一种新型M形顶部结构药型罩的设计及形成射流的侵彻能力分析

王凤英，阮光光，刘天生，岳继伟，柴艳军，赵海平，吴 鹏，周 杰

(1.中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051；2.武汉高德红外股份有限公司，湖北 武汉 430205；3.安徽方圆机电股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

一种新型M形顶部结构药型罩的设计及形成射流的侵彻能力分析

王凤英1，阮光光1，刘天生1，岳继伟2，柴艳军3，赵海平1，吴 鹏1，周 杰1

(1.中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051；2.武汉高德红外股份有限公司，湖北 武汉 430205；3.安徽方圆机电股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

在锥角药型罩结构基础上通过改变其顶部结构设计了一种新型M形顶部结构药型罩，并分析了其射流头部的形成机理；采用有限元软件ANSYS/LS-dyna对在爆轰波作用下M形顶部结构药型罩射流的形成过程，以及对45号钢板的侵彻过程进行了数值模拟，并与锥角药型罩、平顶药型罩形成射流的头尾部速度、拉伸长度、杵体大小以及对45号钢板的侵彻能力进行了对比。结果表明，M形顶部结构药型罩的M形顶部结构在爆轰波作用下经二次汇聚形成了射流头部，相同装药条件下，其形成射流的头部速度相比锥角药型罩形成射流的头部速度提高约9.10%，比平顶药型罩形成的射流头部速度提高约 5.56%；其侵彻深度比锥角药型罩提高约10.4%，比平顶药型罩提高约7.28%。

爆炸力学；M形药型罩；射流；爆轰波；聚能装药；侵彻

引 言

随着武器装备的不断发展，对聚能装药的侵彻能力提出了更高的要求， 20世纪80年代，美国提出了超高速(HYJET)射流空心装药的新概念，所谓超高速射流是指将药型罩设计成一种在爆炸载荷下可以产生二次碰撞的结构，压垮后的药型罩首先形成第一次射流，第一次射流经二次碰撞后产生速度更高、拉伸长度更长的的二次射流，这种现象也称为射流的二次喷射[1]。

基于二次喷射的原理，国内外学者设计了各种新型药型罩结构以提高聚能装药的侵彻能力。董永香、王志军等[2-3]分别设计了一种新型环形装药结构和一种星锥形药型罩，两者都通过射流的二次喷射来提高射流的头部速度，进而提高装药结构侵彻能力。药型罩的顶部结构直接影响着射流的头部速度进而影响聚能装药的侵彻能力。现有文献对药型罩的顶部结构报道较少。王德宝等[4]对平顶药型罩射流的形成机理以及过程进行了研究；王建华等[5]采用数值模拟的方法对锥形药型罩形成射流的过程进行了研究；顾文斌等[6]设计了以圆柱体代替锥角结构的柱锥结合药型罩。

本研究根据产生二次喷射的星锥形药型罩[1]、M形药型罩[7]以及锥角药型罩，通过将这3种药型罩结合设计出一种新型M形顶部结构药型罩，并采用有限元软件ANSYS/LS-dyna在相同装药条件下对M形顶部结构药型罩、锥角药型罩以及平顶药型罩射流的形成以及对45号钢板的侵彻过程进行数值模拟，并对比分析3种药型罩所形成射流的头尾部速度、拉伸长度、杵体大小以及对45号钢板的侵彻能力，以期为提高破甲战斗部的侵彻能力和药型罩的设计提供参考。

1 装药结构设计

M形顶部结构药型罩聚能装药结构、锥角药型罩装药结构以及平顶药型罩装药结构物理模型剖面图如图1所示。

3种装药结构装药口径均为80mm，药型罩材料为紫铜，采用等壁厚药型罩，药型罩厚度为1mm。M形顶部结构药型罩是在锥角为60°药型罩的基础上设计而成，装药高度为100mm，炸药选用8701炸药，装药结构采用船型装药结构。其中M形顶部结构药型罩两个锥角分别为60°，4条边长度均为5mm。平顶药型罩罩高为57.15mm，平顶直径为10mm。

