截頂輔助藥型罩對(duì)橢球罩射流成型影響研究

賀浩鋒，王志軍，韓 澤，李 昊

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.中國人民解放軍32752部隊(duì)，湖北 襄陽 441123)

混凝土因其硬度高、來源廣、造價(jià)低[1]且具有良好的耐火性及耐久性而廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域[2]。桿式射流(JPC)具有遠(yuǎn)距離攻擊力強(qiáng)、藥型罩利用率高、侵徹孔徑大且比較均勻的優(yōu)點(diǎn)[3]，因而可用于攻擊混凝土類目標(biāo)。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)桿式射流成型做了許多研究。徐斌等[4]針對(duì)傳統(tǒng)聚能射流有效質(zhì)量低的問題，設(shè)計(jì)了一種增加輔助結(jié)構(gòu)的亞半球藥型罩，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。張小靜等[5]研究了圓筒形輔助藥型罩對(duì)半球罩形成桿式射流成型及侵徹性能的影響，通過仿真計(jì)算出了射流綜合性能最好的輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)。孫加肖等[6]利用AUTODYN數(shù)值模擬了雙層橢圓形藥型罩的射流成型，并對(duì)比分析了長短軸比、材料及罩間距對(duì)其的影響。Baker等[7]研究了可選擇起爆方式的成型裝藥，通過改變起爆點(diǎn)的位置，從而改變聚能裝藥形成的射流的模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝甲及地質(zhì)材料等不同目標(biāo)的毀傷。王海福等[8]研究了桿式射流的水下作用行為，仿真計(jì)算出了偏心亞半球罩結(jié)構(gòu)的水下最佳炸高。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)聚能射流做了眾多研究，但對(duì)橢球型藥型罩形成的桿式射流研究不多，筆者為了提高橢球罩形成桿式射流的侵徹性能，使用非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件Autodyn-2D進(jìn)行數(shù)值仿真，將橢球罩做截頂處理，并在頂端附加輔助藥型罩，研究其成型過程及輔助藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)藥型罩射流成型的影響，從而提高桿式射流的侵徹性能。

1 模型建立

1.1 幾何模型

帶有截頂型輔助藥型罩結(jié)構(gòu)的橢球罩裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝藥直徑d=60 mm，殼體壁厚δ=2 mm，裝藥高度為60 mm，橢球罩短半軸R和r1分別為30、28 mm，對(duì)應(yīng)的長半軸分別為38、36 mm。

圖1 戰(zhàn)斗部幾何模型

1.2 有限元模型

帶截頂輔助藥型罩的橢圓罩裝藥結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，桿式射流的成型屬于大變形問題[9]，在數(shù)值仿真計(jì)算過程中，為防止網(wǎng)格畸變過大而導(dǎo)致計(jì)算困難或無法計(jì)算的情況，所有材料均采用Euler算法[10]。由于該裝藥結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時(shí)只建立1/2模型，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格劃分過程中，將射流通道上的網(wǎng)格劃分為0.25 mm/個(gè)，其余網(wǎng)格為0.5 mm/個(gè)，以提高計(jì)算精度?？諝庥蜻吔鐥l件定義為Flow_out用來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。起爆方式選擇裝藥頂端中心點(diǎn)起爆，在模型的中軸線上同時(shí)設(shè)立有18個(gè)Gauges點(diǎn)，Gauges點(diǎn)起始坐標(biāo)為(60，0)，每隔20 mm設(shè)置一個(gè)Gauges點(diǎn)(見圖3)，在數(shù)值模擬過程中計(jì)量單位為mm-mg-ms-kPa。

圖2 戰(zhàn)斗部有限元模型

圖3 Gauges點(diǎn)布置

1.3 材料模型

在數(shù)值仿真計(jì)算過程中，所有的材料模型均取自Autodyn本身自帶材料庫中的材料。該裝藥結(jié)構(gòu)的殼體選用AL 2024，裝藥選用COMP B炸藥，主藥型罩及輔助藥型罩材料均為銅材料，將其分別命名為COPPER1和COPPER2，兩種材料一樣，將兩者分別編號(hào)是為了區(qū)分其形成的射流形態(tài)。各種材料的參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 藥型罩及殼體材料參數(shù)

