装药长径比对半球形聚能装药射流成型的数值模拟

张万君，李国辉，王凯琳，吴晓颖

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072)

装药长径比对半球形聚能装药射流成型的数值模拟

张万君，李国辉，王凯琳，吴晓颖

(装甲兵工程学院兵器工程系，北京 100072)

为了得到均匀、不易中断的射流，运用ANSYS/LS-DYNA软件的二维多物质纯ALE算法，建立不同装药长径比有限元模型，数值模拟了6种不同长径比的半球形聚能装药产生射流的过程，对比分析了同一时刻、同一时间段6种装药长径比对射流成型的影响。结果表明，70.5μs时，装药长径比从0.8增至1.8，射流头部速度增大31.9%，射流长度减小23.2%；46.5～70.5μs时段，射流长径比与时间呈类线性增长，射流在装药长径比约为1.2时不易断裂，均匀性最好。

聚能装药；装药长径比；金属射流；数值模拟；药型罩；聚能射流

引 言

目前，对聚能装药通过爆轰作用压垮金属药型罩形成金属射流的研究主要集中在提高射流的速度和侵彻能力上，而对有特殊要求，如形状均匀、不易断裂的射流研究较少。这种有特殊要求的射流可以应用于新型磁流体发电系统，作为发电工质使用。作为发电工质的射流在通过磁通道时必须均匀且不易断裂，锥形或喇叭形药型罩一般难以得到这种有特殊要求的射流。

通常，对射流的研究主要集中在改变装药长径比(装药长度与直径之比)、隔板、药型罩等影响因素方面。在装药长径比对射流影响的研究方面，李伟兵等[1]通过研究装药长径比对聚能杆式侵彻体的影响，得到最佳装药长径比为0.9～1.2；熊瑞红等[2]通过研究不同装药长径比对爆炸成型弹丸(EFP)成型的影响，得出装药长径比超过1.75时，射流速度的增加很小；刘夯等[3]以EFP为研究对象，通过改变装药长径比，得出装药长径比越大，射流速度越大，但速度增长率减小。但以上研究均未关注射流的形状是否均匀。

本研究通过改变装药长径比，运用ANSYS/LS-DYNA软件[4]对半球形聚能装药射流形成过程进行数值模拟，研究装药长径比对射流形态的影响规律，为进一步得到均匀且不易断裂的射流奠定基础。

1 有限元模型的建立

1.1 二维多物质纯ALE算法

采用二维多物质纯ALE算法[5]研究不同装药长径比对半球形装药射流成型的影响。二维多物质纯ALE算法是将模拟中的网格均匀划分为二维网格，全部采用ALE算法计算，其与通常采用的三维ALE算法最大的区别在于炸药、药型罩与其外围的空气域网格模型均采用二维方法划分。二维多物质纯ALE算法可以有效减少建模时间和累计误差，提高计算效率和精度。

1.2 不同装药长径比有限元模型

炸药和药型罩结构模型如图1所示，A点为炸药起爆点。装药直径(D)为56mm,装药长径比(λ=H/D)选用0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和1.8，即装药长度(H)分别为44.8、56.0、67.2、78.4、89.6和100.8mm。药型罩厚度(b)为1.2mm，内径(d1)为51.6mm，外径(d2)为54.0mm。

装药长径比为1.2时半球形装药有限元局部模型如图2所示。

网格使用ALE描述，除炸药、药型罩外，还需要建立适当的空气域[6]。炸药、药型罩、空气最小网格尺寸为0.5mm×0.5mm。由于具有轴对称性，为了方便建模和减小模型尺寸，本模型采用二维轴对称模型，选用shell163单元，在k文件中添加SE- CTION_ALE2D关键字。数值模拟采用cm-g-μs单位制。

蓝色网格为炸药，选用RDX，密度为1.69g/cm3，爆速为8310m/s，C-J压力为30.15GPa，由HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程[7]描述。紫色网格为药型罩，材料选用无氧铜[8]，密度为8.93g/cm3,剪切模量为47.7GPa[9]，由Steinberg模型和Gruneisen状态方程描述[10]。红色网格为空气，密度为1.25×10-3g/cm3,使用NULL模型和线性多项式(LINEAR POLYNOMIAL)状态方程[11]进行模拟。

