Zr基非晶合金藥型罩射流的成型研究

陳 亮,祖旭東,黃正祥,肖強(qiáng)強(qiáng),韓 偉

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.中國人民解放軍32381部隊(duì),北京 100071)

非晶合金材料具有遠(yuǎn)高于對應(yīng)晶態(tài)材料的斷裂強(qiáng)度和脆性,其綜合力學(xué)性能要優(yōu)于常規(guī)金屬,同時普遍具有較大的密度,具備了應(yīng)用在藥型罩上的可能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),采用非晶材料作為藥型罩,可以形成非凝聚射流,由于其速度大,散布也較大,為提高聚能裝藥擴(kuò)孔能力提供了新思路,但目前國內(nèi)外相關(guān)研究較少。WALTERS等對非晶合金材料藥型罩進(jìn)行研究,擬突破非晶合金材料應(yīng)用于藥型罩的技術(shù)難題,結(jié)果表明射流主要呈現(xiàn)以大量粒子構(gòu)成的高速集束粒子流形態(tài),高速粒子間運(yùn)動相互獨(dú)立且具有一定的徑向速度,炸高在2.3倍裝藥直徑時能達(dá)到0.51倍裝藥直徑大小的開孔效果。TRISHIN等研究了孔隙度對聚能射流的形成影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙度大于某個值時,射流就會由凝聚轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)散。在非晶合金材料藥型罩的應(yīng)用方面,鄭娜娜等提出W-Cu-Zr非晶合金藥型罩材料,通過對該材料綜合力學(xué)性能的研究,設(shè)想其用作藥型罩材料時有利于提高戰(zhàn)斗部的侵徹威力。文獻(xiàn)[4-5]通過冷淬法制得Zr基、Fe 基、Cu基非晶合金材料,具有高強(qiáng)高韌性能和良好的成型工藝性能,并成功制備出80 mm藥型罩。劉迎彬考慮藥型罩的初始孔隙度對射流成型的影響,提出了多孔隙藥型罩壓垮速度和聚能粒子流速度的計(jì)算公式,給出了多孔藥型罩形成聚能粒子流的判斷準(zhǔn)則。

有關(guān)Zr基非晶合金藥型罩的研究,在射流成型特性,特別是非凝聚性方面的研究很少,對于不同材料性質(zhì)藥型罩射流凝聚性差異的研究尚未開展。射流的凝聚性關(guān)系到射流的尺寸和密度,從而關(guān)系到射流對目標(biāo)的開孔能力和侵徹深度。本研究利用數(shù)值仿真方法分別對Zr基非晶合金和Cu藥型罩射流成型過程進(jìn)行模擬,并通過脈沖X光試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,對比已有的金屬和高聚物藥型罩射流成型結(jié)論,分析Zr基非晶合金射流的本質(zhì)及成因。研究結(jié)果對于選取非凝聚射流藥型罩材料具有一定參考價值。

1 數(shù)值仿真建模

1.1 數(shù)值方法

考慮到非晶合金藥型罩形成的射流呈非凝聚態(tài)特征,射流頭部的狀態(tài)是離散的、膨脹的,傳統(tǒng)計(jì)算凝聚射流的歐拉方法不適用于描述這種情況,因此采用SPH光滑粒子流體動力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 數(shù)值模型

本數(shù)值仿真采用標(biāo)準(zhǔn)56 mm口徑藥型罩結(jié)構(gòu),其具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成型射流穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),填充粒子間距為0.2 mm,聚能裝藥結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)尺寸

