起爆點(diǎn)對(duì)通孔柱錐組合藥型罩射流成型的影響

盧 薇，李小軍，謝長(zhǎng)友，蓋希強(qiáng)

(軍事科學(xué)院 防化研究院，北京 102205)

1 引言

藥型罩在爆轟波加載下不斷碰撞、擠壓形成高溫、高壓、高速侵徹體，為有效提高射流的侵徹威力性能，得到侵徹性能更優(yōu)良的桿式侵徹體，學(xué)者們通過改變藥型罩頂部結(jié)構(gòu)形狀、爆點(diǎn)方式及爆點(diǎn)位置可獲得頭部速度更高、長(zhǎng)度更長(zhǎng)的射流。

王成、張會(huì)鎖通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，起爆方式會(huì)影響射流成型過程及爆轟波傳播途徑均不同，從而導(dǎo)致射流頭部速度相差較大。王義鼎、安文同等對(duì)截頂M形、V形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩射流成型展開研究，結(jié)果表明與平頂結(jié)構(gòu)相比射流頭部速度顯著提高。以上研究成果均表明，改變藥型罩結(jié)構(gòu)、起爆方式均能獲得良好形態(tài)的射流。

本文基于爆轟波原理，通過偏心起爆方式影響藥型罩上的爆轟載荷分布及射流成型。借助數(shù)值模擬方法，探究本文設(shè)計(jì)的直錐組合型藥型罩，起爆位置和罩頂直柱高度，對(duì)桿式射流頭尾速度、長(zhǎng)度及其成型規(guī)律。

2 爆轟波傳播分析

通孔柱錐組合戰(zhàn)斗部截面圖如圖1所示。顯然，中心起爆方式起爆位置為點(diǎn)A，偏心起爆時(shí)起爆位置為點(diǎn)B。從圖1爆轟波傳播路徑可知，起爆位置的改變，將影響著爆轟波的傳播路徑。

從圖1(a)中心起爆爆轟波傳播規(guī)律可知，中心起爆時(shí)，當(dāng)爆轟波經(jīng)過藥型罩罩頂區(qū)域，部分爆轟波將從藥型罩罩頂中空區(qū)域泄壓，壓力的泄露使得作用在藥型罩上的壓力減小，從而導(dǎo)致壓力減小。此時(shí)，不利于射流頭部速度的提高；圖1(b)改變了起爆點(diǎn)的位置，隨著起爆位置偏離中心軸線，爆轟波抵達(dá)藥型罩最頂部位置的時(shí)間長(zhǎng)于其他部位。此時(shí)，頭部射流成型時(shí)間早于其他部位，藥型罩頂部?jī)蓚?cè)向中間匯聚，提前閉合了罩頂中空區(qū)域，阻止了藥型罩頂部爆轟波從中空區(qū)域的泄露。與常規(guī)弧頂結(jié)構(gòu)藥形罩相比，合理直柱高度的選擇，可有效提高了爆轟波能量利用率。

圖1 起爆點(diǎn)位置對(duì)爆轟波傳播的影響示意圖Fig.1 Detonation point location on the impact of blast wave propagation

3 數(shù)值模擬概況

3.1 有限元模型的建立

聚能裝藥戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖及其計(jì)算模型分別如圖2所示，計(jì)算模型主要參數(shù)為：藥型罩錐角54°，裝藥直徑=116 mm，等壁厚藥型罩厚度=2.5 mm，為藥型罩罩頂直柱高，高度依次取10 mm、15 mm、20 mm、25 mm。其中藥型罩中空直徑如圖所示取值10 mm，數(shù)值模擬過程始終保持不變。起爆點(diǎn)的設(shè)置以炸藥頂部軸線位置為中心，分布向軸線兩側(cè)偏移0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm。數(shù)值模擬采用LS-DYNA 2D有限元軟件對(duì)射流頭尾速度、長(zhǎng)度及其射流成型進(jìn)行綜合分析。

圖2 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖及有限元模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the charging structure and finite element model

