非等徑爆炸拋灑裝置燃料拋撒特性影響規(guī)律研究

朱 進(jìn),白春華

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

爆炸拋撒技術(shù)是一種利用中心藥柱爆炸載荷作用,驅(qū)動(dòng)周圍的介質(zhì)向外拋撒的方法研究。20世紀(jì)60年代,由美國率先開始研制的燃料-空氣炸藥型武器(fuel air explosive,FAE),并將其在10年后的越南戰(zhàn)爭中首次投入使用,使得全世界都看到了這種武器的威力并促使各國紛紛投入FAE的研究,這使得爆炸拋撒技術(shù)得到的快速的深入研究和發(fā)展[1]。

爆炸拋撒技術(shù)發(fā)展至今,不僅用于軍事武器領(lǐng)域,在民用領(lǐng)域也有發(fā)揮了很多作用,如滅火彈、爆破除塵和農(nóng)業(yè)灌溉等。王紫民、武建德[2]曾基于一款迫擊炮發(fā)射的森林滅火彈,研究了彈體材料對該滅火彈拋撒性能的影響。拋撒裝置的研究如今圍繞增大裝藥量和云霧拋撒形狀等問題進(jìn)行。很多研究者們[3-8]利用等效試驗(yàn)和數(shù)值模擬技術(shù),研究云霧的拋撒規(guī)律,其主要研究不同彈體結(jié)構(gòu)、不同裝藥結(jié)構(gòu)對云霧拋撒帶來的影響,在同等條件下,使云霧拋撒成扁平狀云霧能發(fā)揮云霧爆轟產(chǎn)生更大的破壞力。因此大部分學(xué)者[8-10]也圍繞扁平狀云霧拋撒開展研究。很多研究表明,殼體破裂過程和破裂時(shí)的燃料初速度分布對燃料的分散產(chǎn)生主要影響,能直接燃料后期的分撒狀態(tài),合理設(shè)計(jì)殼體結(jié)構(gòu)能使得燃料拋撒成理想的云霧。

從最早的圓柱形狀拋撒裝置,逐漸發(fā)展到各類異形拋撒裝置(方形,扇形等)和多點(diǎn)云霧爆轟[11-14],異性拋撒裝置的發(fā)展來源于對燃料拋撒裝藥量和云霧形狀等因素的綜合考慮,為了增大燃料覆蓋范圍,子母式拋撒結(jié)構(gòu)的應(yīng)運(yùn)而生,為了增大子母式拋撒結(jié)構(gòu)內(nèi)子彈裝藥量,扇形拋撒結(jié)構(gòu)得以問世。但一般式的母彈為減少飛行過程中的空氣阻力,被設(shè)計(jì)成流線型,為增大此類母彈中子彈裝藥效率,非等徑的異性拋撒裝置也得以發(fā)明。

本文中針對縱向?yàn)殄F柱狀、橫截面為扇形的異性拋撒裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。從點(diǎn)火位置、殼體材料和殼體厚度幾方面綜合研究裝置結(jié)構(gòu)對該類異性拋撒裝置殼體破裂和燃料初速度分布的規(guī)律影響,在與前人做過的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上,利用數(shù)值模擬的方法尋找燃料拋撒規(guī)律。

1 扇形裝置殼體破裂過程數(shù)值仿真

燃料拋撒的初始狀態(tài)與彈體裝置結(jié)構(gòu)密切相關(guān),彈體外殼的破裂情況能直接影響燃料拋撒的初速度大小和分布規(guī)律,為了得到燃料拋撒初始狀態(tài)與彈殼結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,對拋撒裝置殼體破裂過程利用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值仿真。

1.1 結(jié)構(gòu)模型

利用Hypermesh軟件進(jìn)行前處理,模型按狀態(tài)共分為空氣、燃料、中心分散藥(TNT)和拋撒裝置等4大部分,其中拋撒裝置又分為外殼、端蓋和中心管,分別由不同材料構(gòu)成。模型中的空氣區(qū)域尺寸為半徑0.5 m、高1.7 m的圓柱形,空氣邊界為無反射邊界條件。除中心管和外殼采用四邊形殼單元外,其余模型全部采用六面體模型。經(jīng)過前期試算驗(yàn)證,設(shè)置過大的網(wǎng)格尺寸時(shí)候易出現(xiàn)畸變較大的網(wǎng)格,使得計(jì)算精度不準(zhǔn)確或者計(jì)算報(bào)錯(cuò),設(shè)置過小的尺寸網(wǎng)格導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長,因此在滿足計(jì)算精度的前提下,為了提高計(jì)算效率,設(shè)定模型總單元數(shù)量約為180萬個(gè),體單元的平均尺寸為0.5 cm,計(jì)算方法為ALE(arbitrary lagrange-euler)算法,單元采用單點(diǎn)積分的 ALE 多物質(zhì)單元,中心拋撒藥、燃料和空氣區(qū)域采用 Euler 網(wǎng)格,殼體各結(jié)構(gòu)采用 lagrange 網(wǎng)格。為簡化計(jì)算,采用1/2模型,在YOZ方向上建立對稱約束。TNT從下端開始起爆。扇形裝置結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 扇形裝置結(jié)構(gòu)模型

