一种喇叭-锥角结合药型罩形成射流的数值模拟

阮光光，雷　伟，岳继伟，柴艳军

(1.中北大学环境与安全工程学院，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)

引　言

21世纪以来，新型爆炸反应装甲得到快速发展，各种新概念装甲如电磁装甲、主动防御系统等也陆续得到应用，破甲战斗部也朝着大威力、多用途的方向发展[1-2]。传统的锥形药型罩装药结构及平顶药型罩装药结构的侵彻能力已难以满足要求；聚能装药结构中在炸药、装药结构等相同的情况下所形成射流的头部速度越高、抗拉伸性能越好，其侵彻能力就越高[3]，因此通过改变药型罩的结构来提高射流的头部速度及抗拉伸性能进而提高聚能装药的侵彻能力已成为研究的热点。

药型罩的上部结构对形成射流的头部速度、拉伸性能等有较大影响。陈兴等[4]设计了球锥结合药型罩，并采用数值模拟与实验验证相结合的方法研究了其射流对混凝土的侵彻特性，结果表明该结构药型罩对混凝土的侵彻能力与半球形、锥角药型罩相比有了一定的提高；顾文斌等[5]设计了一种柱锥结合药型罩，发现该结构药型罩虽然提高了射流的头部速度，但射流头部却出现了射流堆积，侵彻能力提升较小；目前文献报道的球锥结合药型罩和柱锥结合药型罩及两种结合药型罩不仅对射流的性能提高有限，而且也存在加工困难、效费比较低的缺点。

锥角药型罩、平顶药型罩具有加工工艺简单、成本低的优势。喇叭形药型罩与锥角药型罩、平顶药型罩相比虽然具有母线长、形成的射流头部速度高、抗拉伸性能好的优势，但是其加工困难[6]。

为了提高锥角药型罩、平顶药型罩形成射流的头部速度以及抗拉伸性能，本研究通过改变锥角药型罩、平顶药型罩的上部结构为大曲率半径的喇叭形结构形成喇叭-锥角结合药型罩，使药型罩的母线长度变长。对喇叭-锥角结合药型罩、锥角药型罩、平顶药型罩3种药型罩射流的形成过程及对45号钢板的侵彻过程进行数值模拟，以期为新型破甲战斗部的设计提供参考。

1　数值模拟

1.1　装药结构设计

为了研究喇叭-锥角结合药型罩、锥角药型罩、平顶药型罩3种装药结构射流的性能，选择张角为60°的锥角药型罩，并在此基础上改变其顶部结构为平顶药型罩和喇叭-锥角结合药型罩；3种装药结构采用相同的装药条件，其物理模型剖面图如图1所示；其中3种药型罩材料均为紫铜，开口直径为76mm，厚度为1mm，装药口径为80mm。

1.2　数值模型的建立

由于装药模型具有结构对称和爆炸作用载荷对称的特性，为缩短计算时间，取1/4结构建立3D模型，在对称面上通过施加对称约束来保证计算的准确性。模型均采用solid164实体单元类型，用映射网格划分；对3种装药结构射流的成型过程进行模拟时有炸药、药型罩、空气3种数值模型；在模拟射流侵彻45号钢板过程中有炸药、药型罩、空气、45号钢板4种数值模型。为了解决射流过程中网格畸变问题，建模时炸药、药型罩、空气均划分为Euler单元，靶板用Lagrange单元，两者之间定义多物质流固耦合算法求解。3种装药结构实体模型及对45号钢板侵彻过程的实体模型分别见图2和图3，其中45号钢板尺寸为400mm×20mm×20mm，炸高为200mm。

1.3　材料模型及参数的确定

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；空气域采用无偏应力流体动力模型( NULL) ，状态方程采用GRUNEISEN；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，状态方程采用GRUNEISEN;具体参数如表1～4所示。

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

1.4　算法的确定

对射流的形成过程进行数值模拟时采用ALE算法，对45号钢板进行侵彻过程的数值模拟采用流固耦合算法。起爆方式均为炸药顶端中心点起爆，并使用后处理软件lsprepost观察数值模拟结果。

