结构参数对新型聚能装药性能影响的数值分析

王一凡，王志军，袁毓雯，汤雪志

(1 中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.西北机电工程研究所， 陕西 咸阳 712099)

目前，成型装药领域发展的射流(ShapedChargeJet，简称JET)、杆式射流(JettingProjectileCharge，简称JPC)、爆炸成型弹丸(ExplosivelyFormedProjectile，简称EFP)各具特点。射流头部速度高，但速度梯度大，药型罩材料利用率低；爆炸成型弹丸药型罩材料利用率高并且适合远距离攻击，但速度相对较低；杆式射流则兼具射流与EFP的优点，既可以保持较高的速度，又可以提升药型罩的材料利用率。因此，杆式射流成为国内外战斗部技术研究的热点[1]。

基于此，众多学者对聚能杆式射流的成型以及性能优化进行了研究。徐文龙等[2]提出了一种新型高速杆式聚能装药结构，解决了射流炸药能量利用率低、速度小的缺点；黄松等[3]证明了改变起爆方式可以实现两种毁伤元的转换，中心点起爆时，得到三层串联EFP，周向多点同时起爆时得到三层串联JPC；张新等[4]研究了VESF板对聚能杆式射流成型的影响；刘亚昆等[5]研究分析了亚半球罩外曲率半径、罩高等参数对杆式射流头部速度以及头尾速度差的影响规律；徐斌等[6]提出了一种新型聚能装药结构，通过添加直线型辅助装置改变射流碰撞区域，揭示高速杆式射流的形成过程；胡晓敏等[7]研究了药型罩结构对超聚能射流性能的影响，结果表明射流速度与长度随着锥角的增加而增加；石军磊等[8]研究了辅助药型罩材料对超聚能射流性能的影响，证明了辅助药型罩材料密度越大，射流形态和连续性越好。

本文通过对球缺药型罩添加弧线型开口辅助装置来改变射流运动方向，使得沿辅助装置运动的射流方向与轴线方向的夹角不断减小，实现EFP向JPC的转化，通过改变辅助装置水平厚度、开口直径以及材料，实现对射流的优化。

1 建立模型

1.1 几何模型

装药结构几何模型如图1所示，由壳体、B炸药、药型罩、辅助装置组成。装药直径D=60 mm，装药高度为80 mm，壁厚2 mm，罩高为19.8 mm，药型罩外曲率半径为35.29 mm，内曲率半径为33.49 mm，辅助装置外曲率半径为69.08 mm，水平厚度为a，开口直径为L。

图1 装药结构几何模型示意图

1.2 有限元模型

有限元模型如图2所示。该结构为轴对称结构，只需建立1/2模型；其中壳体、装药、药型罩、辅助装置采用Euler算法，靶板采用Lagrange算法；空气域边界类型定义为Flow-Out，所有物质可以流出，模拟无限空间；为更好地观察射流的成型过程，对射流经过的区域进行网格加密，如图3所示；在辅助装置出口处设置第一个高斯点，之后每隔一个装药直径长添加一高斯点；起爆方式采用中心点起爆。

图2 有限元模型示意图

图3 模型网格划分示意图

材料采用软件自带材料库中的材料，其中炸药选用B炸药，密度为1.717 g/cm3，爆速为7 980.001 m/s，爆压为2.95×107kPa，药型罩材料为铜、壳体材料为钢、辅助装置材料分别采用钢和钽，进一步研究辅助装置材料密度的不同对射流速度的影响。具体材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2 数值模拟结果与分析

2.1 侵彻体成型过程

当辅助装置材料选用钢，结构参数a取4.0 mm、L取7.5 mm 时，侵彻体成型过程如图4所示。装药起爆后爆轰波开始向药型罩运动，9 μs时爆轰波到达药型罩顶部，药型罩发生塑性变形而被压垮，在16 μs时翻转成平板，之后药型罩顶部继续沿着轴线方向运动，底部开始沿着辅助结构表面运动，此时，沿辅助装置表面移动的药型罩速度方向与轴线方向的夹角不断减小，在21 μs时，药型罩顶部到达辅助装置出口处，随后，药型罩进一步被压垮、射流进一步拉伸，最终形成JPC。

图4 JPC成型过程示意图

当去掉辅助装置时，侵彻体成型过程如图5所示，可以发现：侵彻体在成型初期与图4中前16 μs相似，21 μs时药型罩中部向前运动，边部迟后并向对称轴收缩成为尾部，最终形成EFP。

