維濤

摘 要：凌汛期黃河冰層厚度大、穿孔難度大，炸藥的聚能效應(yīng)所形成超高速的金屬射流或高速的爆炸成型彈丸（侵徹體）對(duì)冰層具有很好的侵徹能力。利用Ansys/Lsdyna-3D有限元數(shù)值分析軟件，對(duì)銅、鋁、特氟龍材料，60°、90°、120°錐角藥型罩所形成的射流侵徹冰層過程進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)特氟龍藥型罩形成的射流穿孔能力最強(qiáng)，而銅藥型罩形成的射流在侵徹過程中動(dòng)能衰減最為緩慢。

關(guān)鍵詞：凌汛;破冰;藥型罩;侵徹;黃河

中圖分類號(hào)：TV875;TJ51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.011

引用格式：杜勇，謝志剛，李根，等.多形態(tài)藥型罩射流侵徹冰層數(shù)值仿真分析[J].人民黃河，2021，43（12）：53-56.

Abstract： The ice layer of the Yellow River during the ice flood season is thick and difficult to perforate， the super-high-speed metal jet or high-speed explosively formed projectile （penetrator） formed by the energy-gathering effect of the explosive has a good ability to penetrate the ice layer. Using Ansys/Lsdyna-3D finite element numerical analysis software to study the process of penetration of the ice layer by the jet formed at 60°， 90°， 120° cone angles of copper， aluminum， and Teflon， which shows that the jet of Teflon liner has the strongest perforation ability， while the kinetic energy of the jet formed by copper liner attenuates is the slowest during the penetration process.

Key words： ice run; open ice; liner; penetration; Yellow River

在黃河上游高緯度河段凌汛期頻繁出現(xiàn)的冰塞、冰壩等極易造成河道水位上漲、漫堤決口等險(xiǎn)情，對(duì)沿黃河地區(qū)生活的人民以及農(nóng)耕土地造成極大威脅[1-4]。鑒于冰體材料的特殊性，以及冰結(jié)構(gòu)（冰蓋、冰塞、冰壩、冰凌）的多樣性，加之破冰搶險(xiǎn)的時(shí)效性、破冰作業(yè)環(huán)境的嚴(yán)酷性，使得爆破破冰成為快速解決潰堤威脅的手段之一。

多年來，飛機(jī)投彈、大口徑火炮炮擊是凌汛期應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)中的兩大重要手段，上述傳統(tǒng)破冰手段在發(fā)揮出色作用的同時(shí)，其局限性也顯現(xiàn)出來。例如，待一處冰凌破除時(shí)，火炮無法快速移動(dòng)到下一破冰作業(yè)地點(diǎn)，飛機(jī)雖能快速移動(dòng)，但無法在夜間作業(yè)，致使兩大傳統(tǒng)破冰手段不能完全滿足破冰搶險(xiǎn)的時(shí)效性要求。另外，常規(guī)炸彈與榴彈的毀傷目標(biāo)并非冰凌、冰蓋、冰壩等，導(dǎo)致破冰效率極低、用彈量大、綜合破冰費(fèi)用高。根據(jù)黃河防凌破冰的要求，急需新的破冰方法。佟錚等對(duì)炸藥在冰體內(nèi)部、冰體表面以及水下爆破等破冰機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為冰體區(qū)別于巖石，冰層在炸藥爆炸作用下更容易產(chǎn)生粉碎性破壞，裂紋的延展性與擴(kuò)展范圍降低[5-6]。解文輝等利用數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了相同質(zhì)量炸藥在不同位置的爆破破冰效果，得出在冰下爆炸存在最佳爆炸位置，但如何將炸藥送到冰下最佳位置成為新的關(guān)鍵性問題[7-8]。目前主要利用炸藥聚能效應(yīng)產(chǎn)生的金屬射流穿透冰層，使得炸藥沿冰層破口進(jìn)入水下，完成后續(xù)爆破任務(wù)[9-10]。筆者利用Ansys/Lsdyna-3D有限元數(shù)值分析軟件對(duì)材料采用銅、鋁、特氟龍，錐角為60°、90°、120°的9種形態(tài)藥型罩形成的金屬射流/爆炸成型彈丸（EFP）侵徹冰層過程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，獲得的侵徹深度及孔徑等冰層破損特征尺寸參數(shù)為防凌爆破彈優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值仿真

1.1 有限元模型

炸藥聚能效應(yīng)侵徹冰層全模型見圖1，該模型由聚能裝藥、裝藥殼體、藥型罩、空氣層、冰層組成。利用前處理網(wǎng)格劃分軟件建立幾何模型，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，裝藥直徑為2.5 cm、長度為10 cm，藥型罩罩厚0.4 cm，冰層尺寸80 cm×4.8 cm×4.8 cm。裝藥殼體和冰層仿真分析采用拉格朗日中心六面體積分算法。在裝藥底端中心起爆產(chǎn)生爆轟波，爆轟波傳播到藥型罩處，聚能效應(yīng)壓垮藥型罩，形成金屬射流/EFP（即侵徹體），從而侵徹或穿透冰層，因此聚能裝藥、藥型罩、空氣、水仿真分析采用ALE積分算法。為模擬侵徹體與冰層流固耦合作用，采用CONSTRAINDE_LAGEANGE_IN_SOLID算法控制[11-13]。由于總體模型具有對(duì)稱性，因此建立四分之一模型，并且在冰層及空氣層邊界上施加無反射邊界條件。

