低密度药型罩形成射流毁伤元数值仿真研究

张 娜 贾春月

（九江国科远大机电有限公司，江西 九江 332000）

0 前言

该文研究的以尼龙为材料的低密度药型罩可以作为穿-破式串联战斗部的前级聚能装药的药型罩，利用爆炸反应装甲的夹层装药对低声阻抗材料不敏感的特点，采用尼龙为材料的药型罩作为穿-破式串联破甲弹前级聚能装药可以使其在装药爆轰下形成低密度射流，在穿透反应装甲的同时，不引爆反应装甲夹层炸药，实现穿而不爆的特性，从而使后级主射流能够直接侵彻主装甲。

1 尼龙的射流毁伤元数值仿真分析

1.1 尼龙射流成形的仿真分析

分析在装药口径D=60 mm、装药高度H=60 mm、锥角2α=60°且药型罩壁厚δ=2.0 mm 的情况下尼龙的聚能射流。

1.1.1 有限元模型的建立

聚能装药结构如图1 所示，采用顶端中心起爆方式压垮尼龙药型罩，以形成射流。

在数值计算中，为了避免射流成型的过程中会出现网格变形的情况，该文采用Euler 算法，求解器为2D 多物质欧拉求解器，网格尺寸设置为2 个/mm，并对射流经过的中心区域的网格进行加密。

在建立有限元模型的过程中，因为聚能装药结构为轴对称回转体，所以建立AUTODYN-2D 有限元模型，并在空气域边界处加上Flow out 边界条件来消除边界效应。

1.1.2 尼龙射流的成形

经过数值仿真可以得到不同时刻尼龙药型罩的聚能射流的成形状态。

图1 聚能装药药型罩几何结构尺寸

射流形成过程的数值模拟包括4 个过程，分别为成型装药的爆轰、药型罩的压垮、射流的初步形成以及射流的拉伸。可以将射流形成的过程看作二维轴对称问题。

如图2 所示，尼龙射流有聚能射流的典型特征。药型罩在爆轰波的作用下，在对称轴处做加速运动并发生碰撞，药型罩内侧形成高速的聚能射流，外侧速度比较低的一则形成杵体，在完成炸药爆轰的一瞬间，其射流头部也刚刚形成，爆轰波对尼龙药型罩继续作用，其药型罩被连续压垮，致使尼龙的射流质量和能量不断流入，射流头部的速度继续加快，直到速度达到最大值。随着尼龙的射流质量及能量流入逐渐降低，其射流头部速度也随之降低，并且沿着其射流长度的方向递减，由于射流内部存在速度梯度，因此其射流随时间的推移被不断拉长。

当t 为0 μs～10 μs 时，药型罩在爆轰作用下被压垮随之闭合，由于药型罩单位微元之间互相碰撞，因此内层材料微元在轴线被压垮的过程中从药型罩中被高速“挤压”出来，从而形成射流头部。当t 为10 μs～30 μs 时，被高速“挤压”出来的材料微元聚合形成射流，由于沿射流长度方向存在速度梯度，因此射流随着时间的推移不断地拉伸并向前运动；当t 为30 μs～50 μs 时，受材料的物化性质等因素的影响，射流形成颈缩且射流基本稳定。

影响射流性能的2 个重要因素就是聚能射流的头部速度和速度梯度。一般情况下，聚能射流的头部速度越高，速度梯度就越大，射流性能越好，其侵彻能力越强。不同时刻尼龙射流的速度云图如图3 所示。

不同时刻下尼龙射流头部速度的数值见表1。

图2 尼龙聚能射流的形成过程

2 药型罩结构参数对射流毁伤元的影响

2.1 不同药型罩结构参数对射流头部速度的影响

2.1.1 不同壁厚对射流头部速度的影响

不同壁厚对射流头部速度的影响如下：在装药长径比、锥角均不发生改变的情况下，即在装药口径D=60 mm、装药高度H=60 mm 且锥角2α=60°的情况下，只讨论药型罩壁厚对尼龙射流头部速度的影响，由于射流头部的速度也有梯度，因此这里的头部速度是指射流头部最大的速度。

尼龙壁厚δ 分别为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

表1 不同时刻下尼龙射流的头部速度数值表

图3 不同时刻尼龙聚能射流速度云图

图4 为不同壁厚下尼龙射流头部速度随时间变化的曲线图。由图4 可知，对不同壁厚的尼龙药型罩来说，随着尼龙药型罩壁厚的增加，药型罩被压垮的速度降低，形成的射流头部速度也会降低。