2 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與分析

為了使帶截頂輔助藥型罩的橢球罩所形成的聚能射流達(dá)到最好的侵徹性能，將對(duì)該截頂輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 射流成型過程

首先對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真，參考文獻(xiàn)[10]的結(jié)構(gòu)，在本次仿真時(shí)將輔助藥型罩的初始高度設(shè)置為2.5 mm，直徑設(shè)置為14 mm，觀察其成型過程(見圖4)。

圖4 射流成型過程

由圖4可知，裝藥起爆后0～10 μs產(chǎn)生的爆轟壓力已率先到達(dá)輔助藥型罩，并對(duì)其產(chǎn)生作用；在10～16 μs時(shí)爆轟壓力開始作用于主藥型罩，主藥型罩則向中心處壓垮變形。在24 μs時(shí)，主藥型罩及輔助藥型罩基本完成匯聚，由于射流整體存在速度梯度，在24～60 μs時(shí)，射流開始拉伸，其基本形態(tài)已經(jīng)固定。當(dāng)t=86 μs時(shí)，射流整體形態(tài)不再變化，輔助藥型罩所形成的射流一直處于整體射流的中軸線上。

2.2 輔助藥型罩高度對(duì)射流成型的影響

為了研究截頂輔助藥型罩的高度h對(duì)橢球罩形成聚能射流的影響，將其初始直徑r2固定為14 mm，改變輔助藥型罩的高度，分別將h設(shè)置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，截取60 μs時(shí)每組數(shù)據(jù)的射流形態(tài)(見圖5)。通過Gauges點(diǎn)觀測(cè)到的射流頭部速度隨高度h的變化曲線如圖6所示。

圖5 不同高度輔助藥型罩的射流形態(tài)

圖6 射流頭部速度隨高度的變化

由圖5可以看出，當(dāng)h為1.5 mm時(shí)所形成的射流頭部無法閉合，從而不能對(duì)目標(biāo)形成預(yù)期的毀傷效果。當(dāng)h為2.0 mm時(shí)，輔助藥型罩所形成的射流主要集中在射流的中前部，在射流的中后部則出現(xiàn)了空腔，空腔的存在會(huì)降低射流對(duì)目標(biāo)的侵徹效果;當(dāng)h為2.5 mm和3.0 mm時(shí)，輔助藥型罩形成的射流均在射流的中軸線上，但當(dāng)h大于3.0 mm時(shí)，射流的頭部由于速度過高，整體射流速度梯度過大，射流繼續(xù)拉伸會(huì)發(fā)生斷裂，從而無法形成連續(xù)的射流。當(dāng)h為3.5 mm和4.0 mm時(shí)，輔助藥型罩形成的侵徹體主要集中在射流尾部。

由圖6可以看出，加了截頂輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)所形成的射流頭部速度隨著輔助藥型罩高度的增加而增加，而增幅在逐漸減小。但當(dāng)h大于2.5 mm時(shí)，射流無法連續(xù)，所以不能對(duì)目標(biāo)造成預(yù)期的毀傷效果。綜上所述，當(dāng)輔助藥型罩高度h為2.5 mm時(shí)，截頂橢球罩形成的射流綜合性能最優(yōu)。

2.3 輔助藥型罩直徑對(duì)射流成型的影響

為研究截頂輔助藥型罩的半徑對(duì)射流成型的影響，根據(jù)上文的對(duì)比分析，取h為2.5 mm，通過改變輔助藥型罩的半徑r2，對(duì)r2取12、13、14、15、16、17、18 mm時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，截取60 μs時(shí)每組數(shù)據(jù)的射流形態(tài)(見圖7)。通過Gauges點(diǎn)觀測(cè)到的射流頭部速度隨半徑r2的變化曲線如圖8所示。

