一种M型药型罩形成环形射流的数值模拟研究

童宗保，王小春，程　剑，刘　燕，胡善宝，

刘智华，雷勇涛，胡润娟，冯　梅

(湖南湘潭江南工业集团有限公司，湖南 湘潭　411207)



一种M型药型罩形成环形射流的数值模拟研究

童宗保，王小春，程剑，刘燕，胡善宝，

刘智华，雷勇涛，胡润娟，冯梅

(湖南湘潭江南工业集团有限公司，湖南 湘潭411207)

摘要：对串联战斗部前级聚能装药开孔不大的问题开展了研究，提出了一种M型药型罩，通过分析该药型罩结构设计的原理，运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对该药型罩形成环形聚能射流进行了数值模拟研究。结果表明：M型药型罩能够形成直径较大的环形射流，射流持续稳定；军用领域，能够用作串联战斗部的前级药型罩，对靶板切割成一定孔深且孔径大的环形孔，方便后级随进战斗部对靶板形成充塞破坏；民用领域，可以对一定厚度的靶板进行快速打孔。

关键词：M型药型罩；环形切割；大孔径;串联战斗部

Citation format:TONG Zong-bao, WANG Xiao-chun, CHEN Jian, et al.Study on Numerical Simulation of M Shaped Charged Liner form Annular Jet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):143-145.

聚能装药结构主要用来侵彻和破坏某些特殊的目标，如装甲车、机场跑道、地下指挥所等一些典型的结构，在军用领域，其多用在两级串联战斗部的设计当中[1]，前级战斗部首先作用，利用聚能效应对硬目标开孔为后级随机战斗部的侵彻开辟通道，问题的关键是设计前级聚能装药对目标切割出一个直径足够大的孔；对民用领域，可以用来石油开采，爆炸切割等。

目前，串联战斗部中前级使用的药型罩大部分为锥形、双锥形、半球形、喇叭形，弧锥形等[2-6]，这些药型罩均不能在毁伤的目标上形成直径足够大的孔，不利于后级随进战斗部的进一步毁伤。尽管已经有学者对环形切割进行了研究，但药型罩剖面还主要集中在锥形结构上[7]，针对剖面是M型药型罩结构形成环形聚能射流过程、速度和孔径大小的研究还不很多。

本研究提出了一种M型药型罩，能够在炸药的爆炸作用下形成直径足够大的环形射流，在目标上形成大的开孔且具有一定的孔深，用作串联战斗部前级聚能装药对目标靶进行环形切割，方便后级随进战斗部对目标靶形成充塞破坏，而且还可以用来对一定厚度的钢板进行快速打孔。本文作者以理论分析为基础，通过数值模拟的方法对其形成直径足够大的射流进行仿真分析。

1理论分析

图1为M型药型罩以及其装药结构设计几何模型，药型罩的壁厚的为δ，两边对称的“倒V”型罩锥角为α，两对称轴之间夹角为θ，两对称轴的交点O为炸药的起爆点。

炸药在O点起爆之后，就会形成球形爆轰波，当球形波到达药型罩的罩顶A和A′时，就会对药型罩进行压垮，罩顶位置形成杵体，由于两对称轴在球形爆轰波的径向，所以形成的聚能射流不会弯曲，而是两道成直线的聚能射流。

图1　M型药型罩及装药结构几何模型

2数值模拟研究

2.1计算模型和算法介绍

采用LS-DYNA仿真分析软件对M型药型罩形成环形聚能射流的过程进行数值模拟仿真，计算模型如图2所示。有限元计算模型包括炸药和药型罩，药型罩壁厚δ为3 mm，两边对称的“倒V”型罩锥角α为61°，两对称轴之间夹角θ为16°，计算模型采用solid162二维实体单元进行网格划分，炸药和药型罩之间采用CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触算法，由于药型罩在形成射流的过程中，单元会产生大变形，因此要使用自适应网格技术。当计算时间达到60 μs时，炸药基本爆轰完毕，对射流的形成影响很小，因此可以删除炸药的part以及炸药与药型罩之间的接触，炸药和药型罩均采用Lagrange算法，计算单位为cm-g-μs。

图2　计算模型

2.2材料模型和状态方程

炸药选用PBX9010炸药，采用高能炸药模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN)和JWL状态方程进行描述，相关参数[8]见表1所示，JWL状态方程精确的描述了在爆炸驱动过程中，爆轰气体产物的压力、体积、能量的特征，JWL状态方程的表达式为

(1)

式(1)中：P是等熵压力；V是爆轰产物的相对体积；A、B、R1、R2、ω为输入的参数；E为体积内能。

表1　炸药材料模型和状态方程参数

药型罩材料为铜，选用适用于大变形的Johnson-Cook材料本构模型，采用Gruneisen状态方程来描述。其本构模型为

(2)

式(2)中：σeq是等效应力；A是屈服应力；B是应变硬化系数；N是应变硬化指数；M是温度相关系数；ε*是无量纲塑性比，ε*=εeq/ε0；εeq为等效塑性应变；ε0为参考塑性应变，一般取ε0为1s-1；T*为无量纲温度，T*=(T-Tr)/(TM-Tr)；T为当前温度；Tr为室温；TM为熔点温度，当温度T到达融化温度TM时，屈服应力为零。

Gruneisen状态方程的具体表达式在压缩状态下，即μ>0：

(3)

在膨胀状态下，即μ<0:

(4)

