截頂M型藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚能射流的影響

陳忠輝，楊 軍，湯 宇，翟小鵬

(北京理工大學爆炸科學與技術(shù)重點實驗室，北京 100081)

聚能射流技術(shù)在軍事和民用工業(yè)中一直都有廣泛的運用，而藥型罩作為聚能射流技術(shù)的關(guān)鍵組件則是影響聚能射流質(zhì)量、速度和連續(xù)性的重要因素之一，因此，為了提升和改善聚能裝藥的威力，許多學者對于藥型罩的結(jié)構(gòu)改進都進行了大量研究。由于目前所使用的藥型罩多為錐形，球形等結(jié)構(gòu)，形成的射流侵徹的范圍有限，而M形藥型罩形成的射流便可以彌補這一缺點，在目標物上開坑范圍更大，并且侵徹達到一定的深度[1-5]。

截頂M型藥型罩是在射流二次碰撞[6]的基礎(chǔ)上設計出來的新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)聚能裝藥結(jié)構(gòu)相比，M型藥型罩具有更高的能量利用率，更集中的能量分布和更寬更深的侵徹孔。童宗寶等[7]研究了一種新型M型藥型罩，該藥型罩在炸藥爆轟驅(qū)動下可以形成細長、穩(wěn)定的射流，但射流孔徑大射流速度不高。王鳳英等[8]采用數(shù)值模擬方法對M型，錐型，平頂3種藥型罩形成的聚能射流作了對比研究，發(fā)現(xiàn)M型藥型罩形成的射流頭部速度更高，拉伸長度也更長。張斐等[9]設計了一種新型截頂聚能裝藥結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可形成比傳統(tǒng)射流杵體少，頭部細長不間斷的高速射流，并且射流頭部速度與藥型罩的材料沖擊阻抗有關(guān)。安文同等[10]對截頂M型藥型罩和錐型藥型罩做了模擬對比，發(fā)現(xiàn)截頂M型藥型罩形成的射流頭部速度更高，速度梯度也更明顯。

本研究運用ANSYS/LS-DYNA軟件對9組不同結(jié)構(gòu)的截頂M型藥型罩形成的射流進行模擬分析，通過改變藥型罩截頂寬度和V型開口寬度來控制形成射流的頭部速度和射流長度，實現(xiàn)對射流的優(yōu)化。

1 裝藥結(jié)構(gòu)設計

截頂M型藥型罩開口寬度60 mm，裝藥高度為90 mm，截頂處小錐角和藥型罩大錐角的角度相同，取θ同為60°(見圖1)，藥型罩壁厚為等厚度，均為1 mm。通過改變藥型罩的截頂寬度L和小錐角的開口寬度d，探討射流性能達到最佳時的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。分別設置了9組不同的參數(shù)(見表1)。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)Fig.1 Shaped charge structure

表1 藥型罩截頂寬度和錐角開口寬度參數(shù)設置

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型和算法

數(shù)值模型由炸藥、藥型罩和空氣組成，網(wǎng)格采用solid164八節(jié)點六面體單元進行映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊緣位置采用共節(jié)點連接，在空氣區(qū)域周圍施加無反射邊界，保證爆轟波可以穿透出去，前后兩個表面施加對稱約束。單位采用cm-g-us單位制。為了解決網(wǎng)格畸變的問題，保證模擬順利進行，炸藥、藥型罩和空氣均采用歐拉網(wǎng)格建模。

2.2 材料參數(shù)和狀態(tài)方程

炸藥采用高能炸藥HIGH-EXPLOSIVE-BURN材料模型，并且利用JWL狀態(tài)方程[11]進行爆炸載荷施加。具體炸藥材料參數(shù)如表2所示。JWL狀態(tài)方程表達式為

表2 炸藥模型材料參數(shù)

(1)

式中：p為等熵壓力；V為爆轟產(chǎn)物的相對體積；E為體積內(nèi)能；A、B、R1、R2、w為輸入的參數(shù)。

炸藥和藥型罩周圍的空氣區(qū)域采用流體模型，狀態(tài)方程為線性多項式。分別用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程[11]來描述。材料參數(shù)如表3所示。

