輔助藥型罩對射流性能的影響

樊金欣，焦志剛，馬辰昊

（沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽 110059）

近年來，隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，各種新型裝甲的防護能力不斷升級優(yōu)化，如何有效破甲，成為各國研究的重點。此時，具有發(fā)射平臺相對簡單、能量利用率高、侵徹能力強等優(yōu)點的聚能破甲彈藥，成為了有效的反裝甲手段，在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮了巨大的作用[1]。由于受到傳統(tǒng)聚能裝藥成型機理及藥型罩材料自身密度、聲速和延展性等因素的限制，其難以對高強度裝甲防護目標(biāo)實現(xiàn)高效毀傷[2]。因此，俄羅斯科學(xué)家提出了一種新型裝藥結(jié)構(gòu)——超聚能裝藥[3]。2015 年，錢俊松[4]對超聚能射流裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出了超聚能裝藥結(jié)構(gòu)下鈦合金藥型罩的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果；2016 年，李慶鑫等[5]采用AUTODYN 數(shù)值模擬軟件，對“蘑菇形”超聚能裝藥結(jié)構(gòu)射流形成進(jìn)行了研究，分析了不同藥型罩及附加裝置材料對射流形成的影響；2019 年，胡曉敏等[6]利用Autodyn-2D 仿真軟件對9 組超聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明，射流的速度與長度隨著錐角的增加而增加，且隨著輔助藥型罩厚度的增加呈先增長后減小的趨勢；2022 年，葛超等[7]針對截頂輔助型超聚能裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用問題，建立了截頂輔助型超聚能射流成形微元法理論模型。目前，對于超聚能裝藥結(jié)構(gòu)及其射流性能的相關(guān)研究成果主要集中在數(shù)值模擬方面，本文通過數(shù)值模擬方法，研究輔助藥型罩材料和結(jié)構(gòu)對射流性能的影響。

1 輔助型雙錐藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計及數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

輔助型雙錐藥型罩幾何模型如圖1 所示，裝藥直徑D=76 mm，裝藥長度L=108 mm，殼體壁厚2 mm；輔助藥型罩厚度h=4 mm，直徑d=24 mm；主藥型罩壁厚c=2 mm，小錐角α=40°，大錐角β=70°。

圖1 輔助型雙錐藥型罩幾何模型

1.2 有限元模型建立

使用AUTODYN 軟件對輔助型雙錐藥型罩進(jìn)行模擬計算，建立二維軸對稱有限元模型，如圖2 所示。

圖2 輔助型雙錐藥型罩有限元模型

聚能裝藥選用8701 炸藥，8701 炸藥的裝藥密度為1.787×103kg/m3，爆壓為3.4×107kPa，爆速為8.39×103m/s。狀態(tài)方程采用JWL，炸藥其他參數(shù)見表1，其余數(shù)值模擬材料選自AUTODYN 材料庫，材料模型見表2。

表1 8701 炸藥參數(shù)

表2 材料模型

2 輔助藥型罩材料對射流的影響

金屬射流的性能與藥型罩材料有著密不可分的關(guān)系。錐形藥型罩材料多用紫銅?，F(xiàn)確定5 種輔助藥型罩材料，分別為鋁、銅、鉭、鎢、鋼，主藥型罩材料為銅，共有5 種不同藥型罩材料組合。設(shè)置輔助藥型罩厚度和直徑分別為4 mm 和24 mm；主藥型罩小錐角40°，大錐角70°，壁厚2 mm。探究不同主輔藥型罩材料組合對射流性能的影響，由于射流在50 μs 時的速度和形態(tài)均趨于穩(wěn)定，所以將50 μs 時射流性能作為評價標(biāo)準(zhǔn)，50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流性能參數(shù)見表3。

表3 50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流參數(shù)

由表3 可以看出，鎢-銅材料組合藥型罩形成的金屬射流頭部直徑和頭部速度都是最好的；鎢-銅組合藥型罩獲得最大動能僅次于銅-銅組合藥型罩；鎢-銅材料組合藥型罩形成射流頭部直徑也僅次于鉭-銅組合藥型罩。因此，綜合考慮，輔助型雙錐藥型罩的主藥型罩采用銅，輔助藥型罩材料選用鎢。

