低密度藥型罩形成射流毀傷元數值仿真研究

張 娜 賈春月

（九江國科遠大機電有限公司，江西 九江 332000）

0 前言

該文研究的以尼龍為材料的低密度藥型罩可以作為穿-破式串聯戰(zhàn)斗部的前級聚能裝藥的藥型罩，利用爆炸反應裝甲的夾層裝藥對低聲阻抗材料不敏感的特點，采用尼龍為材料的藥型罩作為穿-破式串聯破甲彈前級聚能裝藥可以使其在裝藥爆轟下形成低密度射流，在穿透反應裝甲的同時，不引爆反應裝甲夾層炸藥，實現穿而不爆的特性，從而使后級主射流能夠直接侵徹主裝甲。

1 尼龍的射流毀傷元數值仿真分析

1.1 尼龍射流成形的仿真分析

分析在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm、錐角2α=60°且藥型罩壁厚δ=2.0 mm 的情況下尼龍的聚能射流。

1.1.1 有限元模型的建立

聚能裝藥結構如圖1 所示，采用頂端中心起爆方式壓垮尼龍藥型罩，以形成射流。

在數值計算中，為了避免射流成型的過程中會出現網格變形的情況，該文采用Euler 算法，求解器為2D 多物質歐拉求解器，網格尺寸設置為2 個/mm，并對射流經過的中心區(qū)域的網格進行加密。

在建立有限元模型的過程中，因為聚能裝藥結構為軸對稱回轉體，所以建立AUTODYN-2D 有限元模型，并在空氣域邊界處加上Flow out 邊界條件來消除邊界效應。

1.1.2 尼龍射流的成形

經過數值仿真可以得到不同時刻尼龍藥型罩的聚能射流的成形狀態(tài)。

圖1 聚能裝藥藥型罩幾何結構尺寸

射流形成過程的數值模擬包括4 個過程，分別為成型裝藥的爆轟、藥型罩的壓垮、射流的初步形成以及射流的拉伸。可以將射流形成的過程看作二維軸對稱問題。

如圖2 所示，尼龍射流有聚能射流的典型特征。藥型罩在爆轟波的作用下，在對稱軸處做加速運動并發(fā)生碰撞，藥型罩內側形成高速的聚能射流，外側速度比較低的一則形成杵體，在完成炸藥爆轟的一瞬間，其射流頭部也剛剛形成，爆轟波對尼龍藥型罩繼續(xù)作用，其藥型罩被連續(xù)壓垮，致使尼龍的射流質量和能量不斷流入，射流頭部的速度繼續(xù)加快，直到速度達到最大值。隨著尼龍的射流質量及能量流入逐漸降低，其射流頭部速度也隨之降低，并且沿著其射流長度的方向遞減，由于射流內部存在速度梯度，因此其射流隨時間的推移被不斷拉長。

當t 為0 μs～10 μs 時，藥型罩在爆轟作用下被壓垮隨之閉合，由于藥型罩單位微元之間互相碰撞，因此內層材料微元在軸線被壓垮的過程中從藥型罩中被高速“擠壓”出來，從而形成射流頭部。當t 為10 μs～30 μs 時，被高速“擠壓”出來的材料微元聚合形成射流，由于沿射流長度方向存在速度梯度，因此射流隨著時間的推移不斷地拉伸并向前運動；當t 為30 μs～50 μs 時，受材料的物化性質等因素的影響，射流形成頸縮且射流基本穩(wěn)定。

影響射流性能的2 個重要因素就是聚能射流的頭部速度和速度梯度。一般情況下，聚能射流的頭部速度越高，速度梯度就越大，射流性能越好，其侵徹能力越強。不同時刻尼龍射流的速度云圖如圖3 所示。

不同時刻下尼龍射流頭部速度的數值見表1。

圖2 尼龍聚能射流的形成過程

2 藥型罩結構參數對射流毀傷元的影響

2.1 不同藥型罩結構參數對射流頭部速度的影響

2.1.1 不同壁厚對射流頭部速度的影響

不同壁厚對射流頭部速度的影響如下：在裝藥長徑比、錐角均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且錐角2α=60°的情況下，只討論藥型罩壁厚對尼龍射流頭部速度的影響，由于射流頭部的速度也有梯度，因此這里的頭部速度是指射流頭部最大的速度。

尼龍壁厚δ 分別為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

表1 不同時刻下尼龍射流的頭部速度數值表

圖3 不同時刻尼龍聚能射流速度云圖

圖4 為不同壁厚下尼龍射流頭部速度隨時間變化的曲線圖。由圖4 可知，對不同壁厚的尼龍藥型罩來說，隨著尼龍藥型罩壁厚的增加，藥型罩被壓垮的速度降低，形成的射流頭部速度也會降低。

圖4 不同壁厚下射流頭部速度隨時間變化的曲線圖

2.1.2 不同裝藥長徑比對射流頭部速度的影響

為了研究藥型罩長徑比對射流的影響，在藥型罩錐角、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在藥型罩錐角2α=60°、壁厚δ=2.0 mm 的情況下，只討論裝藥長徑比對射流頭部速度的影響。

在尼龍藥型罩口徑不改變的前提下，要改變裝藥結構就只能通過裝藥高度來改變藥型罩的長徑比，取裝藥口徑D=60 mm，裝藥高度H 分別為56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78 mm，即在裝藥長徑比分別為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情況下，研究裝藥長徑比的變化對尼龍射流頭部速度的影響。

