材料对截顶辅助药型罩形成聚能侵彻体的影响

陈　莉，王志军，尹建平，徐永杰，赵春龙

(中北大学 机电工程学院，太原　030051)



材料对截顶辅助药型罩形成聚能侵彻体的影响

陈莉，王志军，尹建平，徐永杰，赵春龙

(中北大学 机电工程学院，太原030051)

摘要：为了讨论不同材料对截顶辅助药型罩装药结构形成的影响情况，采用非线性动力学软件AUTODYN-2D对其进行数值仿真，分析了对铜、铝、钛3种材料作为主药型罩和钨、钽、铁3种材料作为辅助药型罩时形成的射流形态的情形，并选出最优材料，然后在选出的材料结构下讨论了辅助药型罩位置的变化对射流成型的影响；研究表明：对于截顶辅助药型罩装药结构来说，选取钛和钽的材料组合优于其他材料组合；辅助药型罩位置的变化对射流的成型影响并不大；研究结果可为聚能射流研究提供参考。

关键词：数值仿真；射流；截顶辅助药型罩结构

本文引用格式：陈莉，王志军，尹建平，等.材料对截顶辅助药型罩形成聚能侵彻体的影响[J].兵器装备工程学报，2016(7):20-22.

Citation format:CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，et al.Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):20-22.

聚能装药也称成型装药或空穴装药，自Von Foerster在他的著作中第一次用实验的方法证明了聚能装药爆炸效应的存在，聚能装药到目前为止已经在军事上和民用上得到了越来越广泛的应用[1]。在军事上，用于反装甲目标，包括攻击目标为坦克、混凝土结构、防御工事、大型水面舰艇以及航空母舰等在内的导弹、鱼雷以及多种破甲弹[2-6]；在民用上，石油开采、矿山挖掘、隧道开通、水下切割等也都可以利用炸药聚能作用。而随着科技的进步，装甲车辆及坦克防护能力不断提高，各种武器装备防金属射流侵彻的能力也大大提高，陶瓷复合装甲、反应装甲、间隔装甲等的出现和应用，对聚能装药提出了新的要求，所以世界各国研究人员一直热衷于有效提高反装甲弹药侵彻能力的研究。当炸药被引爆时，在空穴中集聚爆炸产物的能量，产生强大的聚能作用，更高效地利用炸药做功。如果在空穴内加一药型罩，爆轰能量通过压垮药型罩将之汇聚成射流或者爆炸弹丸，能够显著提高能量转化效率和能量密度，聚能装药所产生的聚能效果会进一步增强。

截顶辅助药型罩[7]就是将传统截顶药型罩进行改进，去掉截顶，取而代之一块直径稍大圆板型辅助药型罩。王成等[8]对锥形钛合金药型罩、截顶锥形钛合金药型罩和截顶加片锥形钛合金药型罩聚能装药爆炸形成聚能射流过程进行了数值模拟，比较了3种不同结构的药型罩所形成的射流速度和有效射流质量分数。本文采用非线性动力学软件AUTODYN-2D对不同材料作为截顶辅助药型罩的材料进行数值仿真，并在选出的最优材料结构下讨论了辅助药型罩位置的变化对射流成型的影响。

1模型建立

1.1几何模型

截顶辅助药型罩装药结构几何模型，如图1所示。其中：装药直径D=100 mm，装药高度H=150 mm，钢板壁厚δ=2 mm，主药型罩壁厚δ1=1 mm，药型罩夹角2α=50°，辅助药型罩δ2=2 mm，直径为38.9 mm，d=1 mm，L=69.9 mm；起爆方式选用装药顶端面起爆。

图1　几何模型

1.2有限元模型

截顶辅助药型罩装药结构仿真几何模型与仿真有限元模型，如图2所示。由于该结构为轴对称结构，因此采用Autodyn-2D 程序进行二维计算，且只需建立1/2模型。炸药、药型罩以及空气均采用Euler算法。为获得较好的射流形态，在射流流经通道上采用网格加密[9]的方式建立有限元模型；通过在空气边界上添加“FLOW OUT”边界条件消除边界效应。材料采用软件自带材料库中的材料[10],其中炸药选用B炸药，状态方程为JWL，B炸药主要参数如表1所示；主药型罩材料和辅助药型罩材料分别选取材料库中的3种材料进行对比。数值模拟中单位制：cm-g-us-Mbar。

表1　B炸药的主要材料参数

图2　仿真模型

2数值模拟结果及分析

2.1射流成型过程

图3为该结构在不同时刻的成型状态。主装药起爆约15 μs后，辅助药型罩首先受到爆轰压力的作用，并作用于主药型罩被压垮、闭合，在中心发生相互碰撞、挤压，25 μs 时已完成汇聚，形成高速侵彻体，头部速度可达 10 000 m/s以上，由于头尾速度差的存在，侵彻体在运动中逐渐拉伸，出现劲缩现象，当运动到一定炸高时射流被拉断。由图3看出该结构的主药型罩在被压垮闭合过程中具有射流成型各阶段的典型特征。

图3　射流成型过程

2.2材料对截顶辅助药型罩装药结构影响的数值仿真及结果分析

本文采用的截顶辅助药型罩装药结构有主药型罩和辅助药型罩两种材料，在本文的计算中主药型罩采用了铜、铝和钛3种材料，辅助药型罩采用钨、钽和铁3种材料。40 μs时不同组合装药结构的射流成型结果如图4所示。