3 輔助藥型罩結(jié)構(gòu)對射流的影響

3.1 輔助藥型罩厚度對射流的影響

為探究輔助藥型罩厚度（h）對射流性能的影響規(guī)律，利用控制變量法，將主藥型罩小錐角設(shè)置為40°，大錐角70°，壁厚2 mm，輔助藥型罩直徑24 mm，分別對h為2、3、4、5、6 mm 的輔助型雙錐藥型罩進(jìn)行數(shù)值模擬。50 μs 時不同h下裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流形態(tài)如圖3所示。

圖3 50 μs 時不同h 下裝藥結(jié)構(gòu)射流形態(tài)

由圖3 可知，當(dāng)h為2、3 和4 mm 時，射流尾部出現(xiàn)了斷裂和空腔，主要是由于輔助藥型罩較薄，炸藥裝藥爆炸時，較薄的輔助藥型罩產(chǎn)生射流速度較快，在后續(xù)爆轟波的繼續(xù)作用下，將產(chǎn)生的金屬射流向前推動，使輔助藥型罩產(chǎn)生的射流被拉斷并出現(xiàn)空腔，這種現(xiàn)象隨著輔助藥型罩厚度的增加而消失。

金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖4 所示，金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖5 所示。

圖4 不同輔助藥型罩厚度下射流速度

圖5 不同輔助藥型罩厚度射流頭部直徑

由圖4 可以看出，金屬射流頭部速度隨h增加而增大，h為6 mm 時，速度最大為8 541 m/s。

由圖5 可以看出，h在2～5 mm 時，金屬射流的長度和頭部直徑隨著h的增加而增大。但是，當(dāng)h超過5mm時，金屬射流長度呈現(xiàn)下降趨勢。

綜上所述，當(dāng)h為6 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

3.2 輔助藥型罩直徑對射流的影響

輔助藥型罩直徑（d）也是影響射流性能的主要因素，為探究輔助藥型罩直徑對射流性能的影響規(guī)律，利用控制變量法，保持其他藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，只改變d，將主藥型罩小錐角設(shè)置為40°，大錐角70°，壁厚2 mm，輔助藥型罩厚度為4 mm，分別對d為20、22、24、26、28 mm 的輔助型雙錐藥型罩進(jìn)行數(shù)值模擬。50 μs時不同d下裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流形態(tài)如圖6 所示。

圖6 50 μs 時不同d 下裝藥結(jié)構(gòu)射流形態(tài)

金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖7 所示，金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖8 所示。

圖7 不同輔助藥型罩直徑下射流速度

圖8 不同輔助藥型罩直徑射流頭部直徑

由圖7 可以看出，d在20～26 mm 時，金屬射流頭部速度隨著d增加而增大，當(dāng)d超過26 mm 時，金屬射流頭部速度隨著d增大而減小。

由圖8 可以看出，d為20 mm 時，金屬射流頭部直徑最大，并且隨著d的增加，金屬射流的頭部直徑整體趨勢是下降的；d在22～26 mm 時，金屬射流長度隨著d增加而增加，當(dāng)d超過26 mm 時，金屬射流長度隨著d增大而減小。

綜上所述，當(dāng)d為26 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

4 結(jié)論

1）探究輔助藥型罩材料對射流的影響，鎢-銅材料組合藥型罩形成的射流無論從長度、頭部直徑或者50 μs 時的頭部速度，都表現(xiàn)優(yōu)異。

2）探究輔助型藥型罩的結(jié)構(gòu)因素對射流性能的影響，通過數(shù)值模擬得出，隨著h的增加，其金屬射流頭部直徑增大，h在2～5 mm 時，隨著h的增加，金屬射流的長度變長。h為6 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。在探究d對金屬射流性能的影響時，d在22～26 mm 時，金屬射流頭部速度和長度隨著d增加而增大。d對金屬射流頭部直徑影響并不明顯。當(dāng)d為26 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

在實際的工程中，可以根據(jù)不同的情況選擇需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。