表2　药型罩材料模型和状态方程参数

3数值模拟结果分析

3.1聚能射流形成分析

通过数值模拟的方法可以看到M型药型罩形成聚能射流的全过程，一些典型时刻的结果如图3所示。

图3(a)为M型药型罩形成环形聚能射流的初始状态；图3(b)为炸药爆轰46 μs后，爆轰波刚传播到M型药型罩的顶端，与药型罩刚接触，接下来爆轰波开始压垮药型罩；图3(c)为炸药爆轰60 μs后，炸药爆轰基本完成，此时炸药对射流的影响很小，可以删除炸药的part以及炸药与药型罩之间的接触；图3(d)为M型药型罩在爆轰波压垮的作用下，杵体开始形成；图3(e)为药型罩闭合为射流的自由运动，由于速度梯度的存在，聚能射流在运动中逐渐拉伸；图3(f)表示M型药型罩在爆轰波的驱动下能够形成细长而且稳定的射流。

图3　聚能射流形成过程

3.2聚能射流速度分析

在聚能射流头部选取编号为6581的节点，通过后处理软件观看其速度随时间变化曲线，结果如图4所示。

图4　时间-速度曲线

根据图4分析可知：总体来说，M型药型罩在炸药爆轰的驱动作用下形成的射流速度不高，达不到锥形罩的射流速度。约125 μs时刻，射流速度达到最大值，约为3 300 m/s，之后逐渐衰减。射流速度不高的原因可能跟装药结构和药型罩的材料有关，接下来的工作是对装药结构和药型罩材料进行进一步的优化，提高射流的速度。

3.3形成环形射流孔径分析

图5为环形聚能射流头部的局部放大图，通过后处理软件可以测量射流头部两点之间的距离，即为环形射流的孔径大小。

图5　环形射流孔径

由图5分析可知，该M型药型罩形成的环形聚能射流的孔径为184 mm，孔径很大，说明该药型罩可以用作串联战斗部的前级药型罩，碰靶瞬间前级装药起爆，爆轰波压垮M型药型罩，形成的环形射流可以对目标靶进行环形切割，在目标靶上形成一个具有一定深度且孔径很大的环形孔，该孔径大于现在很多反坦克导弹和反舰导弹后级随进战斗部的口径[10]，可以方便后级随进战斗部对其形成充塞破坏，进而对内部目标毁伤。

4结论

本研究针对一种新型的M型药型罩形成聚能射流的过程进行了数值模拟仿真分析，得出了以下结论：

1) 该M型的药型罩在炸药爆轰的驱动下被压垮，能够形成细长而且稳定的射流。

2) 可能由于装药结构和药型罩材料的影响，导致该M型药型罩形成的聚能射流头部速度不高。接下来的工作将对装药结构和药型罩的材料进行进一步的优化，提高聚能射流速度并且开展试验研究，通过试验验证该药型罩设计的合理性以及侵彻毁伤金属靶板的威力。

3) 该药型罩形成的环形射流孔径为184 mm，大于目前大部分的反坦克导弹和反舰导弹的后级随进战斗部的外径，可以用作串联战斗部的前级药型罩，在目标靶上形成一定的外径深度且直径较大环形孔，方便后级随进战斗部对目标靶形成充塞破坏。

参考文献：

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[2]张毅,苟瑞君,陈亚红,等.变壁厚药型罩对爆轰波对撞EFP成型影响的数值模拟研究[J].兵器材料科学与过程,2015(2):40-43.

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[4]周方毅,詹发民,吴晓鸿,等.圆锥-球缺药型罩聚能战斗部结构优化设计[J].爆破器材,2014(6):43-47.

[5]张利，李刚.基于分层序列法的EFP战斗部药型罩结构优化与仿真[J].四川兵工学报，2013(8)：23-25.

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[8]吕愿宏,王续跃,李晓杰,等.粉末药型罩石油射孔弹侵彻性能的数值模拟[J].工程爆破,2015(2):1-4.

[9]时党勇,李裕春,张胜明.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京:清华大学出版社,2005.

[10]王东生.国外反坦克导弹的发展分析[J].飞航导弹,2010(5):52-57.

(责任编辑唐定国)

Study on Numerical Simulation of M Shaped Charged Liner form Annular Jet

TONG Zong-bao, WANG Xiao-chun, CHEN Jian, LIU Yan, HU Shan-bao,LIU Zhi-hua, LEI Yong-tao, HU Run-juan, FENG Mei

(Hunan Xiangtan Jiangnan Industry Group Co., Ltd., Xiangtan 411207, China)

Abstract:The problem that the precursory shaped charge in the tandem warhead cannot form big hole was studied. We presented a new shaped charge liner of M and the design principle of its structure was analyzed, and numerial simulated the process of this shaped charge liner form annular jet with the ANSYS/LS-DYNA software. The result shows that M shaped charge liner can form annular jet with big hole and the jet is sustained and steady. In military fields, it can be used as a tandem warhead of pre-shaped charge liner and can be cut into the target with a depth and large circular hole which can convenient make the stage warhead to destroy the target with plug. In civil field, it can fastly drill in the target with a certain thickness.

Key words:M shaped charger liner；annular cut；big hole；tandem warhead

文章编号：1006-0707(2016)03-0143-04

中图分类号：TJ41

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.034

作者简介：童宗保(1988—)，男，助理工程师，主要从事战斗部设计研究。

收稿日期：2015-08-31；修回日期：2015-09-15

本文引用格式：童宗保，王小春，程剑，等.一种M型药型罩形成环形射流的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2016(3):143-145.

【机械制造与检测技术】