圖7 不同半徑輔助藥型罩的射流形態(tài)

圖8 射流頭部速度隨半徑的變化

由圖7可以看出，當(dāng)輔助藥型罩半徑為13、16、17 mm時(shí)，相較于其他方案，射流頭部均有拉伸斷裂的跡象，這3種方案均不能達(dá)到預(yù)期的毀傷效果。輔助藥型罩所形成的射流則集中在射流后部及中軸線上。

由圖8可知，當(dāng)r2為13 mm時(shí)，頭部射流速度為4 199 m/s，高于r2為12 mm及14 mm時(shí)，但其頭部已發(fā)生斷裂，且前半段射流出現(xiàn)細(xì)微的空腔，不利于對(duì)目標(biāo)的侵徹。當(dāng)r2為15 mm及16 mm時(shí)，射流速度分別為4 231、4 233 m/s，兩者相差不大，但r2為16 mm時(shí)所形成的射流連續(xù)性不如r2為15 mm時(shí)。當(dāng)r2>16 mm后，截頂橢球罩所形成的射流頭部速度逐漸降低且總動(dòng)能逐漸減小，對(duì)目標(biāo)的毀傷效果也隨之減小。綜上所述，當(dāng)r2為15 mm時(shí)，射流的整體侵徹性能最好。

2.4 侵徹能力對(duì)比

為研究帶截頂輔助藥型罩的橢球罩所形成射流的侵徹性能，基于上文優(yōu)化的方案，將輔助藥型罩的高度設(shè)置為2.5 mm，半徑設(shè)置為15 mm。將其與普通橢球罩形成射流的侵徹能力進(jìn)行對(duì)比。兩種結(jié)構(gòu)在60 μs時(shí)形成的射流形態(tài)如圖9所示。

圖9 60 μs時(shí)射流形態(tài)

由圖9可以看出，在60 μs時(shí)截頂橢球罩所形成的射流長度要長于普通橢球罩，截頂橢球罩形成的射流的頭部速度為3 415 m/s，普通橢球罩形成的射流的頭部速度為4 231 m/s。

靶板選擇AUTODYN材料庫中自帶的混凝土模型CONC140MPA，該高強(qiáng)度混凝土的密度為2.75 g/cm3，使用RHT[11]本構(gòu)模型，該模型能較好的反映脆性材料的硬化、軟化、拉伸及壓縮。其材料模型如表3所示。

表3 高強(qiáng)度混凝土材料模型

使用上述兩種結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土靶板進(jìn)行侵徹仿真，炸高為2.5倍裝藥口徑。取400 μs時(shí)的侵徹深度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，其侵徹深度對(duì)比如圖10所示。

圖10 400 μs時(shí)侵徹深度

由圖10可以看出，截頂橢球罩形成射流的侵徹深度要深于普通橢球罩，孔徑則小于普通橢球罩。截頂橢球罩形成的射流穿孔較為均勻，普通橢球罩形成的射流穿孔先變大后變小。兩者的侵徹深度、射流接觸靶板時(shí)的頭部速度及射流長度如表4所示。

表4 射流性能對(duì)比

由表4可以看出，帶截頂輔助藥型罩的橢球罩相比于普通藥型罩，侵徹深度增加52.3 mm，提升14.1%；接觸靶板時(shí)頭部速度增加816 m/s，提升23.9%；射流長度增加32.5 mm，提升15.9%。

3 結(jié)論

1)當(dāng)截頂輔助藥型罩高度h=2.5 mm時(shí)，形成的射流連續(xù)性及綜合性能最好。

2)當(dāng)截頂輔助藥型罩半徑r2=15 mm時(shí)，形成的射流具有最優(yōu)的頭部速度及射流形態(tài)。

3)當(dāng)截頂輔助藥型罩高度為2.5 mm，半徑為15 mm時(shí)，相較于普通橢球罩形成的聚能射流，侵徹深度提升14.1%，頭部速度提升23.9%，射流長度提升15.9%。