1.2 材料本構(gòu)模型與狀態(tài)方程

材料本構(gòu)模型主要描述材料在各種作用力下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用正確的材料本構(gòu)模型是數(shù)值仿真結(jié)果準(zhǔn)確的前提條件。

1.2.1 裝藥殼體

9種工況中，銅藥型罩最先獲得侵徹體有效動(dòng)能，其次為鋁藥型罩，最后為特氟龍藥型罩，各工況受爆轟波驅(qū)動(dòng)初期對(duì)應(yīng)動(dòng)能均快速增大，動(dòng)能變化率相同，隨后銅藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能變化率變小，直至達(dá)到最大動(dòng)能后衰減，而鋁、特氟龍藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能變化率均出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到最大動(dòng)能后衰減，這是爆轟產(chǎn)物逸出所致。動(dòng)能衰減期，銅藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能衰減最為緩慢，鋁、特氟龍藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能衰減迅速，這一現(xiàn)象與藥型罩材料密度相關(guān)。3種藥型罩材料對(duì)應(yīng)動(dòng)能衰減率均受藥型罩錐角變化影響，銅藥型罩所受影響最小，特氟龍藥型罩所受影響最大。

9種工況對(duì)應(yīng)侵徹體最大動(dòng)能不盡相同，具體最大動(dòng)能見表5。銅藥型罩隨著錐角的增大，對(duì)應(yīng)侵徹體動(dòng)能增大，達(dá)到最大動(dòng)能對(duì)應(yīng)的時(shí)間延后;鋁藥型罩隨著錐角的增大，對(duì)應(yīng)侵徹體動(dòng)能反而減小，90°、120°錐角對(duì)應(yīng)侵徹體達(dá)到最大動(dòng)能的時(shí)間均大于60°錐角的;特氟龍藥型罩隨著錐角的增大，對(duì)應(yīng)侵徹體動(dòng)能減小，90°錐角對(duì)應(yīng)侵徹體達(dá)到最大動(dòng)能的時(shí)間最長，60°、120°錐角對(duì)應(yīng)侵徹體達(dá)到最大動(dòng)能的時(shí)間幾乎相同。鋁藥型罩對(duì)應(yīng)侵徹體最大動(dòng)能最大，較銅藥型罩的大32%，較特氟龍藥型罩的大1%。

冰層的破損特征尺寸參數(shù)見表6。不同材料、不同錐角藥型罩形成的侵徹體侵徹冰層后冰層邊界破口直徑相差不多且均小于藥型罩直徑，符合實(shí)際物理過程。對(duì)比相同材料藥型罩對(duì)應(yīng)的冰層破損特征尺寸參數(shù)可知，隨著藥型罩錐角的增大，冰層內(nèi)部最大孔徑增大，穿深反而減小。對(duì)比相同錐角藥型罩對(duì)應(yīng)的冰層破損特征尺寸參數(shù)可知：60°錐角條件下，特氟龍藥型罩形成的侵徹體穿深最大，鋁藥型罩次之，銅藥型罩最小;90°錐角條件下，穿孔能力由強(qiáng)到弱的材料依次為特氟龍、鋁、銅，穿深能力由強(qiáng)到弱的依次為銅、鋁、特氟龍。侵徹過程中，徑向冰層發(fā)生不同程度膨脹，隨著藥型罩錐角的增大，膨脹程度提高，其中120°錐角條件下鋁、特氟龍藥型罩所造成的冰層內(nèi)部膨脹程度較高。

3 結(jié) 論

建立不同藥型罩材料、不同藥型罩錐角聚能裝藥侵徹冰層數(shù)值仿真模型，運(yùn)用Ansys/Lsdyna-3D有限元數(shù)值分析軟件，獲得9種工況下侵徹體侵徹冰層過程，得到以下結(jié)論。

（1）9種工況受爆轟波驅(qū)動(dòng)初期對(duì)應(yīng)動(dòng)能均快速增大，動(dòng)能變化率相同，隨后銅藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能變化率變小，直至達(dá)到最大動(dòng)能后衰減，而鋁、特氟龍藥型罩對(duì)應(yīng)動(dòng)能變化率均出現(xiàn)拐點(diǎn)，達(dá)到最大動(dòng)能后衰減，這是爆轟產(chǎn)物逸出所致。動(dòng)能衰減期，銅藥型罩侵徹體的動(dòng)能衰減最為緩慢，鋁、特氟龍藥型罩侵徹體動(dòng)能衰減迅速，這一現(xiàn)象與藥型罩材料密度相關(guān)。3種藥型罩材料對(duì)應(yīng)侵徹體動(dòng)能衰減率均受藥型罩錐角變化影響，銅藥型罩所受影響最小，特氟龍藥型罩所受影響最大。

（2）從冰層破損特征參數(shù)看，60°錐角條件下，特氟龍藥型罩形成的侵徹體穿深最大，鋁藥型罩次之，銅藥型罩最小;90°錐角條件下，穿孔能力由強(qiáng)到弱的材料依次為特氟龍、鋁、銅，穿深能力由強(qiáng)到弱的依次為銅、鋁、特氟龍。侵徹過程中，徑向冰層發(fā)生不同程度膨脹，隨著藥型罩錐角的增大，膨脹程度提高，其中120°錐角條件下鋁、特氟龍藥型罩所造成的冰層內(nèi)部膨脹程度較高。

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【責(zé)任編輯 張華巖】