1.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)從各文獻(xiàn)或有關(guān)書籍中選取。

空氣參數(shù)的選擇:采用MAT-MULL空材料模型,狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式方程EOS-LINEAR-POLYNOMIAL,有關(guān)參數(shù)見表1[18]。

表1 空氣模型參數(shù)

TNT參數(shù)的選擇:采用高能燃燒炸藥MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和EOS-JWL狀態(tài)方程,參數(shù)如表2[18]所示,其JWL表達(dá)式為:

表2 TNT模型參數(shù)

(1)

式(1)中:p為爆轟產(chǎn)物的壓力;V為相對比體積;e為單位體積炸藥的內(nèi)能;A、B、R1、R2、ω均為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。

燃料實(shí)際上為液態(tài)有機(jī)物和鋁粉的固液混合物,性能與水類似,為了便于分析,計(jì)算中的燃料用水材料模型代替,燃料模型采用MAT_NULL材料模型和 Gruneisen狀態(tài)方程進(jìn)行描述,主要參數(shù)如表3[1]所示。Gruneisen狀態(tài)方程形式為

表3 燃料參數(shù)模型

(γ0+αμ)e

(2)

式(2)中:C為沖擊波傳播速度;γ0為Gruneisen 指數(shù);α為γ0的一階體積修正量;μ=(ρ/ρ0)-1,ρ0為燃料初始質(zhì)量密度;S1、S2、S3為Gruneisen狀態(tài)方程的系數(shù)。

拋撒裝置結(jié)構(gòu)采用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型和PLASTIC_KINEMATIC模型,計(jì)算參數(shù)如表4[14]和表5[1]所示,并比較2種模型與實(shí)驗(yàn)值的吻合度。

表4 拋撒裝置材料參數(shù)(MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)

表5 拋撒裝置材料參數(shù)(PLASTIC_KINEMATIC)

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果可行性分析

1.3.1數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)拋撒時(shí)間達(dá)到2 ms時(shí)候停止計(jì)算,分析拋撒裝置從0時(shí)刻底部開始點(diǎn)火到2 ms時(shí)的殼體表面初速度大小和分布規(guī)律,燃料拋撒形成的云霧實(shí)際上很大程度上是由燃料拋撒初期狀態(tài)決定的,由于殼體破壞后燃料會(huì)出現(xiàn)破碎分離和霧化等變化過程,水狀態(tài)模型顯然已經(jīng)不適用于云霧遠(yuǎn)場分析,因此在燃料拋撒的仿真研究中,通常只考慮燃料拋撒初期階段。

圖2為仿真計(jì)算得到的拋撒裝置拋灑初期殼體破裂的運(yùn)動(dòng)速度云圖過程。為了使殼體破裂均勻,殼體表面大約每隔10 cm有一道0.1 cm深度的刻槽。每一時(shí)刻都截取從側(cè)面和后方觀察到的速度云圖。

圖2 扇形拋撒裝置數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由圖2可以看出,從炸藥底部開始起爆后,殼體底部每個(gè)面中間的單元先產(chǎn)生初速度,然后云圖逐漸向上部蔓延,即殼體的初速度加速獲取時(shí)間是從底部向上順序。大約從0.3 ms開始,殼體表面出現(xiàn)首道裂痕,然后殼體開始沿著刻槽破裂成條狀,隨著時(shí)間進(jìn)行,條狀殼體也從上下部位開始撕裂斷開。殼體的初速度一開始在中心藥柱爆炸驅(qū)動(dòng)作用下獲得加速度,隨著燃料泄壓和受到空氣阻力作用后,又開始減速。最大速度云圖覆蓋面積大約在0.75 ms時(shí)刻出現(xiàn)。

1.3.2燃料分散過程的實(shí)驗(yàn)與仿真對比分析

仿真計(jì)算中,不論是MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型還是PLASTIC_KINEMATIC模型都能得到與實(shí)驗(yàn)值趨勢一致的計(jì)算結(jié)果,但是使用PLASTIC_KINEMATIC模型計(jì)算結(jié)果吻合度更勝一籌,因此圖中數(shù)據(jù)選擇用該模型計(jì)算的結(jié)果對比。