从成型效果来看，铜射流成型后形成的杵体较大，这样形成的有效射流质量就会变小，相较而言铝和钛射流成型后杵体较小，形成的有效射流质量会高；从图中还可看出铁作为辅助药型罩材料时会影响射流的成型。

图4　40 μs时射流成型效果图

附注：图标中前边的材料为主药型罩材料，后边的材料为辅助药型罩材料；铜、铁的结构无法成型。

该结构形成的侵彻体的性能参数如表2所示：

表2　计算结果

由表2可知，截顶辅助药型罩装药结构可以较好地形成高速射流并有效地提高了药型罩材料的利用率。从计算结果可以看出，由3种药型罩材料组成的截顶辅助药型罩装药结构形成的射流头部速度均能达到10 000 m/s以上，但是铝和钛材料形成射流的有效质量高于铜材料，铜和钛材料形成射流的总能量高于铝材料。

综合考虑，从射流头部速度、射流总能量、有效射流长度比及有效射流质量比来分析，在本文所选的材料中钛优于铜和铝；考虑到射流的成型状态，钛和钽材料的组合是最优选择。

2.3辅助药型罩位置的变化对射流成型的影响

本文2.2节中得出钛和钽的材料组合是该结构的最优选择，所以本节以截顶辅助药型罩结构为装药结构，并以钛作为主药型罩、钽作为辅助药型罩材料，本节主要讨论辅助药型罩位置的变化对射流成型的影响，通过变换辅助药型罩到罩底的距离，即图1中L的距离来观察射流的成型及形成侵彻体的性能。本节中对L选取了8.19 mm、7.79 mm、7.39 mm及6.99 mm 4个参数，计算结果如表3所示。

表3　40 μs时计算结果

从表3中可以看出，改变辅助药型罩到罩底的距离L后不论是射流的头尾速度、能量，还是有效射流的长度比例、质量比都没有太大的变化。所以辅助药型罩位置的变化对射流的成型影响并不大。

4结论

采用非线性动力学软件AUTODYN-2D就材料对截顶辅助药型罩形成聚能侵彻体的影响进行了数值模拟研究，仿真研究结果表明：

1) 在所选的材料中，对于截顶辅助药型罩装药结构而言，钛作为主药型罩且钽作为辅助药型罩的装药形成的射流优于其他材料，并且形成的射流速度高、质量大和能量高，更能满足实际需要。

2) 对于同一种材料的截顶辅助药型罩而言，辅助药型罩位置的变化对射流的成型影响不大。

参考文献：

[1]荀扬，晏麓晖，曾首义.聚能装药技术研究进展综述[J].科学技术与工程，2008,15(8)：4251-4255.

[2]CHENGJY，ZHOUGQ，TANGZP.HighPressureScienceandTechnology1993[C]//AmericaInstituteofPhysics,1994：1153.

[3]CHANGBH,YINJP,CUIZQ,etal.Numericalsimulationofmodifiedlow-densityjetpenetratingshellcharge[J].InternationJournalofSimulationModelling,2015,14(3):426-437.

[4]XUYJ,WANGZJ,GAOBB.Six-degree-of-freedomdigitalsimulationsformissileguidanceandcontrol[J].MathematicalProblemsinEngineering,2015(4):10-15.

[5]伊建亚.串联战斗部前级聚能装药技术研究[D].太原：中北大学，2015.

[6]YUC，TONGYJ，YANCL，etal.AppliedResearchofShapedChargeTechnology[J].InternationalJournalofImpactEngineering， 1999，23(10)：981-988.

[7]MININVF，MININOV，MININIV.PhysicsofHypercumulation：aReview[C]//InternationalForumonSpecialEqunpmentsandEngineeringMechanics,2007:45-55.

[8]王成，钱俊松，王万军.超聚能射流形成的数值模拟[C]//北京力学会第20届学术年会论文集.北京:2014.

[9]崔斌，王志军，董方栋，陈莉.尼龙射流冲击夹层装药的仿真研究[J].兵器材料科学与工程，2014，37(6)：86—88.

[10]ANSYSAUTODYNUserManual：Release12.1[M].ANSYSIn，2009：56-58.

(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-01-29；修回日期：2016-02-29

基金项目：国家自然科学基金(11572291)；中北大学第十二届研究生科技基金项目(20151210，20151205)

作者简介：陈莉(1989—)，女，硕士研究生，主要从事高效毁伤技术与仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.005

中图分类号：TJ413

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0020-04

Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator

CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，XU Yong-jie，ZHAO Chun-long

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:In order to discuss the reaction of jet which different materials for structure of a additional body of a trunconical liner, numerical simulations of this situation were carried out by AUTODYN-2D software, and the shape of jet of main liner of copper, aluminum, titanium and auxiliary liner of tungsten, tantalm iron and choosing the best material were discussed. The reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner under the selected material was discussed. The results show that the group of titanium and tantalum is better than others in the selected material for structure of a additional body of a trunconical liner; and the reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner is little, which will provide reference for the achievement of penetration without detonation.

Key words:numerical simulation; jet; structure of additional body of trunconical liner

【装备理论与装备技术】