計(jì)算時(shí)采用1/2結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型。計(jì)算網(wǎng)格均采用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣均采用多物質(zhì)ALE單元。最大網(wǎng)格尺寸為0.3 mm,前期已經(jīng)探究網(wǎng)格尺寸對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算沒有影響。

3.2 材料模型及狀態(tài)方程

本文研究殼體材料為2 mm的鋼殼，采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。藥型罩選擇厚度為3 mm的紫銅，主裝藥選8701炸藥，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL狀態(tài)方程描述爆轟氣體的壓力、體積及能量。數(shù)值計(jì)算采用cm-μsvg-Mbar單位制。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

4.1 起爆點(diǎn)位置對(duì)射流頭尾速度的影響

=50 μs時(shí)刻圖3數(shù)據(jù)可知，當(dāng)藥型罩結(jié)構(gòu)、爆點(diǎn)高度不變，改變起爆點(diǎn)的位置發(fā)現(xiàn)，隨著起爆點(diǎn)偏移軸線距離的不斷增加，相同時(shí)刻成型射流頭部速度，呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)。由于爆點(diǎn)偏移位置較近，爆轟壓力波從藥形罩頂部直柱空腔泄露，所以射流頭部速度增加不大。隨著起爆點(diǎn)偏移中心軸線距離增加，射流頭部速度不斷增大。爆轟波抵達(dá)藥形罩直柱外壁面的時(shí)間，小于沿著軸線方向爆轟波抵達(dá)罩頂?shù)臅r(shí)間。因此，藥型罩頂部和側(cè)向承受爆轟波作用時(shí)，存在一定的時(shí)間差。所以，當(dāng)爆轟波壓垮藥型罩時(shí)，起爆位置的偏移可有效防止罩頂爆轟波傳播至罩頂直柱部位發(fā)生泄壓現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高射流頭部速度。

圖3 爆點(diǎn)位置對(duì)射流頭部速度的影響曲線Fig.3 Effect of detonation location on jet head velocity

圖4射流尾部速度隨著爆點(diǎn)變化規(guī)律可知，尾部速度歷經(jīng)緩慢下降到急劇上升。爆點(diǎn)的偏移可視為聚能裝藥能量在藥形罩上能量的重新分配。當(dāng)總能量不變時(shí)，射流頭部速度越高，表明射流頭部獲得的能量越大，所以射流尾部獲取的能量少、速度低。

圖4 爆點(diǎn)位置對(duì)射流尾部速度的影響曲線Fig.4 Effect of detonation location on the velocity of the jet wake

4.2 罩頂高度對(duì)射流速度的影響

從圖5、圖6可知，聚能裝藥起爆位置固定不變，僅改變藥形罩頂部直柱高度。射流的頭部速度和尾部速度呈先下降后上升的規(guī)律。數(shù)值結(jié)果表明，起爆位置相同，罩頂直柱高為10 mm時(shí)，射流成型時(shí)頭部速度最高。

當(dāng)藥形罩直柱通孔直徑為10 mm，由圖5、圖6可知，起爆點(diǎn)偏移戰(zhàn)斗部對(duì)稱軸約1.5～2倍通孔直徑時(shí)，射流頭部速度出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)起爆點(diǎn)位置偏移大于2倍通孔直徑后，隨著罩頂高度的增加射流頭部速度逐漸遞增。原因是，起爆位置確定不變，罩頂直柱部分高度小于最優(yōu)高度時(shí)，可有效增加射流頭部速度；當(dāng)罩頂直柱高超過最優(yōu)高度，壓垮多余罩頂部分消耗了更多的能量，從而射流頭部、尾速度出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖5 罩頂高度對(duì)射流頭部速度的影響曲線Fig.5 Effect of hood top height on jet head velocity

圖6 罩頂高度對(duì)射流尾部速度的影響曲線Fig.6 Effect of hood height on the velocity of the jet wake