云霧尺寸方向如圖3所示,引用陳民生等[1]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見圖4)。點(diǎn)圖表示試驗(yàn)結(jié)果,則線圖表示數(shù)值模擬結(jié)果。橫坐標(biāo)為中心藥柱起爆后云霧拋撒時(shí)間,縱坐標(biāo)為云霧邊緣距中心藥柱的距離。

圖3 云霧尺寸方向示意圖

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

本研究的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與外場實(shí)驗(yàn)的曲線的趨勢基本相同,超壓存在一定的差值,可能有如下的原因:受數(shù)值仿真網(wǎng)格尺寸的影響; TNT的制作工藝會(huì)影響爆轟威力;試驗(yàn)場地條件復(fù)雜多變,受天氣環(huán)境影響等因素;仿真中用水狀態(tài)模型代替燃料。結(jié)果對比如表6所示。

由表6可以看出,試驗(yàn)與仿真兩者誤差值在0～0.1 m,最大誤差值在0.5 ms時(shí)刻180°方向上,最大誤差比率為34%,由于燃料在中心藥柱爆炸后會(huì)產(chǎn)生破碎分離,與軟件中的水模型有一定差別,誤差范圍與原文獻(xiàn)中比較是相似的,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果總體趨勢一致。

2 錐形拋撒裝置拋撒性能仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型

錐形結(jié)構(gòu)是由第1節(jié)的扇形結(jié)構(gòu)針對流線型母彈體改裝而來,其細(xì)端放朝母彈前部。細(xì)端的端蓋保持原形狀不變,尺寸以中心藥柱圓心為中心收縮20%,如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)模型剖面圖

2.2 點(diǎn)火位置的影響

非等徑異形拋撒裝置由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),燃料裝藥在徑向上裝藥不均勻,導(dǎo)致粗端質(zhì)量大,細(xì)端質(zhì)量少于粗端,受到相同作用的爆炸載荷驅(qū)動(dòng)后,粗端和細(xì)端拋撒速度不一致。為了形成較好的云霧,研究粗端和細(xì)端2個(gè)不同點(diǎn)火位置條件下,錐形裝置的云霧拋撒特性。仿真結(jié)果如圖6所示,選取0.3 ms和0.5 ms等2個(gè)時(shí)刻粗端點(diǎn)火條件下的速度分布圖和細(xì)端點(diǎn)火條件下的速度分布圖。點(diǎn)火位置主要影響殼體表面初速度的縱向分布,因此選取0°和180°等2個(gè)方向上的殼體單元速度進(jìn)行分析。

圖6 仿真計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示在0.3 ms時(shí)刻即殼體破裂初期,2種點(diǎn)火條件下的殼體表面初速度縱向分布都為細(xì)端比粗端快,但是粗端點(diǎn)火條件下的殼體云霧尺寸分布為粗端大于細(xì)端,細(xì)端點(diǎn)火條件下的殼體云霧尺寸分布與前者相反。0.5 ms時(shí)刻,殼體破裂并運(yùn)動(dòng)一段時(shí)期后,2種點(diǎn)火條件下的殼體表面初速度縱向分布仍然都為細(xì)端比粗端快,但是云霧尺寸大小分布上來看,粗端點(diǎn)火條件下的殼體上下云霧尺寸分布均勻,而細(xì)端點(diǎn)火條件下上大下小的趨勢更加凸顯出來。另外,粗端起爆條件下的殼體單元初速度大小大比細(xì)端起爆條件下高出約7%。由圖7和圖8顯示,無論粗端點(diǎn)火還是細(xì)端點(diǎn)火,后期細(xì)端的速度都大于粗端,如果是細(xì)端點(diǎn)火,則細(xì)端殼體單元速度總是比粗端大,導(dǎo)致拋灑出的云霧尺寸不均勻。

圖7 粗端點(diǎn)火條件下粗端單元和細(xì)端單元速度-時(shí)間圖

圖8 細(xì)端點(diǎn)火條件下粗端單元和細(xì)端單元速度-時(shí)間圖

結(jié)論:仿真結(jié)果和預(yù)期相符,假設(shè)燃料從中部起爆會(huì)導(dǎo)致燃料初速度大小分布為細(xì)端快、粗端慢,分布不均,則細(xì)端點(diǎn)火加劇了前面的情況;粗端點(diǎn)火彌補(bǔ)了前面缺陷,降低細(xì)端燃料初速度,加快了粗端燃料初速度,選擇中部到細(xì)端的合適位置點(diǎn)火能獲得上下均勻的云霧尺寸。

