药型罩形状对侧向环形射流性能的影响

曹 涛，顾文彬，刘建青，王振雄，徐景林，刘 欣



药型罩形状对侧向环形射流性能的影响

曹 涛，顾文彬，刘建青，王振雄，徐景林，刘 欣

（解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京，210007）

为优选出利于环形侵彻的药型罩形状，设计了4种简单几何形状药型罩，对环形射流成型与侵彻过程进行了数值模拟。研究结果表明：楔形罩射流形态优于椭圆形罩，大锥角聚能射流最大拉伸长度优于小锥角，但头部速度相对较低；对于90°和60°等壁厚楔形罩，锥角较大时射流获得的总动能较大，但有效动能不及小锥角药型罩，有效动能比分别为69%和81%。研究结果为侧向环形聚能切割器结构设计提供依据。

药型罩；形状；环形射流；数值模拟；有效动能

药型罩的形状主要分为简单几何形状、复杂几何形状、组合几何形状3类[1]，不同的罩型结构和参数对射流的形态、速度梯度、最大拉伸长度等有着至关重要的影响。目前国内外开展了大量关于药型罩形状和结构参数的研究，S.V.Fedorov[2]将半球形变壁厚药型罩与圆锥罩的射流头部速度和侵彻能力做了数值模拟对比研究；Manfred held[3]借助X光高速摄影技术研究了圆锥形药型罩锥角和壁厚等结构参数对射流破甲深度的影响；李磊等[4]研究了双锥型药型罩结构参数对射流成型与侵彻性能的影响。

侧向环形聚能切割器在串联战斗部、应急救援、逃生、爆破、拆弹、反恐行动等方面具有广泛应用[5]。针对侧向环形聚能切割器的特点，Wang C等[6]根据等动量原则设计了能够形成轴向环形射流的药型罩；Lei Fu等[7]对串联战斗部前级环形聚能切割器截面形状进行了设计和参数优化。上述研究为侧向环形聚能切割器的设计提供了重要参考。但对于侧向环形聚能装药不同药型罩形状对环形射流性能的影响研究，国内外还未见到相关报道。本研究在实炸试验的基础上，数值模拟研究大、小锥角楔形罩、变壁厚楔形罩以及椭球形罩对环形射流性能的影响，并从所设计的药型罩结构当中遴选出利于环形射流侵彻的药型罩形状。

1 结构设计与数值模拟

1.1 药型罩结构设计

针对侧向环形切割器药型罩加工工艺复杂的特点，本研究设计了4种典型的简单几何形状药型罩，其结构对比如表1所示。

表1 不同形状药型罩结构参数

Tab.1 Structual parameters of liners with different shapes

表1中药型罩口宽均为32mm，罩壁厚2.2mm。其中，椭圆形罩（1#）短轴32mm，长短轴比1.5。变壁厚药型罩（4#）顶部厚度减小1/3，顶部到底部均匀变化。4种不同形状的药型罩应用于相同的环形装药中，装药宽度40mm，装药高度72.8mm，切割器口径200mm。

1.2 建模说明与材料模型

根据上述4种不同形状药型罩，建立有限元模型。模型由炸药、金属药型罩、空气、上靶和下靶5部分构成，均采用solid164三维实体单元，暂不考虑壳体的影响。环形金属药型罩（3#）模型如1所示。

图1 环形药型罩（3#）模型图

建模时先对聚能装药截面进行二维映射网格划分，然后进行三维拉伸并划分网格，炸药、药型罩和空气采用欧拉网格，靶板采用拉格朗日网格。为了防止单元大变形引起计算终止问题，采用多物质ALE算法。两块靶板之间设置面面接触，空气域外围设置透射边界。具体材料参数[8]如下。

装药采用B炸药，用高能炸药材料模型High _explosive_burn描述，炸药爆轰过程采用燃烧反应率乘以高能炸药的状态方程来控制炸药化学能的释放。爆轰产物的状态方程选用JWL状态方程，其形式为：

式（1）中：1为爆压；0为单位体积炸药内能；为相对体积；1、1、1、2、是表征炸药特性的常数。具体见表2。

表2 B炸药材料参数

Tab.2 Material parameters of Comp.B

纯铁药型罩具有密度大、气化温度高且经济实用的优点，采用Steinberg材料模型和Gruneisen状态方程模拟。材料参数具体见表3。

表3 纯铁药型罩材料参数

Tab.3 Material parameters of steel liner

空气采用空物质模型，与Gruneisen状态方程连用，它可以评估材料的失效以及热效应，对流体而言，偏剪应力与剪切应变率关系如式（2）：

式（2）中：表示流体粘度。如果流体承受剪应力，流体就会产生形变。

45#钢靶板采用Johnson-cook材料模型和Gruneisen状态方程。Johnson-cook材料模型采用乘积关系描述应变、应变率和温度对应力的影响关系，其具体形式见式（3）：

