喇叭药型罩壁厚对杆式射流成型影响的数值模拟

焦志刚，杜　宁，寇东伟

(沈阳理工大学　装备工程学院，沈阳　110159)



喇叭药型罩壁厚对杆式射流成型影响的数值模拟

焦志刚，杜宁，寇东伟

(沈阳理工大学装备工程学院，沈阳110159)

摘要：为了对比分析喇叭形药型罩壁厚对杆式射流成型的影响，利用ANSYSY/LS-DYNA有限元分析软件，在战斗部装药结构相同的条件下，改变喇叭形药型罩的厚度；合理选择药型罩的厚度，有助于提高杆式射流的稳定性及其侵彻性能。

关键词：喇叭形药型罩；数值模拟；杆式射流

杆式射流作为聚能侵彻体的一种，已经得到了很大重视[1]，越来越多的人对此进行研究。其特点是与EFP一样没有明显的杆体和射流之分，侵彻能力可以达到3～5 倍装药口径[2]。与普通射流相比对炸高不敏感，药型罩利用率高并且后效大。与EFP和穿甲弹相比，其飞行速度大、长度更长、断面比动能更大、侵彻能力强[3]。

形成杆式射流的装药结构主要是大锥角聚能装药，最早的是X-Charge[4]。国内的研究主要有弧锥结合罩、亚半球罩、大锥角罩和球缺罩等[5]。目前对于喇叭型罩还没有相关研究成果。本文根据杆式射流的形成理论，通过LS-DYNA对不同壁厚的喇叭型罩形成杆式射流进行模拟仿真。

1有限元数值计算方案

聚能装药的作用是一种多物质相互作用的大变形运动，在金属射流形成的过程中，随着炸药材料和药型罩材料发生愈来愈烈的变形，计算网格畸变严重，最终导致计算无法进行，因此对于杆式射流成型全过程用Lagrange方法不能准确模拟[6]。故采用LS-DYNA970的多物质ALE方法。还需要建立覆盖射流范围的空气网格，并且在模型的边界节点上施加压力流出边界条件，避免压力在边界上的反射[7]。

1.1材料模型选择及参数选取

炸药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL状态方程，参数见表1。药型罩采用MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程，参数见表2。空气材料采用MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程，见表3。

表1　XMAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL状态方程

表2　XMAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程

表3　X*MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_

1.2模拟方案确定

采用的成型装药结构如图1所示，装药口径为100 mm。药型罩设计为喇叭型，壁厚为h，装药为船尾型，装药高度为L。起爆方式为装药顶端中心单点起爆。分别对药型罩厚度为0.03D、0.04D、0.05D、0.06D、0.07D等5种情况进行数值仿真分析。

图1　X成型装药结构

2仿真计算结果分析

2.1杆式射流成型对比分析

不同药型罩壁厚，中心单点起爆后，杆式射流在160时的成型效果对比见图2。

图2　X杆式射流在160时的成型效果对比

从图2可以看出杆式射流的长度先增大后减小，但由于0.3 cm时候的射流断裂，所以小于0.4 cm的结构不考虑。而随着罩厚度的增大成型杆式射流长度逐渐减小，直径变大，成型更稳定。

2.2杆式射流不同时刻速度对比

杆式射流不同时刻速度对比见图3。侵彻体不同时刻的头尾速度差，如图4。侵彻体不同时刻的长度，如图5。

图3　X杆式射流不同时刻速度对比

图4　X侵彻体不同时刻的头尾速度差

图5　X侵彻体不同时刻的长度

通过图3可以分析得出0.3 cm的结构由于速度差太大，导致杆式射流出现断裂，得出罩的厚度过于薄不适合形成杆式射流。排出0.4 cm以下的不考虑。随着罩厚度的增加杆式射流的速度差逐渐增大，导致最终的成型速度逐渐减小并接近3 km/s。杆式侵彻体的长度随厚度增加而减少。杆式射流速度虽然会随着罩厚度的增大而减小，而且趋于稳定，但增大罩厚度势必影响战斗部装药量，装药量的降低也会影响杆式射流的品质及其侵彻性能。

3结论

喇叭形药型罩的装药结构随着罩厚的增大，其速度逐渐减小，成型趋于良好。杆式射流的品质也随着药型罩壁厚的增大而逐渐增大，但药型罩厚度过大时，会影响战斗部的装药量，最终也会影响杆式射流的成型品质。

通过本文的仿真模型和数值模拟计算结果，分析得出船尾形装药的喇叭形药型罩在壁厚为0.06D～0.07D时，形成的杆式射流效果较好，并且保持有较高的侵彻稳定性。为以后对此类装药结构的进一步研究提供基础。

参考文献：

[1]李伟兵,樊菲,王晓鸣,等.杆式射流与射流转换的双模战斗部优化设计[J].兵工学报，2013,34(12):1500-06.

[2]樊菲.实现杆流与射流转换的研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[3]张宝平,张庆明,黄风雷,等.爆轰物理学[M].北京:兵器工业出版社,2006.

[4]隋树元,王树山.终点效应学[M].北京:国防工业出版社,2000.

[5]王成.起爆方式对聚能射流性能影响的数值分析[J].北京理工大学学报，2006(5):401-404.

[6]吴晗玲,段卓平,汪永庆.杆式射流形成的数值模拟研究[J].爆炸与冲击，2006,26(4):42-46.

[7]段卓平,张震宇.杆式射流形成的初步研究[J].弹箭与制导学报,2004,24(4):54-56.

[8]张明星，姜波，黄晓霞.聚能装药杆式射流的数值仿真 [J].四川兵工学报，2014(12):20-22.

(责任编辑杨继森)

本文引用格式：焦志刚，杜宁，寇东伟.喇叭药型罩壁厚对杆式射流成型影响的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2016(4):98-100.

Citation format:JIAO Zhi-gang，DU Ning，KOU Dong-wei.Numerical Simulation of Thickness Influence of Horn Liner Bar Type Rod-Like Jet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):98-100.

Numerical Simulation of Thickness Influence of Horn Liner Bar Type Rod-Like Jet

JIAO Zhi-gang，DU Ning，KOU Dong-wei

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong university, Shenyang 110159, China)

Abstract:In order to comparatively analyze the influence of the thickness of horn liner to bar type rod-like jet modeling process, the rod-like jet was analyzed by using the ANSYS/LS-DYNA finite element analysis software. We changed the thickness of the horn liner under the same conditions of shaped charge. Selecting the thickness of liner reasonably is helpful to improve the stability and penetration performance of rod-like jet.

Key words:horn liner; numerical simulation; rod-like jet

文章编号：1006-0707(2016)04-0098-03

中图分类号：TJ5;O385

文献标识码：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.024

作者简介：焦志刚(1963—)，男，教授，主要从事弹箭仿真技术研究。

收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-05

【化学工程与材料科学】