雙層藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對其射流影響的重要度分析

李帥孝，邢存震，徐鶴峰，潘慧瑩

（1.陸軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110004；2.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110045）

0 引言

傳統(tǒng)藥型罩基本上都是單層的[1]，能量利用率不高[2]，其原因是炸藥爆炸后只有小部分金屬形成了射流，其余大部分的金屬都形成了杵體[3]。為了提高彈藥的作戰(zhàn)能力，許多研究者提出雙層藥型罩的理念，雙層藥型罩所形成的射流頭部速度不但明顯提高，射流性能也有改善，而且還能夠大大提高藥型罩的利用率。因此雙層復(fù)合藥型罩已成為國內(nèi)外的研究的熱點(diǎn)[4]。雙層復(fù)合藥型罩是一種新型的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，也是近幾十年才發(fā)展起來，由于其利用率高且制作簡單，所以各國在積極地深入研究。如，英國開發(fā)研究的雙層復(fù)合藥型罩的爆炸成型彈丸，內(nèi)罩用等離子濺射法使外層帶有高密度的金屬，外罩是由低密度的金屬形成[5]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，使用這種方法得到的藥型罩形成的射流侵徹能力顯著提高并且方向性良好。以色列學(xué)者在制備雙層藥型罩的過程中使用爆炸焊接技術(shù)，并對錐角小的雙層藥型罩進(jìn)行試驗(yàn)仿真[6]。減濤成對多層藥型罩的形成射流的過程進(jìn)行了研究和分析[7]，且使用X 射光技術(shù)分析了銅-鋁雙層藥型罩的射流的形成過程，從中得知雙層藥型罩的結(jié)構(gòu)形成的射流可以獲得較高的頭部速度[8]。鄭宇[9]就雙層藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，確定藥型罩的厚度比對射流的成型有較大影響，在藥型罩的質(zhì)量不變的情況下，改變藥型罩的內(nèi)外罩的材料，分析了它們的射流形成及侵徹等問題。雙層復(fù)合藥型罩相比于單層藥型罩的優(yōu)勢不僅在于雙層藥型罩的利用率高且節(jié)省資源，而且雙層藥型罩形成射流的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的單層藥型罩，就不同因素對雙層藥型罩形成射流性能影響的重要度進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料參數(shù)

雙層復(fù)合藥型罩的聚能裝藥幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示，藥型罩外罩為鋁，內(nèi)罩為銅，裝藥高度為50 mm，錐角為60°，藥型罩的長度為40 mm，壁厚為1.5 mm，內(nèi)外罩壁厚等比例建模。

圖1 幾何結(jié)構(gòu)

數(shù)值模擬的模型由內(nèi)、外藥型罩、空氣域、B 炸藥等組成，內(nèi)藥型罩主要形成射流，外藥型罩主要形成杵體，B 炸藥采用高能炸藥材料模型，其狀態(tài)方程用以計(jì)算爆轟產(chǎn)物的壓力，方程為：

式中：ρ0為炸藥初始密度；ρ為產(chǎn)物密度；e為內(nèi)能；E為是炸藥單位體積中的內(nèi)能；A= 524.2 GPa；B=7.678 GPa；R1= 4.2；R2= 1.1；ω= 0.34。

其中，B炸藥的爆速為7980 m/s，爆壓為2.95 ×107kPa，其余材料直接從AUTODYN 的材料數(shù)據(jù)庫中選擇，見表1。

表1 材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

采用Autodyn 中2D 建模，內(nèi)外藥型罩、空氣及炸藥均采用歐拉算法，聚能裝藥在中心單點(diǎn)起爆，簡化為軸對稱模型如圖2 所示，采用mm-mg-ms 單位制。

圖2 雙層藥型罩有限元模型

2.2 射流形成過程

當(dāng)炸藥裝藥起爆后，爆轟波傳到金屬藥型罩的頂端時(shí)，產(chǎn)生的產(chǎn)物將會(huì)以強(qiáng)大的壓力沖量沖擊金屬藥型罩頂端，金屬藥型罩就會(huì)產(chǎn)生巨大的變形。理論和實(shí)驗(yàn)都表明，金屬藥型罩內(nèi)表面的壓垮速度小于合成速度，就形成射流；如果藥型罩罩外的壓垮速度大于罩外表面的合成速度，就會(huì)形成杵體，射流形成過程如圖3 所示。

圖3 射流形成過程

2.3 正交優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

影響藥型罩射流的因素有很多，除了外界因素，藥型罩自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)對射流的速度和狀態(tài)有不同程度的影響，裝藥高度、藥型罩的錐角及壁厚是影響雙層藥型罩形成射流性能的重要參數(shù)，將探討上述因素對射流性能影響的重要度排序。將藥型罩錐角α、壁厚n、藥型罩裝藥高度h分別作為變量進(jìn)行數(shù)值模擬，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，各個(gè)因素的水平取值見表2。采用數(shù)值模擬思路對文獻(xiàn)[10]中工況2 的模型進(jìn)行仿真計(jì)算并與其試驗(yàn)結(jié)果相比較，工況2 的試驗(yàn)結(jié)果為內(nèi)罩速度為2486 m/s，通過數(shù)值模擬思路仿真計(jì)算出其內(nèi)罩速度為2410 m/s，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過4%，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，且設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)中不考慮交互作用的影響。

表2 正交優(yōu)化各因素水平

2.4 構(gòu)造正交設(shè)計(jì)表

根據(jù)金屬射流侵徹的原理，現(xiàn)將頭部速度作為考量指標(biāo)，根據(jù)三因素三水平正交表，將各組組合的不同參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果見表3，水平正交分析表見表4。

表3 水平正交結(jié)果

表4 水平正交分析

由表4 的水平正交分析表數(shù)據(jù)可知：在射流頭部速度為指標(biāo)中，因素壁厚的極差為最大，說明雙層藥型罩的壁厚是射流頭部速度重大的影響因素，它為主要因素；因素錐角的極差值最小，說明其對雙層藥型罩的射流頭部速度影響最小，根據(jù)極差分析法可知，這3 個(gè)因素從大到小重要程度排序?yàn)椋罕诤駈﹥裝藥高度h﹥錐角α。以及在上述的九組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出的最優(yōu)組合是A1B1C3，也就是錐角為50°、壁厚為2 mm、裝藥高度為75 mm。將最優(yōu)組合的結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙層藥型罩進(jìn)行數(shù)值模擬，射流的速度梯度如圖4所示，從圖4 中可以看出，正交設(shè)計(jì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)形成射流的頭部速度為5004 m/s。

圖4 優(yōu)化后的射流速度梯度

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了一種雙層復(fù)合藥型罩結(jié)構(gòu)，采用有限元AUTODYN 軟件對其形成射流進(jìn)行數(shù)值模擬，通過正交設(shè)計(jì)出九種試驗(yàn)方案，分別進(jìn)行仿真分析，將射流的頭部速度為參考指標(biāo)，采用極差分析方法，得出不同因素對雙層藥型罩影響的重要程度，其中藥型罩壁厚對雙層藥型罩的影響最大，裝藥高度次之，藥型罩錐角影響較小。

通過正交設(shè)計(jì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：外罩為鋁，內(nèi)罩為銅，壁厚為2 mm，錐角50°，裝藥高度為75 mm，將此參數(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，其射流的頭部速度最優(yōu)。