雙層金屬藥型罩戰(zhàn)斗部侵徹性能仿真研究

趙 鑫，徐永杰，董方棟，鄭娜娜，賀浩鋒，王志軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司， 重慶 402760； 3.中國兵器工業(yè)第208研究所， 北京 102202； 4.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐長治地區(qū)軍事代表室， 山西 長治 046000)

1 引言

破甲彈技術(shù)問世以來，國內(nèi)外軍事領(lǐng)域便受到巨大影響。藥型罩作為聚能裝藥技術(shù)的核心之一，對其相應(yīng)的技術(shù)研究也在不斷發(fā)展。曹杰等利用AUTODYN軟件對不同結(jié)構(gòu)藥型罩進(jìn)行計算機(jī)模擬試驗，發(fā)現(xiàn)銅鋁厚度比為 1∶1.5時銅鋁雙層復(fù)合藥型罩射流性能最優(yōu)；陸志毅使用有限元仿真軟件，對3種不同材料組合的藥型罩進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)具有合適結(jié)構(gòu)和材料的雙層藥型罩與單層藥型罩相比具有一定的優(yōu)越性；吳浩宇利用ANSYS/LS-DYNA軟件對一種新型雙層藥型罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了藥型罩壁厚對射流成型的影響，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

王珞冰基于正交優(yōu)化設(shè)計方法，用數(shù)值仿真軟件，從壁厚、上錐角、下錐角、上錐高度占比4個參數(shù)，對雙錐藥型罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；王子明對雙錐藥型罩形成射流過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)雙錐藥型罩較單錐藥型罩形成射流更加密集，且射流速度大于單錐藥型罩。陳闖對一種雙錐藥型罩進(jìn)行了理論分析、數(shù)值模擬和X光試驗，發(fā)現(xiàn)了雙錐射流相對于單錐射流的優(yōu)越性。對雙層或雙錐藥型罩結(jié)構(gòu)國內(nèi)外已有較多研究，而對帶隔板的雙層雙錐藥型罩結(jié)構(gòu)研究較少。

本文提出了一種帶隔板的雙層雙錐藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值仿真的方法，研究不同藥型罩參數(shù)對射流成型及侵徹性能的影響，以期得到射流速度高、侵徹孔徑大的侵徹體。

2 模型的建立

2.1 物理模型

雙層藥型罩中，緊貼炸藥的一側(cè)為外罩，遠(yuǎn)離炸藥的一側(cè)為內(nèi)罩，內(nèi)層藥型罩作為射流的主體，當(dāng)雙層藥型罩具有適合的結(jié)構(gòu)時，會增大射流速度，提高射流的能量利用率。上錐罩形成射流速度高，能有效拉伸射流，下錐罩形成的射流直徑大，能有效防止射流斷裂。因此，在傳統(tǒng)藥型罩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)藥型罩，圖1為藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖。隔板材料選用NYLON，隔板直徑為，厚度=0412 5*，靠近炸藥一側(cè)由一段=65 mm的圓弧旋成體，藥型罩頂層藥高為，炸藥選用B炸藥，裝藥直徑=120 mm，藥型罩外罩選用鋁，內(nèi)罩選用銅，藥型罩厚度為，上錐角為2，下錐角為2。

圖1 聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of charge warhead

對雙層雙錐藥型罩和單層單錐藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)形成射流進(jìn)行數(shù)值模擬，其中：單層單錐藥型罩=2 mm，2=2=50°，罩材為銅；雙層雙錐藥型罩=2=2=2 mm，2=45°，2=55°，外層罩材為鋁，內(nèi)層罩材為銅。

2.2 有限元模型

建立如圖2所示有限元模型，為減小計算時間，建立1/2對稱模型，空氣域長1 000 mm，寬150 mm，為模擬無限空氣域，施加邊界條件，內(nèi)部有聚能裝藥、殼體、藥型罩、隔板，均采用Euler網(wǎng)格，隔板能夠改變爆轟波的傳播路徑，調(diào)整爆轟波形，盡可能的改善射流成型。起爆方式為裝藥頂部中心點起爆。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model

所選材料來自Autodyn材料庫，聚能裝藥選用COMP-B，采用EOS_JWL狀態(tài)方程，材料參數(shù)見表1，隔板材料選用NYLON，外罩材料用AL2024T351，內(nèi)罩材料為COPPER，殼體材料選用AL2024T351，靶板材料選用RHA，材料參數(shù)見表2。

表1 COMP B材料參數(shù)Table 1 COMP B material parameters

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

2.3 2種藥型罩射流成型對比

為驗證雙層結(jié)構(gòu)藥型罩射流的優(yōu)越性，觀察射流成型過程，對2種不同結(jié)構(gòu)藥型罩形成射流過程進(jìn)行對比分析，60 μs時射流已充分拉伸，細(xì)長而不斷裂，成型良好，此時頭部速度為，射流長度為(射流頭部距藥型罩底部距離)，動能為。

取射流成型參數(shù)如表3。從圖3可以看出，單層單錐罩形成的杵體較大，射流頭部速度較小，射流成型速度較慢；雙層雙錐罩射流頭部速度高，射流長度大，杵體小，頭部較為細(xì)長。60 μs時單層單錐藥型罩射流頭部速度為9 582 m/s，雙層雙錐藥型罩的射流頭部速度為10 838 m/s，相比前者提高了13.1%，雙層雙錐藥型罩的射流長度相比單層單錐藥型罩提高了19.9%，且射流的動能相比后者提高了12.5%，因此，雙層雙錐藥型罩射流成型性能較好。

