复合药型罩射流侵彻钢靶的影响参数研究

贾子健，王志军，尹建平，伊建亚，王少宏，赵飞扬

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【弹药工程】

复合药型罩射流侵彻钢靶的影响参数研究

贾子健，王志军，尹建平，伊建亚，王少宏，赵飞扬

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

利用autodyn有限元软件，在中心带孔的复合药型罩基础上进行对聚能射流的数值模拟分析。通过数值仿真模拟重点分析了药型罩参数：药型罩锥角、药型罩壁厚、中心孔径等对射流侵彻钢靶效应的影响规律。研究结果表明：这三个参数对侵彻效应的影响都比较大，随着锥角变大，射流速度降低，侵彻的深度降低，但侵彻孔径变大；药型罩壁厚增加也降低侵彻深度，增大侵彻孔径；而中心孔径存在于一个最佳值，使得侵彻深度和孔径都较大。

聚能射流；侵彻；复合药型罩；影响参数

传统的聚能装药都是单层罩结构，对于整个药型罩而言，最终能够形成射流的主要是内层部分金属，其质量只占整个药型罩总重量的 15%左右，而其它部分材料则形成了几乎没有侵彻能力的低速杵体，因此单层药型罩的利用率是很低的[1-3]。其次，单层罩聚能装药能量利用不够充分，单纯的改变装药结构和替换药型罩并不是最好的选择，双层药型罩的出现为解决材料利用率低的问题提供了一个方向。而复合药型罩则是在原先炸药和金属药型罩之间再添加一层和原罩相匹配的药型罩，使得此复合药型罩内罩主要形成聚能射流，外罩形成无侵彻能力的杵体[4-5]。根据声阻抗匹配原则，外罩声阻抗小，内罩声阻抗大，因此，炸药爆轰产生的压力透过声阻抗小的外罩，主要都作用于形成侵彻体的内罩之上，因而提高了侵彻体的速度[6]。藏涛成等[7]采用铜铝双层药型罩在射孔弹上进行了应用，表明双层罩结构形成的射流头部速度大而射流速度梯度小，可有效消除杵堵[8-9]。由此看出，新型复合药性罩提高了材料利用率的同时，对射流的速度和侵彻韧性都一定的提高。

1 材料模型的选取

本次数值模拟仿真，双层药型罩内罩主要形成射流，外罩形成无侵彻能力的杵体，由于紫铜的延性比较好，铝的密度比紫铜小很多，但材料声速却比紫铜大，声阻抗比紫铜小。因此，我们选声阻抗较大的紫铜做双层药型罩内罩材料，选声阻抗较小的铝作为外罩材料。详细材料选用如表1所示。

表1 材料模型

2 有限元模型的建立

本文中研究的聚能装药模型如图1所示：装药直径D=100 mm，装药高度H=140 mm，药型罩厚度d=2 mm，锥角α=21°。

图1 聚能装药几何结构图

由于炸药在爆炸和药型罩被压垮的过程中，外壳会产生很大的变形，因此对其采用Lagrange建模；再者后续还需要在药型罩上设置高斯监测点来判断射流与杵体的分界面，因此选择材料可以在网格内流动的Euler建模。除此之外，该装药结构是轴对称的，因此采用有限元AUTODYN软件进行1/2建模进行数值模拟，镜像之后的有限元模型如图2所示。另外，除了射流形成区边界和轴线外，所有边界施加flow-out边界条件，以使爆轰产物流出边界外，防止产生反射影响射流的形成。

3 仿真结果分析

3.1 聚能射流成型过程

图3所示为复合药型罩射流成型示意图。该药型罩内罩为紫铜，外罩为铝材料。

图2 有限元模型

图3 复合药型罩射流成型示意图

图4是有单层紫铜药型罩所形成射流过程示意图。

由仿真结果可看出，复合药型罩所形成的射流成型较好，拉伸充分，头部形状成型易于侵彻目标。单层药型罩所形成的射流短而细，没有侵彻能力或者侵彻能力低下的杵体质量大，且射流最早发生颈缩，相比复合药型罩，射流断裂时间早，不利于侵彻目标。因此，新型复合药型罩提高射流速度的同时，也提高了材料的利用率。

图4 单层药性罩射流成型示意图

3.2 侵彻过程数值模拟

对单层药型罩、双层药型罩、中心带孔双层药型罩侵彻钢靶进行数值模拟分析。在侵彻到400μs时，侵彻过程十分缓慢，说明射流已达到侵彻的极限速度，为了计算方便，假设已达到400μs时侵彻终止。侵彻过程中密度云图如图5。

图5 聚能射流侵彻密度云图

4 影响侵彻效能因素分析

4.1 药型罩锥角对聚能射流侵彻影响分析

保证在药型罩的口径4 mm和壁厚2 mm不变的情况下，取α为42°、50°、60°、70°，进行侵彻数值模拟，不同锥角条件下侵彻深度和侵彻直径如表2所示。

表2 不同锥角条件下侵彻深度和直径 mm

从表2中可以看出，随着药型罩角度的增加，侵彻深度有所下降，侵彻孔径有所加大。其主要原因是在药型罩角度较小的情况下，射流部分速度较大，无侵彻能力的杵体部分的速度较小，由于射流的速度较大，射流拉伸比较剧烈，因而射流的直径较小，有效长度较长。因此在这种情况下侵彻出的孔的形状是孔径较小、深度较深。当增大药型罩锥角时，射流的头部速度将会降低，速度梯度变小，射流直径较粗，因此侵彻出的孔型一般是直径较粗、深度较浅。