圖5 為當裝藥長徑比為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 時尼龍射流頭部速度隨時間的變化曲線圖。由圖5 可知，尼龍射流其頭部速度隨長徑比的增加而加快。可以從以下2個階段分析裝藥長徑比對射流頭部速度的影響：1） 當時間為0 μs～5 μs 時，在裝藥長徑比較小的情況下，由于裝藥量少，因此爆轟波很快就作用在藥型罩上，使藥型罩在很短的時間內就有了較高的速度；而在裝藥長徑比較大的情況下，由于裝藥量多，因此爆轟波要在幾微秒之后才能作用在藥型罩上，延緩了藥型罩有較高速度的時間。這一現象具體表現為裝藥長徑比越大，射流曲線發(fā)生轉折的時間就越晚。2） 當時間為5 μs 時，因為受裝藥量的影響，裝藥越多的射流的能量越高，所以射流頭部的速度越快。長徑比越大的藥型罩裝藥量越大，因此裝藥長徑比越大，射流頭部速度就越快。

2.1.3 不同錐角對射流頭部速度的影響

在裝藥長徑比、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且壁厚δ=2.0 mm的情況下，只討論藥型罩錐角對射流頭部速度的影響，取錐角為50°、55°、60°、65°以及70°時的裝藥結構進行分析。

圖5 不同裝藥長徑比下射流頭部速度隨時間變化的曲線圖

圖6 為不同錐角下尼龍射流頭部速度隨時間變化的曲線圖。由圖6 可知，尼龍射流頭部速度隨時間的變化趨勢相同，且都隨藥型罩錐角的增加而減少。

綜上所述，要想使射流頭部速度達到最大值，就可以在適當范圍內選擇藥型罩壁厚小、藥型罩錐角小且裝藥長徑比大的藥型罩結構。

2.2 不同藥型罩結構參數對射流長度的影響

2.2.1 不同壁厚對射流長度的影響

在裝藥長徑比、錐角均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且錐角2α=60°的情況下，只討論藥型罩壁厚對尼龍射流長度的影響。取壁厚δ 為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

不同時刻不同壁厚的尼龍射流長度見表2。由表2 可知，由于尼龍藥型罩壁厚和射流的質量都比較小，因此壁厚小的尼龍藥型罩的射流穩(wěn)定性較差。在射流斷裂前比較不同壁厚的射流長度可以發(fā)現，隨著藥型罩壁厚的增加，射流長度逐漸縮短，壁厚為2.5 mm～4.0 mm 的尼龍射流在60 μs～70 μs 時就開始斷裂了。

由圖7 可知，尼龍射流的長度隨藥型罩壁厚的增加而縮短。其射流最長的應該是壁厚最小的一組，由于壁厚小的尼龍射流穩(wěn)定性不好，因此在這5 組尼龍射流中射流長度最長的是壁厚為2.5 mm 的射流。

2.3 不同藥型罩結構參數對射流形狀的影響

2.3.1 不同藥型罩錐角對射流形狀的影響

在裝藥長徑比、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且壁厚δ=2 mm的情況下，只討論藥型罩錐角對射流形狀的影響，對錐角為50°、55°、60°、65°以及70°時的裝藥結構進行分析。

如圖8 所示，隨著藥型罩錐角的增加，尼龍射流的連續(xù)性和一致性逐漸變好，比較明顯的就是尼龍射流的連續(xù)性。由圖8 可知，當時間為50 μs 時，錐角為50°的尼龍射流頭部已經斷裂，尾部已經變成顆粒狀，而錐角為70°的射流還沒出現斷裂，錐角為50°～70°的尼龍射流在50 μs 時已經形成了很成熟的侵徹體。

表2 不同時刻不同壁厚的尼龍射流長度

圖6 不同錐角下射流頭部速度隨時間的變化曲線圖

圖7 不同壁厚的尼龍射流的長度隨時間的變化曲線

2.3.2 不同裝藥長徑比對射流形狀的影響

裝藥口徑D=60 mm，裝藥高度H 分別為56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78mm，即在裝藥長徑比分別為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情況下，研究長徑比的變化對尼龍射流形狀的影響。

由圖9 可知，在50 μs 時長徑比為0.9 和1.0 的尼龍射流尾部已經斷裂，從總體上來說，這5 組尼龍射流在頭部都發(fā)生多處的頸縮，也有斷裂的趨勢，射流的斷裂會使射流的有限長度變短，從而對目標的侵徹產生影響。

圖8 在50 μs 時尼龍射流在不同錐角下的形狀

圖9 在50 μs 時不同長徑比的尼龍射流的形狀

3 結論

該文主要研究了射流的成型、藥型罩結構參數對射流的影響。從尼龍射流的成型來看，尼龍所形成的射流都具有典型聚能射流的一切特征，有壓垮、拉伸、頸縮和斷裂4 個階段。從藥型罩結構參數對射流的影響來看，取5 組不同的裝藥參數（藥型罩壁厚、藥型罩錐角以及裝藥長徑比），研究其對尼龍射流的影響，并對尼龍材料的藥型罩所形成的射流的成型性能（射流長度、射流速度）進行對比。

通過該文的相關研究可以得出以下4 個結論：1） 對不同壁厚的尼龍藥型罩來說，隨著藥型罩壁厚的增加，形成射流頭部速度逐漸降低。2） 尼龍藥聚能裝藥長徑比越大，射流頭部速度越快。3） 要使尼龍射流頭部速度達到最大值，可以在適當范圍內選擇藥型罩壁厚小、藥型罩錐角小且裝藥長徑比大的藥型罩結構。4） 尼龍射流的長度隨藥型罩壁厚的增加而縮短。