1.3 材料模型

通過萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)(MTS)獲得準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖2所示。該試驗(yàn)采用4 mm×8 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,通過圖2可看出,Zr基非晶合金材料(具體組分為ZrTiNiCuBe)在受壓縮破壞前沒有塑性應(yīng)變,壓縮屈服強(qiáng)度高達(dá)1 860 MPa,遠(yuǎn)大于銅的屈服強(qiáng)度227 MPa,應(yīng)看作脆性材料。針對其彈性-脆性、非多孔的材料性質(zhì),本仿真采用Johnson-Holmquist本構(gòu)模型(JH-2模型),此強(qiáng)度模型主要用于描述脆性材料在高應(yīng)變率、高壓、大變形、材料損傷破壞環(huán)境下的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為。

圖2 Zr基非晶合金和銅準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

本文以Zr基非晶合金藥型罩為研究對象,為研究其形成射流形態(tài)與傳統(tǒng)金屬藥型罩形成射流形態(tài)的差異性及主要影響因素,利用仿真軟件分別模擬了Zr基非晶合金和Cu 2種材質(zhì)藥型罩的射流成型過程。Cu采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型和Shock狀態(tài)方程進(jìn)行描述;Zr基非晶合金選用JH-2強(qiáng)度模型及失效模型和Polynomial狀態(tài)方程進(jìn)行描述,主要參數(shù)如表1所示,表中,為密度;為剪切模量;,,,,為材料常數(shù)。主裝藥均選用8701炸藥,主要參數(shù)如表2所示,表中,,,,,為材料常數(shù);為爆速;為爆壓。

表1 Zr基非晶合金的主要材料參數(shù)

表2 8701炸藥的主要材料參數(shù)

2 數(shù)值仿真及結(jié)果分析

藥型罩的材料類型是影響射流成型的關(guān)鍵因素,Zr基非晶合金是金屬在凝固過程中通過工藝避免結(jié)晶而形成的材料,與金屬材料的特性有本質(zhì)區(qū)別。Zr基非晶合金藥型罩和Cu藥型罩射流的仿真成型過程如圖3所示。

圖3 射流成型及拉伸過程

2.1 射流速度差異分析

由圖3對比可看出,Zr基非晶合金射流與Cu射流輪廓相近,頭部最大速度分別為7 252 m/s、6 819 m/s,相差不大。這是因?yàn)閆r基非晶合金密度為6.11 g/cm,Cu密度為8.93 g/cm,密度相差不大且藥型罩結(jié)構(gòu)一致。但隨著時間的延長,Cu射流在40 μs已經(jīng)有明顯的頸縮現(xiàn)象,60 μs時局部明顯拉斷,同時刻下Zr基非晶合金射流連續(xù)性仍良好并無頸縮現(xiàn)象。隨著時間延長,Zr基非晶合金射流頭部直徑不斷增加,表現(xiàn)出非凝聚特性,50 μs時Cu射流頭部直徑達(dá)到11.1 mm,同時刻Zr基非晶合金射流頭部直徑達(dá)到20.2 mm,接近前者2倍。在2種藥型罩模型內(nèi)外側(cè)相同位置設(shè)置多個高斯點(diǎn),任取運(yùn)動到射流頭部的3個高斯點(diǎn),徑向速度變化對比如圖4所示,圖中,射流軸向方向?yàn)榉较?徑向方向以笛卡爾坐標(biāo)系分為、方向,可以看出,在2種藥型罩同一微元位置,Zr基非晶合金射流在碰撞點(diǎn)匯聚后微元徑向速度曲線均遠(yuǎn)比銅射流平穩(wěn),說明物質(zhì)微元處于力平衡狀態(tài),不受因速度差造成拉伸時的內(nèi)部作用力;Zr基非晶合金射流穩(wěn)定后徑向速度均不小于銅射流,因此Zr基非晶合金射流頭部直徑顯著大于Cu射流頭部直徑;雖然Zr基非晶合金屈服強(qiáng)度1 860 MPa遠(yuǎn)大于Cu的屈服強(qiáng)度227 MPa,但兩者起始加速時刻幾乎一致,說明在爆轟波遠(yuǎn)高于兩者屈服強(qiáng)度的加載下,兩者均被瞬時壓垮,但由于Zr基非晶合金密度小于Cu密度,其壓垮速度略大,匯聚時間略短。