2　数值模拟结果分析

2.1　射流头部形成的机理分析

为了研究喇叭-锥角结合药型罩、锥角药型罩、平顶药型罩3种药型罩顶部结构形成射流头部的机理，使用后处理软件lsprepost观察3种药型罩在爆轰波作用下形成射流头部的数值模拟过程，在炸药爆炸后10μs时，药型罩顶部结构在爆轰波作用下开始形成射流头部，10μs时刻射流头部形态如图4所示。

由图4可知，3种装药结构在炸药顶部中心点起爆后形成的爆轰波首先作用于药型罩的顶部位置，由于其顶部结构的不同，形成射流的头部方式也有所不同。喇叭-锥角结合药型罩装药和平顶药型罩形成射流头部的方式相似，由于喇叭-锥角结合药型罩的母线部分与顶部平顶的夹角小于100°，因此爆轰波作用下首先形成环形线性射流；平顶药型罩的母线部分与顶部的平顶部分夹角大于120°从而形成自锻弹丸；两种装药结构都是经过二次汇聚而形成射流的头部[7]；锥角药型罩的顶部结构是在爆轰波作用下直接被压垮，经过碰撞后形成了射流头部。

2.2　射流形成的数值模拟结果分析

通过后处理软件lsprepost观察3种药型罩射流的形成过程，药型罩的顶部结构形成射流头部后，在射流头部向前运动的过程中，药型罩顶部以下的母线部分被压垮后经过碰撞不断补充到射流中去，最终形成完整的射流。为了研究3种完整射流的性能，需要观察射流的形态变化并测量其相关参数；为了排除爆炸激波的干扰，得到100μs时刻射流的相关参数如表5所示，射流形态如图5所示。

表5　100μs时刻3种药型罩形成射流参数

注：v为射流速度；D为杵体直径；t为拉伸断裂时间；L为拉伸长度；Δv为头部速度相对增量。

分析图5的射流形态可知，喇叭-锥角结合药型罩形成的射流在杵体后面断裂，而平顶药型罩及锥角药型罩形成的射流在射流杵体前面断裂，且断裂距离较小。综合表5的数据可知，在3种药型罩中，由于喇叭-锥角结合药型罩形成的射流头部速度最高，综合其射流头部的形成过程可知，喇叭-锥角结合药型罩和平顶药型罩形成的射流头部都是经过二次汇聚形成，但喇叭-锥角结合药型罩顶部形成环形射流比平顶药型罩顶部形成的自锻弹丸速度高，因此其经过二次汇聚形成的头部速度更高，而锥角药型罩形成的射流头部是其顶部结构直接经过压垮、碰撞形成的，因此速度最低；由于喇叭-锥角结合药型罩相比平顶药型罩、锥角药型罩拥有更长的母线长度，因此其形成射流的拉伸断裂时间、拉伸长度均有明显提高。

2.3　射流侵彻钢靶的数值模拟结果分析

为了研究3种药型罩在相同装药条件下的侵彻能力，使用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA在200mm炸高下对45号钢板做最大侵彻穿深的数值模拟，采用后处理软件lsprepost观察数值模拟结果，3种装药结构失去侵彻能力时靶板效果如图6所示，其靶板穿深相关参数如表6所示。

结合图6的靶板最大穿深效果图以及表6数据可知，在相同装药条件下，喇叭-锥角结合药型罩对45号钢板的侵彻深度最深，与平顶药型罩相比提高约12.25%，与锥角药型罩相比提高约19.82%。

表6　3种装药结构失去侵彻能力时靶板相关参数

注：H为侵彻深度；d为侵彻孔直径；ΔH为喇叭-锥角结合药型罩侵彻深度相对增量。

3　结　论

(1)相同装药条件下，喇叭-锥角结合药型罩装药结构形成的射流头部速度最高，与锥角药型罩相比形成的射流头部速度提高约9.54%，与平顶药型罩相比形成的射流头部速度提高约6.36%。

(2)相同装药条件下，喇叭-锥角结合药型罩装药形成的射流拉伸长度最长、拉伸性能最好，对45号钢板的侵彻深度与平顶药型罩相比提高约12.25%，与锥角药型罩相比提高约19.82%。

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