图1 3种聚能装药药型罩的结构剖面图Fig.1 Profiles of three kinds of shaped charge liner structure

2 数值模拟

2.1 数值模型的建立

在建模过程中选用3Dsolid164实体单元，由于数值模型的对称性，为了降低建立模型的复杂性和提高计算效率，建立射流的形成以及侵彻靶板数值模型时均建立四分之一模型，通过施加合适的约束以保证计算的准确性；模拟射流成形的数值模型为：炸药、药型罩、空气域；模拟侵彻靶板的数值模型为：炸药、药型罩、空气域和钢靶。在网格划分过程中，炸药、药型罩、空气采用共点欧拉网格模型，钢板独立建模并采用拉格朗日网格模型。3种装药结构数值模型如图2所示。

图2 3种药型罩装药结构的数值模型Fig.2 Numerical model of three kinds of liner shaped charge structure

2.2 材料模型的确定

本研究涉及的材料本构模型和状态方程为：炸药选用HIGH-EXPLOSIVE-BURN 模型，状态方程为JWL；药型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，状态方程采用Gruneisen方程；空气域采用无偏应力流体动力模型(NULL) ，状态方程采用Gruneisen方程；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，状态方程采用Gruneisen方程。模型及状态方程具体参数见表1～4。

表1 炸药材料模型及其JWL状态方程参数

表2 药型罩材料模型及其Gruneisen状态方程参数

表3 空气材料模型及其线性多项式状态方程参数

表4 靶板材料模型及Gruneisen状态方程参数

2.3 计算方法

本研究对射流的形成过程进行数值模拟时采用ALE算法，在对45号钢板进行侵彻过程的数值模拟过程采用流固耦合算法。起爆方式均为炸药顶端中心点起爆，并使用后处理软件Lsprepost观察射流的形成过程以及对45号钢板侵彻过程的数值模拟结果。

3 数值模拟结果分析

3.1 3种药型罩形成射流头部的机理分析

锥角、平顶药型罩形成射流头部的机理在文献中已有报道[4,8]。本研究通过Lsprepost后处理软件观察炸药爆炸后爆轰波作用于M形顶部结构的方式以研究M形顶部药型罩形成射流头部的机理。根据后处理软件观察炸药在装药顶端中心点起爆后5μs时爆轰波到达M形顶部结构，数值模型图如图3(a)所示,根据数值模型图画出爆轰波与M形顶部结构作用的剖面图如图3(b)所示。

图3 爆轰波作用于M形顶部结构形态图Fig.3 Morphology of detonation wave act on M-shaped top structure

根据爆轰波作用于M形顶部结构方式可分析出M形顶部结构所受的爆轰作用力，其所受爆轰作用力剖面图如图4所示。

图4 M形顶部结构所受爆轰作用力剖面图Fig. 4 Profile of the detonation acting force of the M-shaped top structure

由图3和图4可知，M形顶部结构爆轰波作用下将形成环形线性射流，环形线性射流在图4所示F区域经过二次汇聚再次形成射流头部，经二次汇聚形成的射流相比普通射流具有更高的速度以及更好的拉伸性能[1]；不仅如此，M形顶部结构在一定程度上也改变了爆轰波与药型罩母线部分的作用角度，进而影响所形成射流的尾部速度。

3.2 3种药型罩射流形成的模拟结果对比分析

药型罩顶部结构形成射流头部后其母线部分陆续被压垮，并在轴线处碰撞后补充到射流中去，由于3种药型罩顶部结构不同从而造成爆轰波作用于药型罩母线的角度发生变化，其形成射流的参数如头尾部速度、拉伸长度等也将发生变化，通过Lsprepost后处理软件观察100μs内3种药型罩形成射流的形状并测量100μs时3种药型罩形成射流的参数如表5所示，100μs时3种药型罩形成的射流形态如图5所示。

由图5和表5可知，相同装药条件下，M形顶部结构药型罩形成射流的头尾部速度最高、动能最大、抗拉伸性最好；平顶药型罩形成的射流头尾部速度、动能、抗拉伸性能次之；锥角药型罩形成的射流头尾部速度、动能、抗拉伸性能最差。

表5 100μs时3种药型罩形成射流的参数

图5 100μs时3种药型罩装药结构形成的射流形态图Fig.5 Morphology of three kinds of liner shaped charge structure jet formation at 100 μs