4.2 药型罩壁厚对聚能射流侵彻影响分析

保证在药型罩的锥角21°和孔径4 mm不变的情况下，取δ为2 mm、3 mm、4 mm，侵彻数值模拟，不同壁厚条件下具体侵彻深度和直径如表3。

表3 不同壁厚条件下侵彻深度和直径 mm

从表3可以看出，随着药型罩厚度的增加，侵彻深度逐渐减小，而开孔直径先是随着药型罩厚度的增加而变大，但是壁厚过大的话，开孔直径反而下降。这是由于壁厚小的药型罩，炸药作用在单位质量药型罩上的能量就大，射流头部速度提高，从而增加了射流的速度梯度，从而射流拉伸厉害，直径较小。这样的射流侵彻可以获得较大的侵彻深度,但是侵彻直径较小。当继续增大药型罩壁厚，由于爆轰波所驱动的药型罩质量过大，射流速度下降，此时获得侵彻孔径是侵彻深度和直径都较小。因此存在着一个合适的药型罩壁厚，太薄或太厚，都不利于开孔效果。

4.3 中心孔径对聚能射流侵彻影响分析

保证在药型罩的锥角21°和壁厚2 mm不变的情况下，取d为3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，进行侵彻数值模拟，不同孔径条件下侵彻深度和直径如表4所示。

表4 不同中心孔径条件下侵彻深度和直径 mm

装药结构一定的情况下，变化中心孔径大小对射流的速度也有一定的影响。当孔径为<4 mm时，速度逐渐增大，速度梯度变大，射流拉伸剧烈，直径减小，此时获得侵彻孔型是侵彻深度变大，直径减小。当孔径为4 mm时，速度达到最大；之后随着孔径的变大，药型罩质量变小，形成射流头部高速粒子的质量也因而变小，因而造成射流头部的速度降低，进而获得聚能射流有效长度降低，直径变大。因而，中心孔径也存在一个合适的中心孔径，太大或者太小，都不利于开孔效果。

5 结论

1) 在一定范围内，随着药型罩锥角的增大，侵彻深度逐步下降,侵彻孔径逐步增加。

2) 在一定范围内，随着中心孔径的增大，侵彻深度先增加后降低，即存在一个有利的最佳中心孔径。

3) 在一定范围内，随着药型罩壁厚的增大，在一定范围内，随着药型罩厚度的增加，侵彻深度逐步下降，侵彻孔径先增加后下降，存在一个最佳药型罩厚度。

4) 新型的复合药型罩相比传统的单层药型罩，由于外罩的声阻抗小于内罩，因此爆轰压力的放大使得内罩获得更大的压垮速度，形成更长更细且速度更高的金属射流，因而侵彻后获得侵彻深度较大，而直径较小。药型罩结构上带孔相比不带孔的罩，提高了聚能射流的部分速度，增大的射流速度梯度，同样形成较细较长的射流，侵彻同样得到深度较大，直径较小的孔。

[1] 黄正祥.聚能杆式侵彻体成型机理研究[D].南京:南京理工大学,2003.

[2] 郑平泰，杨涛，秦子增，等.聚能射流侵彻混凝土靶试验研究[J].弹箭与制导学报，2006，26(1)：391-393.

[3] 王志军，尹建平.弹药学[M].2版.北京：北京理工大学出版社，2005.

[4] 高靖，王志军，范晨阳.中心孔对聚能装药的影响[J].弹箭与制导学报，2011，31(1):110-112.

[5] 李国宾.复合药型罩的研究进展[J].兵器材料科学与工程，1995，18(1):63-68.

[6] 夏杰，段卫东.双层药型罩射流形成的仿真研究[J].爆破，2011，28(3):13-16.

[7] 臧涛成,胡焕性,邵琦.破甲弹复合罩性能研究[J].火炸药学,1998(4):45-48.

[8] 刘安邦.双金属复合药型罩特性分析[C]//破甲技术文集,1982.

[9] 王映俊，铜-铝复合药型罩破甲性能的试验研究[C]//中国兵工学会火箭导弹学会1985年会，1985:77-80.

StudyontheInfluenceParametersofCompound-TypeCoverJETPenetrationSteelTarget

JIA Zijian, WANG Zhijun, YIN Jianping, YI Jianya, WANG Shaohong, ZHAO Feiyang

(School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Based on the autodyn finite element software, the numerical simulation analysis of the jet flow is carried out on the basis of the composite type cover with hole in the center. The effect of the effect on the target of penetration steel was analyzed by numerical simulation model. The results show that the influence of these three parameters on the penetration effect is relatively large, and as the cone Angle becomes larger, the velocity of the jet decreases and the penetration depth decreases, but the penetration diameter becomes larger. The wall thickness of the mask also reduces the penetration depth and increases the penetration. The center aperture exists at one of the largest, making the penetration depth and aperture larger.

polyenergy jet; penetration; compound drug mask; impact parameters

2017-09-07；

2017-09-28

国家自然科学基金(11572291)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助(20160033)；第十四届研究生自然科学立项项目资助(20171409)

贾子健(1992—)，男，硕士研究生，主要从事弹药工程与毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.014

本文引用格式：贾子健，王志军，尹建平，等.复合药型罩射流侵彻钢靶的影响参数研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):57-59,85.

formatJIA Zijian, WANG Zhijun, YIN Jianping, et al.Study on the Influence Parameters of Compound-Type Cover JET Penetration Steel Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):57-59,85.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0057-03

(责任编辑周江川)