4.3 射流長(zhǎng)度及形態(tài)分析

由圖7數(shù)據(jù)可知，50 μs時(shí)刻，罩頂直柱高為10 mm時(shí)，藥形罩形成的射流長(zhǎng)度，均長(zhǎng)于其他工況下的射流長(zhǎng)度；當(dāng)藥形罩直柱結(jié)構(gòu)不變，隨著起爆點(diǎn)位置偏移，射流長(zhǎng)度呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。射流長(zhǎng)度的不斷增加，說明了桿式射流頭部速度不斷增大，速度梯度不斷增大。

圖7 射流長(zhǎng)度變化規(guī)律曲線Fig.7 Jet length variation law

當(dāng)藥型罩直柱高為10 mm，得到不同起爆位置50 μs時(shí)刻射流速度云圖可知，起爆位置不斷向外側(cè)偏移，射流速度梯度不斷增大，射流長(zhǎng)度不斷拉長(zhǎng)，說明了炸藥裝藥的能量更多的匯聚到藥形罩上，反應(yīng)出射流的侵徹毀傷能力更強(qiáng)。所以起爆點(diǎn)位置的合理選擇，能夠顯著提高柱錐結(jié)合藥型罩結(jié)構(gòu)聚能射流的頭部速度。數(shù)據(jù)表明：藥型罩結(jié)構(gòu)相同，改變起爆位置，射流頭部速度差最高可達(dá)32%，與圖5、圖6數(shù)值結(jié)果一致。

此外，從圖8射流成形形態(tài)可看出，該結(jié)構(gòu)能夠有效避免射流頭部出現(xiàn)“蘑菇頭”，說明該結(jié)構(gòu)藥型罩具備更好的侵徹毀傷能力。

圖8 50 μs時(shí)刻射流形態(tài)圖(直柱高10 mm)Fig.8 Jet pattern at 50 μs (straight column height 10 mm)

4.4 爆轟波傳播規(guī)律分析

針對(duì)爆點(diǎn)位置和藥形罩直柱高度模擬數(shù)據(jù)，選擇藥形罩直柱高度為10 mm和15 mm結(jié)構(gòu)藥形罩，取值8 μs時(shí)刻進(jìn)行分析爆轟波壓力云圖，見圖9、圖10。

圖9 藥柱高度10 mm，起爆點(diǎn)偏移中心點(diǎn)不同距離時(shí)的壓力云圖Fig.9 pillar height of 10 mm,the pressure cloud at different distances from the center of the detonation point offset

圖10 藥柱高度15 mm，起爆點(diǎn)偏移中心點(diǎn)不同距離時(shí)的壓力云圖Fig.10 pillar height of 15 mm,the pressure cloud at different distances from the center of the detonation point offset

由圖9和圖10壓力云圖可知，戰(zhàn)斗部起爆后，起爆點(diǎn)偏移軸線距離越遠(yuǎn)，爆轟波傳播速度越快，射流微元受力越大，爆轟波作用在藥形罩上的壓力越大，因此射流速度急劇增加。觀察2種工況下壓力云圖可知，爆點(diǎn)位置偏移20～40 mm時(shí)，藥形罩頂部承受的壓力高達(dá)47 GPa和50 GPa，約為中心起爆方式藥形罩頂部承壓的兩倍，所以射流頭部速度較高。綜合分析，藥形罩直柱最佳高度為1～1.5倍通孔直徑，可為實(shí)際應(yīng)用提供一定參考價(jià)值。

5 結(jié)論

針對(duì)藥型罩直柱高度及起爆位置對(duì)射流頭尾速度及成型的分析，得出以下結(jié)論：

1)單錐柱錐組合型通孔藥型罩，藥型罩直柱最佳高度范圍為1～1.5倍通孔直徑，此范圍藥型罩成型后的射流頭部速度高、速度梯度大、長(zhǎng)度佳。

2)藥型罩結(jié)構(gòu)相同，爆點(diǎn)位置偏離軸線位置越遠(yuǎn)，藥型罩承受爆轟波壓力越大，射流頭部速度越高，射流頭部速度相差最高可達(dá)32%。

3)該結(jié)構(gòu)藥型罩射流成型后，形成的射流頭部沒有“蘑菇頭”，成型好。