乳化炸药聚能射流侵彻靶板的数值仿真

吴红波， 邢化岛， 缪志军， 颜事龙， 夏曼曼

(安徽理工大学 化学工程学院， 安徽淮南 232001)



乳化炸药聚能射流侵彻靶板的数值仿真

吴红波， 邢化岛， 缪志军， 颜事龙， 夏曼曼

(安徽理工大学 化学工程学院， 安徽淮南 232001)

摘要：为了研究聚能射流侵彻靶板的过程，采用乳化炸药对半球形药型罩聚能射流侵彻靶板实验，控制炸高为9cm，药型罩采用铜质材料。利用AUTODYN软件对聚能射流的形成、侵彻铝板的过程进行数值仿真，并且对多物质EULER算法求解得到的模拟结果进行分析，仿真结果与实验结果基本一致。

关键词：AUTODYN； 数值仿真； 聚能射流； 药型罩； 乳化炸药； EULER算法

1引 言

聚能效应是在炸药的一端添加空穴提高局部损坏作用的效应。在装药空穴底部增加药型罩，则药型罩在炸药爆轰作用下形成高速、高温的金属射流，形成的杵体具有非常大的侵彻能力〔1〕。随着社会的迅速发展，石油和矿山的开采不断增加，在军事领域，装甲防护技术不断地发展〔2〕，因此，聚能射流技术变得尤为重要，研究射流形成过程可以更好地提高侵彻能力。本文通过实验和数值模拟研究乳化炸药聚能射流形成机理，为乳化炸药在特种爆破中得到广泛应用提供一定的数据支持。

近年来，国内外学者研究动能毁伤对靶板的破坏，得出大量的实验数据〔3-4〕。CURTIS J P研究了不同材料复合药型罩的射流形成模型〔5〕，臧涛成等〔6〕对多层药型罩提高射流速度进行了研究，由于计算机技术的迅猛发展，应用数值模拟的方法对射流的形成、侵彻过程进行仿真变为现实，采用仿真方法(有限单元法)分析侵彻靶板的全过程，不仅有利于了解射流形成、侵彻的整个机理，而且对提高破甲弹破甲的能力有一定的帮助。郭芳、龙源等〔7〕利用AUOTDYN-2D软件研究弹药聚能射流销毁技术，任新建、李林等〔8〕采用LA-DYNA研究聚能射流侵彻的计算与模拟试验研究，验证了数值模拟与实验结果的正确性，通过模拟节约实验费用、耗时短〔9〕。

AUTODYN非线性动力学仿真软件中，Lagrange方法主要应用于固体力学，EULER多物质耦合法在流体研究中应用广泛，ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)是解决流体和固体耦合问题的算法。本文采用EULER算法对乳化炸药爆炸产生的聚能射流进行数值仿真，通过实验验证ANSYS-AUTODYN软件模拟结果的可行性、有效性、可靠性〔10〕。为研究乳化炸药破甲以及穿孔设计提供参考。

2模型的建立与仿真

2.1假设

通常情况下，聚能射流是一个复杂的过程，将复杂的模型进行简化并保证模型真实性，对于射流侵彻假设如下：①射流的全过程是一个绝热过程；②忽略靶板运动和外界的干扰及摩擦产生的热效应；③炸药、药型罩、空气和钢板为均匀连续介质。

2.2模型及材料参数

射流形成、侵彻模型主要有炸药、药型罩、装药管、空气和靶板四部分组成。炸药为乳化炸药，药型罩为半球形壳体，厚1mm，靶板为厚度18mm的铝板，炸高为90mm，由于整个模型具有轴对称性，为了节约计算时间，故采用二维平面1/2模型建模，采用mm-mg-ms单位制。其中炸药、药型罩、空气材料采用EULER算法，靶板采用Lagrange方法，模型如图1所示。

图1　射流模型Fig.1　Jet model

聚能装药产生的爆轰产物采用JWL状态方程：

(1)

式中：P为压力； E为爆轰产物的内能； V为爆轰产物的相对体积；A， B， R1， R2， ω为实验拟合参数〔11〕。

炸药的具体材料参数如表1所示。

靶板和药型罩材料模型采用金属材料的Johnson-Cook本构模型，其状态方程为Shock，材料发生断裂的应变表达式为：

表1　乳化炸药材料参数

ε=(D1+D2eD3σ*)(1+D4lnε*)(1+D5T*)

(2)

设损伤度为D，则有：

(3)

铜药型罩材料的Johnson-Cook模型参数如表2所示。

表2　铜药型罩Johnson-Cook模型参数

注：a-小应变条件下材料屈服应力常数;b-材料应变应化系数;n-材料应变硬化指数;c-材料应变率相关系数;m-材料温度相关系数。

聚能射流模型相关材料参数如表3所示。

表3　材料参数

2.3监测点设置

为了能够准确描述射流形成、侵彻过程以及速度的变化，数值模拟采用X轴对称模型并设置了不同的固定观察点，用于检测射流头部速度变化以及杵体长度变化，观测点间距为5mm，共22个，第一个点坐标为(25，0)，如图2所示。

