一种新型圆柱-半球结合药型罩形成射流以及侵彻性能的数值模拟及试验验证

王庆华，刘 宁，张建仁，王凤英，刘天生，阮光光

(1.中国人民解放军驻山西江阳化工有限公司军事代表室，山西 太原030051；2.中北大学环境与安全工程学院，山西 太原030051；3.山西江阳化工有限公司，山西 太原030051)

引 言

在聚能装药结构形成射流的过程中，药型罩是其关键部件，在相同装药条件下，药型罩形状不同形成的射流性能也有较大差异，例如，喇叭形药型罩形成射流的头部速度最高，侵彻能力最强；半球形药型罩形成射流的头部速度较低，侵彻能力最差，但其开孔效果较好，具有侵彻孔径大且均匀的优势；二次世界大战后，聚能装药理论有了较大的发展，其不仅广泛用于军事领域，在矿山、石油开采等民用领域也有着广泛的应用[1-3]。

半球形药型罩由于具有较好的开孔效果，在石油开采行业应用较多，但其侵彻能力较差，为了改进半球形药型罩形成射流的头部速度较低；侵彻能力较差的缺点，国内学者已做了一些研究。刘定胜等[4]通过在半球形药型罩的底部开孔以改善半球形药型罩形成射流的侵彻能力低的缺点；陈兴等[5]设计了一种圆锥-半球结合药型罩，并采用数值模拟的方法研究了该药型罩形成射流的特性。顾文斌等[6]设计了柱锥结合药型罩，其顶部的圆柱结构在一定程度上可提升射流的能量以及密度。

本研究基于上述柱锥结合药型罩中的圆柱结构并改变其参数，设计了一种新型圆柱-半球结合药型罩，以提高半球形药型罩形成聚能射流的能量以及密度。在保证开孔大且均匀的优势下，提升半球形药型罩的侵彻能力，可对改进半球形药型罩侵彻能力差的特点以及药型罩的设计提供参考。

1 药型罩及装药结构设计

1.1 药型罩的设计

采用等壁厚(厚度为2mm)、开口直径为56mm的半球形药型罩，药型罩材料为紫铜，其剖面图如图1(a)所示；新型圆柱-半球药型罩是在图1(a)的基础上在药型罩的中心轴线顶部设计了一个直径为12mm、高度为6mm、厚度为2mm的圆柱壳体，其剖面图如图1(b)所示。

图1 两种药型罩几何平面图Fig.1 Geometric plane graphs of two kinds of liners

1.2 装药结构的设计

本研究的装药结构采用药型罩为圆柱-半球结合型，口径为60mm，炸药为8701炸药，装药高度为40mm，其结构剖面图如图2所示。

图2 两种聚能装药结构几何平面图Fig.2 Geometric plane graphs of two kinds of shaped charge structures

2 数值模拟

2.1 数值模型的建立

在整个数值模型所有部分均选用3D164solid实体单元；本研究中两种装药结构均为圆柱形，且具有对称性，因此，在建立两种装药结构及两种装药结构侵彻靶板的数值模型时均建立四分之一模型以提升计算效率，并在X轴和Z轴对称面上通过相应对称约束使计算能够进行；在空气的外表面添加边界无反射，使爆轰波可以透射出去。两种聚能装药结构的数值模型包含：炸药、药型罩、空气域；装药结构侵彻45号钢板的数值模型中包含：炸药、药型罩、空气域和钢靶；其中所有的模型都采用六面体映射网格，且装药结构中炸药、药型罩、空气采用共点欧拉网格模型，钢板采用拉格朗日网格，并与炸药、药型罩、空气不共节点。两种装药几何结构的数值模型图如图3所示。

图3 两种聚能装药结构数值模型图Fig.3 Numerical model diagrams of two kinds of shaped charge structures

2.2 材料模型的确定

本研究中炸药选用高能爆轰High-Explosive-Burn材料模型，其爆炸载荷采用JWL状态方程描述；药型罩和45号钢板靶板的形变、温度等变化均采用J-C模型和GRUNEISEN状态方程共同表征；装药结构外围的空气模型选用空白材料模型NULL，状态方程采用GRUNEISEN。其具体参数如表1～4所示[8]。

表1 炸药高能爆轰模型及其状态方程部分参数Table 1 Part parameters of high energy detonation model of explosive and its equation of state

表2 药型罩J-C模型及其状态方程部分参数Table 2 Part parameters of J-C model of liner and its equation of state

表3 空气材料模型及其线性多项式状态方程参数Table 3 Air material model and the parameters of liner polynomial equation of state

表4 45号钢板J-C模型及其状态方程部分参数Table 4 Part parameters of J-C model of No. 45 steel plate and equation of state

2.3 计算方法

本研究两种装药结构的起爆点均设置在炸药顶端圆心处，在两种装药结构起爆后形成聚能侵彻体的过程采用多物质组耦合的ALE算法。在两种装药结构形成聚能侵彻体后侵彻靶板的过程中采用流固耦合算法。计算完成后，使用后处理软件lsprepost查看数值模拟结果，并对提取数据进行定性和定量分析。