圖4 頭部徑向速度曲線

CHOU等在研究平面軸對稱碰撞機(jī)制時總結(jié)出射流形成的準(zhǔn)則:亞聲速碰撞時,總會形成一個密實(shí)凝聚射流;超聲速碰撞時,存在一個形成附體沖擊波的最大角度,若壓垮角>,則會形成非凝聚射流,若壓垮角<,則不會形成射流。

Zr基非晶合金的體聲速為5 824 m/s,遠(yuǎn)超過接近4 000 m/s的壓垮速度,不滿足傳統(tǒng)金屬材料形成非凝聚射流的聲速準(zhǔn)則要求,說明Zr基非晶合金形成的射流性質(zhì)不同于常規(guī)金屬射流。

2.2 射流密度差異分析

由于Zr基非晶合金射流與Cu射流凝聚性存在差異,因此其質(zhì)量、密度分布應(yīng)有不同。圖5所示為兩者在30 μs時的粒子密度分布情況。

圖5 30 μs時射流密度分布云圖

由圖5可以看出:對于Cu射流,由于射流整體凝聚性很好,在30μs時射流密度整體基本保持在7.8 g/cm以上,密度極差約為2.0 g/cm,密度變化幅度22.4%,密度分布為從外表面到核心逐漸減小。而對于Zr基非晶合金射流,在30μs時除射流核心部分仍然在5.6 g/cm以上外,射流外部密度普遍較小,密度極差約為5.1 g/cm,密度變化幅度91.7%,密度分布為從外表面到核心逐漸增大。Cu射流所表現(xiàn)出的密度分布特點(diǎn)是具有流體性質(zhì)的射流的共同點(diǎn),應(yīng)是射流拉伸時流體黏性產(chǎn)生的影響。而Zr基非晶合金射流很明顯不具備這一典型特點(diǎn)。結(jié)合Zr基非晶合金射流無頸縮現(xiàn)象,射流主體直徑基本保持不變,頭部物質(zhì)微元處于力平衡態(tài)的情況。Zr基非晶合金射流的非凝聚現(xiàn)象應(yīng)采用非凝聚高速集束粒子流來解釋。

非凝聚集束高速粒子射流是藥型罩在壓垮過程中,受藥型罩材料力學(xué)特性影響不能形成凝聚態(tài)射流和杵體,轉(zhuǎn)而大部分質(zhì)量全部形成高速粒子束狀態(tài)的射流。用Zr基非晶合金射流性質(zhì)為高速粒子流這一推論可解釋Zr基非晶合金射流與Cu射流密度變化幅度相差極大這一現(xiàn)象。假設(shè)Cu射流為不可壓縮黏性流體,2種射流組成性質(zhì)的不同造成密度分布的差異性。Cu射流在碰撞點(diǎn)匯聚時,壓垮速度小于體聲速,不會產(chǎn)生激波面,射流不會受到突躍的擾動影響。Cu射流在空氣介質(zhì)中運(yùn)動時,會在邊界上與空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切力,這個剪切層的黏性作用減小了射流外部速度,而內(nèi)層因不受力(或受力小)而速度要大于外部,因此軸心物質(zhì)微元拉伸較快,密度較小。Zr基非晶合金射流在碰撞點(diǎn)匯聚時,大量高速粒子撞擊后應(yīng)會發(fā)生質(zhì)量重新分配,密度大的粒子受徑向力影響小,徑向速度小,在射流內(nèi)部;密度小的粒子受徑向力影響大,徑向速度大,在射流外部。同時因材料本身的高脆性,受大加載時會產(chǎn)生部分破碎的小密度粒子,擴(kuò)大了密度的極差。