关于“霍李比武”的事，具体发生在何时已经不可靠了，只知道肯定是在1900-1909年之间。在金恩钟先生所著的《国术名人录》一书中有关于霍元甲与李瑞东比武的描述：

2 模拟结果与讨论

在分析射流时，射流长度(l)取去掉射流尾裙的实体部分长度。射流的均匀性是指射流表面的均匀程度，用半径标准差来判定，半径标准差越小，射流越均匀。在射流边界上每隔2mm取一点，测量该点x坐标xi(i=1,2,3,…,n),即为射流在该点的半径。半径标准差计算公式为

2.1 同一时刻装药长径比对射流的影响

对不同装药长径比(λ)时射流的成型情况进行数值模拟，70.5μs时射流形态如图3所示。

从图3可知，70.5μs时，射流都有尾裙部分，且λ≥1.2时，尾裙部分发生断裂。射流内部的空心部分是由于射流成型时药型罩物质未流动到此，产生内部空穴。成型射流在λ为0.8或1.4时内部空穴较少，成型效果最好。当λ为1.0或1.2时，射流内部空穴较多。当λ为1.6或1.8时，射流尾部有较大的空穴。

70.5μs时射流参数随装药长径比的变化如图4所示。

从图4(b)可知，随着λ的增大，射流长度(l)逐渐减小，半径标准差(σ)先减小，后增大。λ从0.8增至1.2时，l从150.36mm减至148.45mm，减小了1.3%，而σ从0.05336减至0.04518，减小了15.3%。λ从1.2增至1.8时，l从148.45mm减至115.45mm，减小了22.2%，而σ从0.04518增至0.0544，增加了20.4%。当λ为1.2或1.4时，σ较小,射流均匀性较好。

2.2 同一时段装药长径比对射流的影响

射流长径比定义为射流有效部分的长度与平均直径的比值，用λ1表示。46.5～70.5μs时段，不同装药长径比下，射流长径比随时间的变化曲线如图5所示。

从图5可看出，装药长径比一定时，射流长径比随着时间的推移逐渐增大，呈类线性的关系，增长速率比较接近。在同一时刻，不同装药长径比对应的射流长径比的数值相差不大。

46.5～70.5μs时段，不同装药长径比下，射流半径标准差随时间的变化曲线如图6所示。

从图6可看出，装药长径比一定的情况下，46.5 ～55.5μs时段，射流半径标准差减小，这是由于射流由头细尾粗的形态逐渐拉伸为长杆形，均匀性越来越好；55.5～70.5μs时段，射流半径标准差趋于稳定，这是由于射流已基本成型，表面均匀性变化不大。总体来看，装药长径比为1.2时，射流半径标准差最小，均匀性最好。

3 结 论

(1)46.5～70.5μs时段，装药长径比对射流长径比的影响不大，且射流长径比与时间呈类线性增长关系。

(2)当装药长径比为1.2时，射流成型效果较好，70.5μs之前不易断裂，均匀性最好。在以后的数值模拟研究中，可选取装药长径比为1.2左右进行进一步研究，以便获得形态更为均匀的射流。

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NumericalSimulationontheJetFormedbyHemisphericalShapedChargewithLength-to-diameterRatioofCharge

ZHANG Wan-jun, LI Guo-hui, WANG Kai-lin，WU Xiao-ying

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072，China)

To obtain an uniform and difficultly disrupt jet, a finite element model with different length-to-diameter ratios of charge was established by a two-dimensional multi-material pure ALE algorithm of ANSYS/LS-DYNA software. The process of jet produced by six kinds of hemispherical shaped charge with different length-to-diameter ratios was numerically simulated. The effect of six kinds of length-to-diameter ratio of charge on the jet forming at the same time and the same time period was compared and analyzed. The results show that at 70.5μs , with the increase of the length-to-diameter ratio of charge from 0.8 to 1.8, the head velocity of jet increases by 31.9% and the length of jet decreases by 23.2%. At the 46.5-70.5μs period, the length-to-diameter ratio of jet increases similarly linearly with time. The jet is not easy to break and has the best uniformity when the length-to-diameter ratio of charge is about 1.2.

shaped charge； length-to-diameter ratio of charge; metal jet; numerical simulation; liner; shaped jet

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0098-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.019

2017-05-03；

2017-07-03

国家自然科学基金资助(No.51677192)

张万君(1965-)，男，博士，教授，从事武器系统实验与评价方面的研究。E-mail:vance8001@163.com