3 数值模拟结果分析

3.1 圆柱-半球结合药型罩射流形成过程及机理分析

半球形药型罩在爆轰波作用下通过翻转形成了射流，其射流的形成机理已有文献[7]报道，本研究主要对圆柱-半球结合药型罩形成射流的机理进行研究。圆柱-半柱球结合药型罩形成射流的过程如图4所示。由图4可以看出，炸药起爆后，爆轰波首先作用于上端圆柱结构，在5～10μs时刻，药型罩的圆柱在爆轰波作用下，其顶部与侧面相互挤压，首先形成环形射流，环形射流经二次汇聚形成了射流的头部;圆柱壳体结构形成射流的头部后，在10～25μs时刻，药型罩中的半球形结构在爆轰波作用下开始翻转变形，并形成射流补充到先前射流中去，最终形成了如图中60μs时刻的射流形状。

图4 圆柱-半球结合药型罩形成射流过程图Fig.4 Process chart of cylinder-hemisphere combination liner jet formation

3.2 两种药型罩射流的数值模拟结果对比

由于半球形药型罩和圆柱-半球形药型罩的结构不同，形成射流的机理也发生了一定的变化，因此两种结构的药型罩形成射流的形态和性能均将发生变化，通过后处理软件lsprepost观察射流的形成过程，在100μs时刻射流形态如图5所示。

由图5可知，两种药型罩形成射流形态及杵体均发生了变化，在100μs时刻，半球形药型罩形成的射流直径比较均匀，且较为粗壮，拉伸长度较短，在头部与尾部出现断裂；圆柱-半球形药型罩形成的射流头部较细，向尾部逐渐变粗，且只在头部发生断裂；两种射流的杵体形状也发生了改变，半球形药型罩的杵体部分较短且为一个整体，而圆柱-半球形药型罩形成的射流杵体较长且明显分为前后两部分，通过观察射流的成型过程发现，圆柱体结构在爆轰波作用下，一部分形成了射流的头部，另一部分形成了射流的最后部分的杵体，其中的半球形结构在爆轰波作用下形成射流并补充到先前射流的过程中又形成了前面部分的杵体。

图5 100μs时刻两种药型罩聚能侵彻体成型图Fig.5 Forming drawing of two kinds of liner shaped charge penetrator at 100μs

由两种射流的形态差异可知，两种药型罩形成射流的头尾部速度，断裂时间等均发生变化，为了分析两种射流的性能，通过后处理软件lsprepost观察两种射流在100μs时刻内的速度变化并测量其相关参数，如表5所示，其在100μs时刻射流的速度云图如图6所示。

图6 100μs时刻两种聚能侵彻体速度云图Fig.6 Velocity nephogram of two kinds of shaped charge penetrator at 100μs

表5 100μs时两种药型罩形成聚能侵彻体的相关参数Table 5 Related parameters of the shaped charge penetrator of two kinds of liner at 100μs

注：v1为头部速度；v2为尾部速度；D为杵体直径；t为拉伸断裂时间；E为动能；Δv1为v1相对增量。

由表5和图6可知，在装药条件一致的情况下，相比半球形药型罩形成的射流，圆柱-半球形药型罩形成的射流具有更高的头部速度，其头部速度增长了16.67%,而且具有更高的动能；此外，圆柱-半球形药型罩形成的射流抗拉伸断裂能力更强，在相同时间段内拉伸长度较长，根据聚能装药侵彻原理，可判断本研究设计的圆柱-半球形药型罩形成的射流具有更强的侵彻能力。

3.3 两种药型罩射流侵彻45号钢板的对比分析

3.3.1 两种装药结构侵彻45号钢板的数值模拟结果分析

为验证两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对半球形药型罩、圆柱-半球形药型罩两种装药结构在120mm炸高下对45号钢板的进行侵彻穿深的数值模拟实验，靶板尺寸为100mm ×20mm × 20mm；并使用后处理软件lsprepost观察两种射流的侵彻过程，两种装药结构失去侵彻能力时靶板效果图如图7所示，并测量两种药型罩所形成的射流失去侵彻能力时靶板的相关参数，如表6所示。

图7 两种装药结构失去侵彻能力时的靶板效果图Fig.7 Target plate effect diagram of two shaped charge structures without penetrating ability

表6 两种药型罩形成射流侵彻靶板后的相关参数Table 6 Relevant parameters after penetrating the target for two types of liner formation jet

注：H为侵彻深度；d为靶板表面开孔直径；ΔH为H相对增量。

由图7及表6可知，在相同装药条件下，圆柱-半球形药型罩形成射流对45号钢板的侵彻深度相比半球形药型罩提升约16.82%，而且其开孔直径并未明显降低，并基本保持了半球形药型罩开孔相对均匀的优势。

3.3.2 半球形装药结构侵彻45号钢板的试验分析

为了对数值模拟结果的准确性进行验证，在与数值模型相同的装药参数及炸高下，用半球形装药结构对45号钢板进行侵彻试验，其靶板试验效果图如图8所示。

图8 半球形装药结构侵彻45号钢板试验效果图Fig.8 Experimental effect diagrams of hemispherical charge penetration into No. 45 steel plate

经过测量可知，靶板侵彻孔深度为50.6mm，表面开孔直径为13.74mm。数值模拟和试验结果的侵彻深度误差为3.4%，表面开孔直径的误差为2.9%，证明了数值模拟结果的准确性。

4 结 论

(1) 圆柱-半球结合药型罩形成射流头部的方式与半球形药型罩不同，因此其射流的头部速度发生了变化，相对半球形药型罩提升约16.67%。

(2) 与半球形药型罩相比，圆柱-半球结合药型罩形成射流的侵彻能力提高了16.82%，且基本上仍然保持了半球形药型罩开孔大且均匀的优势。

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