3.3 侵彻钢板的模拟结果分析

在相同装药条件下，使用有限元软件ANSYS/ls-dyna对M形顶部结构药型罩、锥角药型罩、平顶药型罩3种药型罩所形成的射流在200mm炸高下对尺寸为400mm×20mm×20mm的45号钢板进行侵彻穿深的数值模拟；并使用后处理软件Lsprepost观察数值模拟过程，3种药型罩失去侵彻能力时靶板效果图如图6所示，并测量了3种药型罩所形成的射流失去侵彻能力时靶板的相关参数，见表6。

表6 3种药型罩侵彻靶板后的相关参数

注：H为侵彻深度；d为侵彻孔直径；H′为H的相对增量。

由图5及表6可知，在相同装药条件下，M形顶部结构药型罩形成射流的侵彻能力最强，比平顶药型罩对45号钢板的侵彻深度提高约7.28%，比锥角药型罩所形成的射流对45号钢板的侵彻深度提高约10.40%。

图6 3种药型罩装药结构失去侵彻能力时的靶板效果图Fig.6 Target impression drawing after loss of penetration ability for three kinds of liner shaped charge structure

为了验证模拟结果的可靠性，在与数值模型相同装药条件下进行侵彻试验，平顶药型罩装药结构在200mm炸高下对45号钢板的侵彻能力侵彻效果图如图7所示，测得3组试验靶板相关参数如表7所示。

图7 试验靶板效果图Fig.7 Impression drawing of experimental target

实验编号H/mmd/mm第一发弹316.212.9第二发弹318.613.1第三发弹320.313.3平均值318.413.1

将平顶药型罩装药结构对45号钢板的侵彻数值模拟结果与试验结果对比，其侵彻深度结果误差为4.3%，侵彻孔直径误差为4.6%，在合理误差范围内，验证了本研究数值模拟结果的可靠性。

4 结 论

(1)采用数值模拟方法对M形、锥角、平顶3种药型罩射流的形成过程以及对45号钢板的侵彻过程进行了研究。药型罩的M形顶部结构在爆炸载荷下可形成环形线性射流经过二次汇聚可形成聚能射流，且形成射流头部。

(2)M形顶部结构药型罩比锥角药型罩形成射流的头部速度提高约9.10%，比平顶药型罩装药结构头部速度提高约5.56%，且射流的抗拉伸性以及拉伸长度均有明显的提升。

(3)对比了3种药型罩对45号钢板的侵彻深度，M形顶部结构药型罩装药结构的侵彻深度比锥角药型罩装药结构提高了约10.40%，比平顶药型罩装药结构提高了约7.28%。

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DesignofANewM-shapedTopStructrueLinerandAnalysisofPenetrationAbilityofItsJetFormation

WANGFeng-ying1，RUANGuang-guang1，LIUTian-sheng1，YUEJi-wei2，CHAIYan-jun3,ZHAOHai-ping1,WUPeng1,ZHOUJie1

(1.SchoolofEnvironmentandChemicalEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyaun030051,China;2.WuhanGuideInfraredCo.,Ltd.,Wuhan430205,China;3.AnhuiFangyuanMechanicalandElectricalCo.,Ltd.,BengbuAnhui233010,China)

Based on the liner structrues of the cone angle, a new liner structure with M-shaped top structure was designed by changing its top structure, and the formation mechanism of its jet head was analyzed. The numerical simulation of jet formationin process of liner with M-shaped top structrue under the action of detonation wave and the penetration process of No.45 steel plate was performed by using the finite element software ANSYS/LS-dyna, and comparison with the head and end velocity, stretching length, slug size and the penetration ability of No.45 steel plate of the jet formed by the cone angle liner and the flat-top liner was performed. The results show that the top structure of the liner with M-shaped top structure forms jet head at two times convergence under the action of detonation wave. Under the same loading condition, compared with the cone angle liner jet-forming head speed, the M-shaped liner jet-forming head speed is increased by about 9.10% and the flat-top liner jet-forming head speed is increased by about 5.56%, its penetration depth is improved by about 10.40% compared with the cone angle liner, its penetration depth is improved by about 7.28% compared with the flat-top liner liner.

explosion mechanics; M-shape liner; jet; detonation wave;shaped charge;penetration

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.014

2017-02-23；

2017-06-01

国家自然科学基金(No.11572292)

王凤英(1955-)，女，教授，从事弹药工程及武器系统防护工程研究。E-mail:wfyts8271@163.com

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1007-7812(2017)04-0076-05