图2 　固定观察点位置Fig.2　Fixed observation points position

2.4仿真结果及分析

将设计好的模型尺寸和相关参数输入到AUOTODYN软件内进行计算，通过大量的模拟仿真得到较好的射流及炸高，获得最佳的侵彻效果。通过AUTODYN软件将计算结果导出，得出射流杵体的形成、杵体到达靶板及侵彻靶板模拟图，如图3所示。

图3　射流形成及侵彻过程Fig.3　Jet formation and penetration process

从图3(a)可以看出炸药爆炸产生爆生气体和冲击波，冲击波传播至药型罩。图3(a)～(b)为炸药爆炸产生高温、高压气体压缩药型罩，形成杵体的过程；图3(b)～(d)为药型罩杵体的形成、拉伸，图3(c)中，铜药型罩拉伸过程杵体发生断裂；图3(d)～(f)中，射流杵体头部平稳运动并侵彻靶板，杵体尾部断裂增加，形成破片。在侵彻靶板的过程中，杵体头部随着侵彻深度的增加，速度越来越小，造成这种现象的原因是杵体头部与靶板接触面积不断增加，阻力越来越大，从而使速度逐渐减小，另外，靶板在杵体的侵彻作用下，出现凹坑，底部受冲击力的影响，形成凸起变形现象。

2.5射流速度变化

采集各个固定观测点的数据，通过AUTODYN软件得出药型罩射流速度分布曲线，如图4所示。

图4　固定观察点速度-时间曲线 Fig.4　Velocity-time curves at fixed observation points

通过图4可以看出，观测点1测得炸药爆炸时的速度接近5000m/s；观测点2～10是药型罩在爆炸产生高温、高压作用下的变形速度变化，杵体形成初期，药型罩压垮的过程速度不稳定；观测点10～20，杵体形成的稳定期速度在2800m/s左右；观测点20～22，杵体侵彻靶板过程中，杵体头部速度逐渐下降。

通过AUTODYN软件可以得到聚能射流侵彻靶板过程中药型罩与靶板的动能变化曲线，如图5所示。

图5　药型罩与靶板动能变化曲线Fig.5　Kinetic energy-time curves of shaped charge cover and target

由图5可得，0～0.006ms内，药型罩和靶板动能为0；0.006ms～0.036ms内，药型罩动能瞬间升高，出现最高点，药型罩动能随时间的增加逐渐降低，由于药型罩被压垮形成杵体的过程消耗部分能量，形成的杵体未侵彻靶板，所以靶板动能为0；大于0.036ms时，杵体动能随着时间的增加迅速降低，靶板动能逐渐增加，由于杵体侵彻靶板过程中，杵体能量逐渐传递给靶板，靶板获得能量，靶板动能增加。

比较图4和图5，可以看出，在0.036ms后，杵体速度随着时间的增加而减少，根据动能公式Ep=mv2/2可得杵体动能减少；图5得出杵体在侵彻靶板过程动能逐渐的减少，与理论相一致；根据能量守恒定律可得，靶板的动能增加，与模拟结果相同。

3实验部分

3.1材料与仪器

仪器：爆炸容器；电子天平。

材料：8号电雷管；装药直径为32.0mm乳化炸药；规格为25.0mm×1.5mm、32.0mm×1.0mm PVC水管；铜板壁厚各为1.0mm；靶板厚度为25mm铝板。

3.2 实验过程

用药型罩模具制作半球形药型罩，如图6所示。

图6　药型罩Fig.6　The shaped charge cover

截取规格为25.0mm×1.5mm的PVC水管长度为60mm作为装药管，截取规格为32.0mm×1.0mm PVC水管长度为120mm作为炸高，每次称取乳化炸药30g，炸高均控制在90mm。完整的实验装置如图7所示。

图7　实验装置Fig.7　Experimental device

最后，将实验装置放入爆炸容器内，进行实验。实验结束后，使用游标卡尺测量侵彻深度，记录数据，进行两次平行实验，求其平均值。

3.3实验结果

实验结果如表4所示。

表4　靶板侵彻深度

4仿真与实验的比较

实验结果与模拟结果如图8所示。

图8　仿真与实验的比较Fig.8　Comparison of simulation with experiment

由图8可以看出，仿真侵彻深度为16mm左右；而实验结果为16.7mm，仿真结果与实验结果基本相同，验证了仿真结果的正确性。

从图8(b)中可看出，靶板表面出现了许多小坑，这是由于炸药爆炸压缩药型罩闭合形成杵体的过程中，杵体头部和尾部速度变化差异较大，随着拉伸的增加，逐渐达到铜材质的抗拉强度，杵体出现断裂。杵体在断裂过程中，形成许多径向飞散破片，破片在惯性的作用下，撞击靶板形成了许多小坑，由于断裂的大小不同，因此开坑的大小也不一样，模拟过程也出现杵体断裂现象，与实验结果现象基本一致。

5结 论

(1)乳化炸药聚能射流的侵彻深度为9cm，模拟聚能射流侵彻结果与实验结果非常吻合，验证了模拟结果的准确性。

(2)射流仿真的结果符合实验过程中的物理现象和一般规律，通过数值模拟可以节约实验成本,有利于进一步了解射流侵彻靶板的全过程及原理。

参考文献(References)：

〔1〕北京理工大学八系． 爆炸及其作用(下册)[M]． 北京：国防工业出版社,1979.