綜上可以說明:Zr基非晶合金射流性質(zhì)不同于Cu射流,不是流體性質(zhì),應(yīng)為高速集束粒子流,因此造成Zr基非晶合金射流與Cu射流密度分布相反的現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)值仿真將Zr基非晶合金按照脆性材料處理,沒有考慮到高壓、高應(yīng)變率和高溫對非晶材質(zhì)的影響。為驗(yàn)證分析數(shù)值仿真結(jié)果所得到的結(jié)論,本文開展了射流成型X光攝像實(shí)驗(yàn),Zr基非晶合金藥型罩如圖6所示,現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖6 Zr基非晶合金藥型罩實(shí)物圖

圖7 X光實(shí)驗(yàn)布置圖

2種藥型罩脈沖X光圖像與數(shù)值仿真結(jié)果對比如圖8所示,其中圖8(b)中X光圖像引用自文獻(xiàn)[14],均為標(biāo)準(zhǔn)56 mm口徑藥型罩,圖中的標(biāo)注為X光片上的尺寸,放大比例為2?？梢钥闯?起爆后30 μs時,射流輪廓清晰,能夠明確觀察到射流各部分形態(tài),Zr基非晶合金射流整體凝聚性良好,頭部略有膨脹現(xiàn)象,整個射流連續(xù)性良好,對稱性良好;從起爆后60 μs時圖像來看,射流整體連續(xù)性良好,不存在頸縮現(xiàn)象,對稱性發(fā)生劣化,射流整體邊緣略微模糊,類似霧化,射流尾部形態(tài)出現(xiàn)明顯霧化。對比2個時間節(jié)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn),射流尾部與杵體銜接處形態(tài)變化不明顯,這是因?yàn)樗幮驼值撞坑行аb藥比較少,射流粒子加載速度較小。

圖8 射流X光圖像(左)與數(shù)值仿真結(jié)果(右)

從脈沖X光照片與數(shù)值仿真結(jié)果的對比圖像來看,兩者在2個時刻形貌均很接近,說明采用SPH方法能較好地描述非凝聚射流和凝聚射流2種情況。結(jié)合表3的測量數(shù)據(jù),射流頭部速度、頭部直徑及射流長度的仿真值和實(shí)測值均吻合較好,說明在該時間跨度內(nèi),數(shù)值仿真具有真實(shí)性和可靠性。針對Zr基非晶合金射流圖像,=30 μs時,射流成型時間較短,邊緣粒子徑向行程較小,射流還沒有明顯發(fā)散。當(dāng)=60 μs時,隨著粒子流的不斷運(yùn)動,邊緣低密度粒子已產(chǎn)生了較大的位移。以上X光圖像特征符合前文關(guān)于Zr基非晶合金射流為集束高速粒子流的推論。

表3 射流成型數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文針對Zr基非晶合金藥型罩射流成型情況展開研究,通過數(shù)值仿真方法對比了Zr基非晶合金藥型罩與銅藥型罩的射流成型差異,并通過脈沖X 射線成像技術(shù)對仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。得到如下結(jié)論:

①Zr基非晶合金射流與Cu射流有明顯差異,由于Zr基非晶合金材料屈服強(qiáng)度極高、塑性極低,藥型罩在壓垮時形成高速粒子流,頭部粒子碰撞后會產(chǎn)生明顯的發(fā)散效應(yīng),此現(xiàn)象適用于其他脆性材料。

②Zr基非晶合金射流具有良好的連續(xù)性,由于其本質(zhì)是離散粒子,不會因頭尾速度差產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,射流成型穩(wěn)定后,密度基本不會隨時間變化,密度大小分布為軸心到表面逐漸遞減。

③基于脆性材料模型的數(shù)值仿真方法能夠在一定時間范圍內(nèi)對Zr基非晶合金射流成型進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,當(dāng)射流因藥型罩破碎形成的高速粒子質(zhì)量分布不對稱而造成的形貌改變不可忽略時,仿真與實(shí)際具有一定差距。