圖3 射流成型圖Fig.3 Jet forming diagram

表3 射流成型參數(shù)Table 3 Jet forming situation

3 射流成型性能對比

3.1 優(yōu)化因素、水平的設(shè)計

聚能射流成型性能會受到藥型罩各參數(shù)影響，為減少工作量，從5個因素分析藥型罩對射流成型的影響：藥型罩壁厚、上錐角2，下錐角2。隔板直徑、藥型罩頂層藥高，各因素水平見表4。

表4 藥型罩各參數(shù)水平Table 4 The level of each parameter of the liner

若按照常規(guī)設(shè)計方法，需要進(jìn)行設(shè)計的工況過多，故采用正交優(yōu)化設(shè)計方法，制定16個設(shè)計方案，節(jié)省了計算時間，具體方案見表5。

表5 正交表L16(45)設(shè)計方案與計算結(jié)果Table 5 Orthogonal table L16(45) design scheme and calculation results

3.2 結(jié)果分析

正交表(4)為正交優(yōu)化方案的計算結(jié)果，聚能裝藥爆炸后，擠壓藥型罩向軸線聚集，射流開始拉長、成型，射流距離罩底距離=3時，已具備足夠的侵徹能力，比較此時射流頭部最大速度。在上述16種方案中，方案4射流成型性能較好，即=16 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，此藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)下射流頭部速度最大，=12 352 m/s，相比于圖1中單層單錐藥型罩=9 800 m/s，提高了26.0%。

表6為極差計算結(jié)果，五因素對射流頭部速度的影響排列順序為：藥型罩壁厚>隔板直徑>上錐角2>下錐角2>罩頂藥高。

表6 極差計算結(jié)果Table 6 Range calculation result

結(jié)合相關(guān)理論可知：適當(dāng)增大隔板直徑，能縮短爆轟波沿軸線運動時間，從隔板邊緣傳遞的爆轟波速度方向與藥型罩具有更大的夾角，加快射流速度；當(dāng)爆轟產(chǎn)物的沖量足夠大時，藥型罩的壁厚增大，可提高藥型罩生成射流的比率。上錐角藥型罩先受到應(yīng)力，且小錐角能提高射流頭部速度；下錐角使射流加粗，直徑變大；藥型罩頂部藥高對射流成型影響最小。

因此，若需使射流獲得較高速度，我們需著重考慮藥型罩壁厚，隔板直徑，上錐角這3個因素。

4 射流侵徹性能對比

由正交優(yōu)化方案表(4)可知，第4個方案的射流成型性能較好，藥型罩壁厚對射流頭部速度影響最大。

為了對射流的侵徹性能進(jìn)一步分析，對上述4組壁厚，每一組設(shè)立=3，=4，=5三種炸高，藥型罩其他參數(shù)不變，建立有限元模型，靶板材料為RHA，厚度為800 mm，直徑為400 mm，記錄射流擴(kuò)孔口徑與靶板穿深。

如表7所示：聚能射流具有一定的速度梯度，隨著運動距離的增大，射流不斷增長，當(dāng)射流材料的塑性到達(dá)極限時，開始斷裂；起初，射流侵徹深度隨著炸高的增加而增加，射流斷裂之后，侵徹深度隨炸高的增加而減少。如表7所示，在17～28種方案中，同種壁厚，炸高=4、=5比=3的侵徹深度大；不同壁厚，=2 mm與=2.4 mm侵徹深度較大；炸高=5時，擴(kuò)孔口徑較大。

表7 射流侵徹靶板方案Table 7 Jet penetrating target plan

上述射流侵徹靶板方案中，方案21射流侵徹靶板深度最大，即藥型罩結(jié)構(gòu)為=2 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，所形成的射流侵徹效果最佳。

圖4為單層單錐藥型罩與方案21中雙層雙錐藥型罩侵徹靶板示意圖，其中單層單錐藥型罩結(jié)構(gòu)：=2 mm，2=2=50°，=110 mm，=20 mm，炸高=4。

圖4 侵徹靶板示意圖Fig.4 Penetration target diagram

方案21中藥型罩與單層單錐藥型罩相比射流侵徹深度提高了9.98%，擴(kuò)孔口徑提高了50%，可見，雙層雙錐藥型罩結(jié)構(gòu)對射流侵徹性能有所提升。

5 結(jié)論

1) 與傳統(tǒng)藥型罩對比，雙層雙錐藥型罩形成射流頭部細(xì)長，頭部速度大，杵體部分小，射流成型性能較好。

2) 通過正交優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計16種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)藥型罩，對射流成型性能進(jìn)行研究，5個因素中，對射流頭部速度影響程度的排列順序為：>>2>2>，確定方案4為射流成型性能最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：=1.6 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，相比單層單錐藥型罩所形成射流頭部速度提高了13.1%。

3) 在方案4的基礎(chǔ)上設(shè)計了12種戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算表明：藥型罩結(jié)構(gòu)=2 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，炸高=4時，射流侵徹性能最佳，相比單層單錐藥型罩，侵徹深度提高998，擴(kuò)孔口徑提高50。