Eighth department of Beijing institute of technology． Explosion and its effects (Volume two)[M]． Beijing: National defense industry press,1979.

〔2〕 王儒策,赵国志. 弹丸终点效应[M]. 北京：北京理工大学出版社,1993:200-201.

WANG Ru-ce, ZHAO Guo-zhi. Terminal effect of projectile[M]. Beijing: National defense industry press,1993:200-201.

〔3〕 YARIN A L, ROISMA I V, WEBER K, et al. Model for ballistic fragmentation and behind-armor debris[J]. International Journal of Impact Engineering,2000,24(2):171-201.

〔4〕 MAYSELESS M,SELA N,STILP A J,et al. Behind thearmor debris distribution function[C]∥PERSSON A. 13th Internationall Symposium on Ballistics. Stock-holm，Sweden:National Defence Research Establisment,1992.

〔5〕 CURTIS J P ,CORNISH R. Formation model for shaped charged liners comprising multiple layers of different materials[C]∥18thInternational symposium on Ballistics. San Antonio: Technomic Publishing Company Inc.,1999:458-465.

〔6〕 臧涛成,贾建新,黄丽宏. 用聚能装药多层药型罩提高射流速度的研究[J]. 弹道学报,1995,7(2):78-82.

ZANG Tao-cheng, JIA Jian-xin, HUANG Li-hong. Researches on improving shaped charge jet velocity used by multilayer shaped charge cover[J] . Journal of Ballistics, 1995,7(2):78-82.

〔7〕 郭方,龙源,郭涛,等. 薄壳工程弹药聚能射流销毁技术[J]. 工程爆破, 2015, 21(2):43-47.

GUO Fang, LONG Yuan, GUO Tao, et al. Destruction technology of ammunition with thin shell by shaped charge jet[J]. Engineering Blasting, 2015, 21(2):43-47.

〔8〕 任新见,李林,李世民. 聚能射流侵彻的计算与模拟试验研究[J]. 工程爆破, 2008, 14(4):13-15.

REN Xin-jian,LI Lin, LI Shi-min. Calculation and simulation experiment research on penetration of cumulative jet[J]. Engineering Blasting, 2008, 14(4):13-15.

〔9〕 黄俊卿,李光辉,赵建勋,等. 基于ALE方法实现射流侵彻靶板的数值仿真[C]∥ 2012年第14届中国系统仿真技术及其应用学术年会(CCSSTA′2012). 三亚：科研出版社，2012:128-132.

HUANG Jun-qing, LI Guang-hui, ZHAO Jian-xun, et al. Numerical simulation of the jet penetration the target base on ALE[C]∥ Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA′2012). Sanya: Scientific Research Publishing, 2012:128-132.

〔10〕李世民,李晓军,郭彦朋. 基于AUTODYN对弹丸高速碰撞靶体的数值模拟[J]. 系统仿真学报,2013,25(4):621-625.

LI Shi-min, LI Xiao-jun, GUO Yan-peng. Numerical simulation of projectile high-velocity impacting target with AUTODYN[J]. Journal of System Simulation,2013,25(4):621-625.

〔11〕 孟超群,杨崇倡,刘娜娜. 高速卷绕机筒管夹头的仿真分析[J]. 合成纤维工业,2012,35(2):57.

MENG Chao-qun, YANG Chong-chang, LIU Na-na. Simulation analysis of bobbin chuck of high-speed winder[J]. China Synthetic Fiber Industry,2012,35(2):57.

Numerical simulation of shaped charge jet penetrating on target by emulsion explosive

WU Hong-bo, XING Hua-dao, MIAO Zhi-jun, YAN Shi-long, XIA Man-man

(School of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China)

ABSTRACT：In order to study the process of the shaped charge jet penetrating on target, the hemispherical shaped charge cover was employed in the experiment of shaped charge jet penetrating target by using emulsion explosive. Experimental blasting height was 9cm. The material of shaped charge cover was copper. The AUTODYN software was used to simulate shaped charge jet formation and the process of penetrating on target. The result was analyzed by using multi-materials EULER method and was proved basically consistent with experimental results.

KEY WORDS:AUTODYN; Numerical simulation; Shaped charge jet; Shaped charge cover; Emulsion explosive； EULER method

中图分类号：TD235； TJ410.3+33

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.015

作者简介：吴红波(1975-)，男，博士、副教授，从事乳化炸药性能研究及爆炸安全技术与管理的教学与科研工作。E-mail： hbwu@aust.edu.cn

基金项目：高等学校博士学科点基金资助项目(20123415110004)

收稿日期：2015-11-16

文章编号：1006-7051(2016)01-0068-05