图5 EFP成型过程示意图

2.2 两种侵彻体对比分析

2.2.1速度对比与分析

对于装药直径为60 mm，装药高度为80 mm这一装药结构，辅助装置的添加可以实现EFP向JPC的转化。两种侵彻体在各高斯点处的轴向速度如图6所示。

图6 两种毁伤元高斯点处轴向速度曲线

由图6分析可得，通过对球缺药型罩添加辅助装置，使得新成型的杆式射流在轴线上的碰撞速度以及头部速度均有了明显的提升，同时还保留了EFP药型罩利用率高，速度梯度小的优点。具体比较45 μs时两种毁伤元的参数，此处直径为密实处直径，基本参数如表2所示。由表可知：添加辅助装置后，JPC的长度是EFP长度的1.77倍，射流头部速度由原先的3 243.7 m/s提高到4 763.5 m/s，提高了46.85%。

表2 45 μs时EFP和JPC的基本参数

2.2.2侵彻效果对比

为了研究同一装药结构下EFP和JPC对靶板的侵彻效果，在2D炸高处，设置了200 mm×80 mm的靶板，材料为钢。两种毁伤元在70 μs时对钢板的侵彻情况如图7所示。

对比可得：EFP侵彻靶板最大孔径为9.5 mm，孔深为23 mm，此时剩余头部速度为1 044.6 m/s；JPC侵彻靶板最大孔径相对于EFP较小，为4.6 mm，孔深为29 mm，剩余头部速度为1 634.7 m/s。

2.3 辅助装置参数a对JPC的影响

为了讨论辅助装置轴向宽度a对JPC成型的影响，选取装药尺寸、辅助装置材料为钢以及开口直径L=7.5 mm不变，设计了辅助装置轴向宽度a分别为4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm三种情况进行数值模拟，得到JPC在45 μs时的基本参数如表3所示。

表3 45 μs时JPC的基本参数

对比分析可得：辅助装置水平宽度的改变对射流的连续性有影响，当a=4.0 mm时，射流连续性较好，随着a的增加，射流出现断裂情况，当a=6.0 mm时，射流出现两处断裂；同时随着a的增加，射流头部速度不断增大，尾部速度不断减小，头尾速度差增大。这是因为水平宽度a的增加，使得射流在经过辅助装置水平段时受径向压力作用的时间更长，从而造成射流出现断裂的现象。

2.4 辅助装置参数L对JPC的影响

为了讨论辅助装置开口直径L对JPC成型的影响，选取装药尺寸、辅助装置材料为钢以及水平宽度a=5.0 mm不变，设计了辅助装置开口直径L分别为6.5 mm、7.0 mm、7.5 mm、8.0 mm四种情况进行数值模拟，得到JPC在45 μs时成型情况与速度大小如表4所示。

表4 45 μs时JPC的基本参数

对比分析可得：辅助装置开口直径的改变对射流成型有很大的影响，随着开口直径的增加，射流在辅助装置出口处直径增大，使得射流头部直径逐渐增大，同时射流长度在逐渐减小；开口直径的变化对射流速度也有影响，开口直径的减小导致射流头部速度增加，尾部速度减小，头尾速度差增大，当L减小到7 mm时，射流头部速度保持在5 158.2 m/s，此时继续减小L，速度增加不再明显。

2.5 辅助装置材料对JPC的影响

为了讨论辅助装置材料对JPC成型的影响，选取结构参数为a=5.0 mm，L=7.5 mm的辅助装置，将材料换为密度更大的钽。两种材料在100 μs时射流速度分布如图8所示。

图8 100 μs时射流速度分布曲线

对比分析可得：当辅助装置材料换为密度更大的材料时，JPC长度以及速度均有很大的提升，头部速度由原先的4 824 m/s变为5 173 m/s，提高了7.2%；但随着密度的增大，射流尾部速度降低，速度梯度增大，射流头尾速度差是材料为钢时的1.4倍。

3 结论

通过对球缺药型罩添加弧形辅助装置改变射流运动方向，可以实现EFP向JPC的转化；转化后的JPC头部速度相对于EFP提高了46.85%，长度是EFP长度的1.77倍，在侵彻钢板后，JPC剩余头部速度是EFP的1.56倍；辅助装置水平宽度a增加，射流头部速度明显增大；速度最大可达5 318 m/s；辅助装置开口直径L增加，使得射流长度和速度均减小，当L减小到7 mm时，射流头部速度保持在5 158.2 m/s，此时继续减小L，速度增加不再明显；辅助装置材料的改变对射流成型也有影响，选用密度更大的材料时，射流速度明显提升，材料选用钽相对于钢，速度提高了7.2%。