表4 钢靶板材料参数

Tab.4 Material parameters of steel target

1.3 数值模拟与试验结果对比

起爆网络成功起爆后，上靶被完全切透，上靶中心圆饼被抛掷出距爆炸点20m以外。下靶崩裂成7块，如图3所示。上靶切口处具有明显射流残留物，说明上靶圆洞形成为聚能射流侵彻所致。下靶崩裂则由射流与爆轰产物共同作用导致。为了深入认识环形射流的侵彻能力，取4个起爆点位置及相邻起爆点之间对称位置作为侵彻深度观察点，测得其侵彻深度，如表5所示。下靶平均侵彻深度为8.8mm，即环形切割器侵彻深度为28.8mm。数值模拟等比例模型侵彻均深为26.6mm，相对误差7.6%，说明数值模拟较为准确地反映了环形切割器侵彻过程。

图2 环形切割器试验设置图

图3 下靶侵彻后效

表5 观察点侵彻深度

Tab.5 Penetration depth in observing point

2 不同罩型结构射流性能对比

2.1 椭圆形罩与楔形罩射流形态对比

自起爆点发出的爆轰波在环形聚能装药中传播，在距离起爆点不同圆心角截面上环形射流成型规律不同[5]。为简化问题，假设切割器采用顶部中心线起爆，不同截面处射流成型状况一致，则环形射流任意截面射流成型状况能够反映药型罩形状对环形射流性能的影响。侧向环形聚能射流在=23μs时刻，射流形态对比如图4所示。

图4 相同时刻射流形态对比

由图4可以看出3种楔形罩射流形态较为一致，射流和杵体形状清晰可见，两翼出现轻微不对称性，射流细长。相反椭圆形罩射流短粗，形态类似“射弹”。造成这种差异的原因在于椭圆形罩与楔形罩射流形成机理不同。楔形药型罩在受到爆轰波超压作用时，其受力方向可简化为垂直于罩壁表面，如图5（a）所示。两壁罩单元沿罩面法线方向运动并发生相互挤压碰撞，罩内侧材料相对于碰撞点向下运动形成射流，外侧材料相对于碰撞点向上运动形成杵体。椭圆形药型罩承受的爆轰波压力沿罩壁法线方向挤压药型罩，如图5（b）所示。其变形分为两个过程：即向内收缩与顶部翻转过程。罩单元受到爆轰波作用后沿罩壁法线方向的运动造成药型罩向内挤压收缩，药型罩体积变小，密度增大。罩顶部与爆轰波波阵面平行并且首先受到冲击，其变形位移最终超过两侧罩材料，出现顶部材料翻转现象。

图5 不同药型罩压垮受力分析

2.2 射流长度随时间变化

根据定常理想不可压缩流体力学破甲理论[1]，射流破甲深度可由式（4）确定：

式（4）中：l为射流长度；ρj和ρt分别为射流和靶板的密度。定常理论表明：在药型罩和靶板材料一定的情况下，射流破甲深度P与射流长度l成正比。不同形状药型罩形成射流拉伸过程中射流长度变化如图6所示。

2.3 射流头部速度随时间变化

定常理想不可压缩流体力学破甲理论认为射流破甲深度与射流速度无关，这与真实情况不符[9]。实际上当射流速度小于一定值v（破甲临界速度）时，靶板强度的作用体现得很明显。定常理论不能准确预测靶板侵彻深度。考虑靶板强度作用的射流微元破甲深度可由式（5）确定：

式（5）中：li为破甲前射流单元长度；K为由试验确定的系数；ρj和ρt分别为射流和靶板的密度；vj为射流微元速度。式（5）表明射流破甲深度不仅与射流微元长度li有关，也随着射流速度vj的增大而增大。实际上射流破甲主要依靠射流动能，速度越大，射流能量密度越大，侵彻深度自然增大。射流头部最先接触靶板并“开坑”，其速度一定程度上能反映射流的动能。图7显示了射流头部速度随时间的变化。从图7中可以看出，3种楔形罩聚能射流头部速度在爆轰波作用于药型罩后上升沿很短，射流很快形成并达到最大速度，此后保持速度基本不变。相比较而言，椭圆形罩射流头部速度上升较缓。对比射流头部速度发现，适当减小药型罩顶部厚度有利于提高射流速度，锥角增大时射流速度下降，椭圆形药型罩形成射流速度偏低。