2.3 殼體厚度的影響

殼體厚度是影響燃料拋撒初速度的重要因素,同時(shí)也影響彈體生成、運(yùn)輸和儲(chǔ)備過程的安全性,殼體過薄,殼體強(qiáng)度難以保證,殼體過厚,使得彈體過重,減小裝藥比,且阻礙燃料的拋撒。本節(jié)選取4、8、15 mm等3種厚度的殼體進(jìn)行仿真計(jì)算,研究殼體厚度對燃料拋撒初速度的影響。取不同厚度條件下0.3 ms時(shí)刻結(jié)果如圖9所示。殼體破裂效果比較相似,但殼體膨脹大小隨厚度加厚而減小,殼體單元初速度也隨著殼體厚度加厚顯著減小,殼體厚度每增加一倍,殼體單元初速度減小約12.5%。不同厚度的殼體破裂時(shí)間無太大差異,都在0.225 ms時(shí)刻開始破裂。選取不同厚度殼體的大弧面中心點(diǎn)附近單元速度做速度-時(shí)間曲線和云霧尺寸-時(shí)間曲線作對比。不同厚度殼體單元速度隨時(shí)間變化對比如圖10所示,不同厚度殼體單元云霧尺寸隨時(shí)間規(guī)律如圖11所示。

圖9 不同殼體厚度條件下的仿真結(jié)果

圖10 不同厚度殼體單元速度隨時(shí)間變化對比

圖11 不同厚度殼體云霧尺寸隨時(shí)間變化規(guī)律

結(jié)論:相同結(jié)構(gòu)的裝置和同材質(zhì)殼體條件下,殼體厚度加厚會(huì)加強(qiáng)殼體強(qiáng)度,燃料拋撒的初速率變小,云霧尺寸減小,但對初速度分布規(guī)律影響較小。

2.4 殼體材料的影響

鋼和鋁均能用于拋撒裝置殼體材料。

ABS工程塑料由于其韌性好、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn),也可用作拋撒殼體材料,材料參數(shù)取自文獻(xiàn)[2]。

陶瓷[15-17]作為一種脆性材料,廣泛應(yīng)用于軍事防護(hù)裝甲中,也被用于部分彈藥制作,如陶瓷穿甲彈。低附帶陶瓷毀傷戰(zhàn)斗部能抵消傳統(tǒng)低附帶毀傷彈藥的設(shè)計(jì)缺陷,如果用于拋撒裝置殼體,其重量輕的特點(diǎn),能提高拋撒裝置的裝藥量,且脆性材料發(fā)生膨脹過程較短、形變小,更利于形成均勻的破片。陶瓷材料參數(shù)采用楊震琦[19]的模型參數(shù)。

運(yùn)用這4種材料做仿真計(jì)算后,得到結(jié)果如圖12、圖13所示,實(shí)際上不同材料對燃料拋撒初速度影響較小,但是對殼體初速度分布規(guī)律有一定影響。

圖13 不同殼體材料單元速度-時(shí)間變化規(guī)律

結(jié)論:塑料、鋁、陶瓷和鋼初速率大小遞減,陶瓷材料殼體膨脹期形變小,破裂均勻,速度分布也更均勻。殼體第一道裂痕通常在大弧面與側(cè)面連接處出現(xiàn),出現(xiàn)時(shí)間還與材質(zhì)韌性有關(guān),各種材料殼體第一道裂痕出現(xiàn)時(shí)間如表7所示。

表7 殼體破裂時(shí)間

3 結(jié)論

本文中基于LS-DYNA軟件對非等徑異形拋撒裝置的拋撒過程做仿真計(jì)算,研究點(diǎn)火位置、殼體厚度和殼體材料3種因素對拋撒裝置拋撒性能的影響規(guī)律,得出如下結(jié)論:

1) 選擇中部到細(xì)端的合適位置點(diǎn)火能獲得上下均勻的云霧尺寸,粗端點(diǎn)火條件下的燃料拋撒初速度比細(xì)端點(diǎn)火條件下的燃料拋撒初速度高出約7%。

2) 殼體厚度加厚可大幅度降低燃料拋撒初速度和云霧尺寸,殼體厚度增加1倍,燃料拋撒初速度減小約12.5%,殼體厚度不改變?nèi)剂蠏伻龀跛俣确植肌?/p>

3) 不同的材料不僅影響燃料拋撒初速度和云霧尺寸,也會(huì)影響初速度分布,陶瓷材料殼體的燃料拋撒分布最均勻,塑料材料殼體的燃料拋灑出速度最大。