表3 空氣材料參數(shù)

LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程表達式為

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

藥型罩的材料為紫銅，選擇Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來描述；具體參數(shù)如表3所示。Johnson-Cook中的本構(gòu)模型表達式[12]為

(3)

表4 藥型罩材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

M型藥型罩由于結(jié)構(gòu)特點會形成內(nèi)外兩層射流，相對于傳統(tǒng)藥型罩來說，M型藥型罩的利用率有大幅度提升，因此可以形成更強、更持久的沖擊，射流頭部速度也會更高。方案1～9聚能裝置射流在15、20、25 us時的射流形態(tài)如圖2～圖4所示，20、25 us時刻聚能射流的長度如表5所示。

圖2 15 us時射流形態(tài)Fig.2 Jet form at 15 us

圖3 20 us時射流形態(tài)Fig.3 Jet form at 20 us

圖4 25 us時射流形態(tài)Fig.4 Jet form at 25 us

表5 20、25 us時聚能射流的長度

15 us之前，M型藥型罩在炸藥爆轟波壓力的作用下，V型開口兩側(cè)的截頂藥型罩分別與側(cè)邊的藥型罩發(fā)生相互擠壓，形成外側(cè)線性射流，而V型開口分別與兩側(cè)截頂藥型罩發(fā)生相互擠壓，形成內(nèi)側(cè)線性射流；隨后內(nèi)外兩側(cè)線性射流相互碰撞形成二級線性射流，二級線性射流匯聚到藥型罩軸線之后，相互碰撞匯聚，形成能量更強的射流頭部(見圖2)。此時，射流頭部較尖，杵體也略粗于射流頭部。

15～20 us之間時，二級線性射流不斷向軸線匯聚，整個射流逐漸被拉伸并向前運動，隨著藥型罩截頂寬度變大，射流頭部的有效質(zhì)量有小幅度增大，射流整體長度逐漸變長，但超出一定范圍之后，射流整體長度變短，杵體開始變粗，尺寸變大，藥型罩的利用率也大幅度降低。隨著小錐角的開口寬度逐漸變大，內(nèi)層射流和外層射流能夠更好地融合,二級線性射流的有效質(zhì)量和藥型罩利用率也有提升；當小錐角開口寬度持續(xù)變大，外層射流的能力被削弱，藥型罩利用率大幅度降低，射流總體長度也開始變短。20 us之后，射流繼續(xù)被拉伸，逐漸開始發(fā)生頸縮和斷裂現(xiàn)象。綜合分析可知，隨著藥型罩截頂寬度和小錐角的開口寬度逐漸變大，射流的總體長度呈現(xiàn)出先變大后變小的趨勢。

不同方案藥型罩的射流速度分布和不同時刻的速度統(tǒng)計結(jié)果分別如圖5和表6所示，射流在15 us之前達到最高速度，射流達到最高速度以后，隨著時間延長，射流的速度逐漸降低，而隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的變大，射流的最大速度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，不同時刻的速度變化也是如此，與射流的長度變化趨勢保持一致。

圖5 不同方案藥型罩射流速度分布Fig.5 Jet velocity distribution of different scheme

表6 不同時刻的速度統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

1)截頂M型藥型罩形成的射流形態(tài)更好，在其他條件不變的情況下，隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的增加，射流整體變長，有效質(zhì)量也有明顯增加，但超出一定范圍后，射流長度變短，整體呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

2)截頂M型藥型罩形成的射流的頭部最大速度以及速度變化趨勢也與M型藥型罩結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的增加，射流的頭部最大速度以及射流整體速度也呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

3)經(jīng)過對9組方案所形成射流的速度和射流長度綜合分析，最終得到，當截頂寬度為1.2 cm時，V型開口寬度為0.4 cm時，射流的形態(tài)最好，射流頭部速度最大，為6 007 m/s。