2.4 射流有效动能

通过观察射流拉伸过程和分析射流头部速度变化，可知楔形罩结构要优于椭圆形罩。但是对于3种楔形罩结构，射流头部速度较大时最大拉伸长度偏小，无法直接比较3种罩型结构的优劣，寻找更为本质的指标成为侧向环形聚能切割器药型罩形状优化的关键所在。在靶板材料一定的情况下，射流破甲主要依靠射流自身的动能。但是射流动能越大，其侵彻能力也并不一定越强。这是因为射流存在速度梯度，处于射流尾端的微元速度已经低于射流临界破甲速度v，其对靶板的破甲作用已经微乎其微。因此射流破甲能力主要依赖射流有效长度的动能，称为有效动能。射流有效长度是指射流微元速度大于临界破甲速度的微元长度总和。为了获得射流有效动能，需要对有限元结果数据进行一定的编程处理。通过对射流单元信息的深度挖掘，可得到射流单元速度沿射流长度方向的分布情况。=23μs时刻，4种罩型结构形成射流长度方向的速度分布如图8所示。

由图8可以看出，对于楔形罩，射流长度方向速度分布可分为3段：射流段、过渡段、杵体段。射流段速度较高，速度梯度逐渐降低，射流头部位置速度达到最大，未出现明显头部射流堆积现象。过渡段长度较短，但射流速度梯度大，是连接射流与杵体的部分。过渡段虽然速度梯度大，在实际计算中发现射流最先断裂的位置并不一定发生在过渡段，这是因为过渡段射流单位长度质量更为集中，在拉断之前射流颈缩延缓了断裂。杵体段射流速度较低，速度梯度较小。椭圆形罩射流未出现明显分段特征，随着射流长度的增加，射流速度变化逐渐变缓，在射流头部位置达到稳定。

图8 射流长度方向速度分布

根据文献[10]，临界速度v取0.2cm·μs-1，有效长度l、有效动能K对比如表6所示。

表6 射流有效长度、有效动能对比

Tab.6 Comparison of jet effective length and effective kinetic energy

3 结论

（1）针对所设计的等壁厚楔形罩进行了实炸试验，试验结果与数值模拟吻合较好，说明可以通过数值模拟对比研究不同罩型结构射流性能。

[1] 奥尔连科.爆炸物理学[M].北京:科学出版社,2011.

[2] Fedorov SV. Numerical simulation of the formation of shaped-charge jets from hemispherical liners of degressive thickness[J]. Combustion, Explosion, and Shock Waves,2016, 52(5):600-612.

[3] Held M. Shaped charge optimisation against bulging targets[J]. Propellants Explosives Pyrotechnics,2005,30(5):363-368.

[4] 李磊,马宏昊,沈兆武.基于正交设计方法的双锥罩结构优化设计[J]. 爆炸与冲击,2013,33(06):567-573.

[5] 曹涛,顾文彬,詹发民,徐景林,刘建青.侧向环形聚能切割器射流成型特性研究[J].兵器材料科学与工程,2017,40 (02) :81-86.

[6] Wang C, Ma TB, Ning JG. Design and penetration perfor- mance of annular shaped charge structure[J]. Advances In Fracture And Materials Behavior, Pts 1 And 2, 2008(33-37):1 175-1 180.

[7] Fu L, Wang WL, Jiang YZ, Huang XF, Lv J. Uniform design on the forward annular shaped charge of torpedo tandem warhead[J]. Applied Mechanics and Materials,2014(556 -562):1 263-1 266.

[8] 曹涛,顾文彬,刘建青,王振雄,徐景林,刘欣.曲率半径对环形聚能装药侵彻深度的影响[J].兵器装备工程学报,2017,38 (02):61-64,81.

[9] 北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组.爆炸及其作用（下）[M].北京:北京工业学院,1979.

[10] 侯秀成,蒋建伟,陈智刚.某成型装药射流的数值模拟与射流转化率[J].火炸药学报,2012,35(02):53-57.

The Effects of Liner’s Shape on Performance of Lateral Annular Jet

CAO Tao，GU Wen-bin，LIU Jian-qing ,WANG Zhen-xiong , XU Jing-lin , LIU Xin

(College of Field Engineering , PLA Univ. of Sci. & Tech.，Nanjing，210007)

In order to optimize the shapes of the liner facilitating annular penetrating , four simple geometric liners were designed, and the process of annular jet formation and penetration were simulated by ANSYS/LS-DYNA . The results shows that the wedgy liner is better than the oval in jet form , and the maximum stretching length of jet formed by the large cone angle liner is better than that of the small , but the head velocity is relatively low .For cone of 90°and 60°wedgy liners ,which own same wall thickness ,liner with bigger cone angle obtained more total kinetic energy, but effective kinetic energy are in the opposite case, as a result ,the ratio of effective kinetic energy are 69% and 81%. The results of the study provided a reference for the design of the lateral annular shaped charge cutter.

Liner；Shape；Annular jet；Numerical simulation；Effective kinetic energy

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.004

1003-1480（2017）06-0014-05

2017-08-15

曹涛（1992 -），男，在读硕士研究生，主要从事爆炸作用机理和战斗部设计研究。

总后基建营房部重点课题（KYGYZXJK0914）。