图4 不同壁厚下射流头部速度随时间变化的曲线图

2.1.2 不同装药长径比对射流头部速度的影响

为了研究药型罩长径比对射流的影响，在药型罩锥角、药型罩壁厚均不发生改变的情况下，即在药型罩锥角2α=60°、壁厚δ=2.0 mm 的情况下，只讨论装药长径比对射流头部速度的影响。

在尼龙药型罩口径不改变的前提下，要改变装药结构就只能通过装药高度来改变药型罩的长径比，取装药口径D=60 mm，装药高度H 分别为56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78 mm，即在装药长径比分别为0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情况下，研究装药长径比的变化对尼龙射流头部速度的影响。

图5 为当装药长径比为0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 时尼龙射流头部速度随时间的变化曲线图。由图5 可知，尼龙射流其头部速度随长径比的增加而加快。可以从以下2个阶段分析装药长径比对射流头部速度的影响：1） 当时间为0 μs～5 μs 时，在装药长径比较小的情况下，由于装药量少，因此爆轰波很快就作用在药型罩上，使药型罩在很短的时间内就有了较高的速度；而在装药长径比较大的情况下，由于装药量多，因此爆轰波要在几微秒之后才能作用在药型罩上，延缓了药型罩有较高速度的时间。这一现象具体表现为装药长径比越大，射流曲线发生转折的时间就越晚。2） 当时间为5 μs 时，因为受装药量的影响，装药越多的射流的能量越高，所以射流头部的速度越快。长径比越大的药型罩装药量越大，因此装药长径比越大，射流头部速度就越快。

2.1.3 不同锥角对射流头部速度的影响

在装药长径比、药型罩壁厚均不发生改变的情况下，即在装药口径D=60 mm、装药高度H=60 mm 且壁厚δ=2.0 mm的情况下，只讨论药型罩锥角对射流头部速度的影响，取锥角为50°、55°、60°、65°以及70°时的装药结构进行分析。

图5 不同装药长径比下射流头部速度随时间变化的曲线图

图6 为不同锥角下尼龙射流头部速度随时间变化的曲线图。由图6 可知，尼龙射流头部速度随时间的变化趋势相同，且都随药型罩锥角的增加而减少。

综上所述，要想使射流头部速度达到最大值，就可以在适当范围内选择药型罩壁厚小、药型罩锥角小且装药长径比大的药型罩结构。

2.2 不同药型罩结构参数对射流长度的影响

2.2.1 不同壁厚对射流长度的影响

在装药长径比、锥角均不发生改变的情况下，即在装药口径D=60 mm、装药高度H=60 mm 且锥角2α=60°的情况下，只讨论药型罩壁厚对尼龙射流长度的影响。取壁厚δ 为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

不同时刻不同壁厚的尼龙射流长度见表2。由表2 可知，由于尼龙药型罩壁厚和射流的质量都比较小，因此壁厚小的尼龙药型罩的射流稳定性较差。在射流断裂前比较不同壁厚的射流长度可以发现，随着药型罩壁厚的增加，射流长度逐渐缩短，壁厚为2.5 mm～4.0 mm 的尼龙射流在60 μs～70 μs 时就开始断裂了。

由图7 可知，尼龙射流的长度随药型罩壁厚的增加而缩短。其射流最长的应该是壁厚最小的一组，由于壁厚小的尼龙射流稳定性不好，因此在这5 组尼龙射流中射流长度最长的是壁厚为2.5 mm 的射流。

2.3 不同药型罩结构参数对射流形状的影响

2.3.1 不同药型罩锥角对射流形状的影响

在装药长径比、药型罩壁厚均不发生改变的情况下，即在装药口径D=60 mm、装药高度H=60 mm 且壁厚δ=2 mm的情况下，只讨论药型罩锥角对射流形状的影响，对锥角为50°、55°、60°、65°以及70°时的装药结构进行分析。

如图8 所示，随着药型罩锥角的增加，尼龙射流的连续性和一致性逐渐变好，比较明显的就是尼龙射流的连续性。由图8 可知，当时间为50 μs 时，锥角为50°的尼龙射流头部已经断裂，尾部已经变成颗粒状，而锥角为70°的射流还没出现断裂，锥角为50°～70°的尼龙射流在50 μs 时已经形成了很成熟的侵彻体。

表2 不同时刻不同壁厚的尼龙射流长度

图6 不同锥角下射流头部速度随时间的变化曲线图

图7 不同壁厚的尼龙射流的长度随时间的变化曲线

2.3.2 不同装药长径比对射流形状的影响

装药口径D=60 mm，装药高度H 分别为56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78mm，即在装药长径比分别为0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情况下，研究长径比的变化对尼龙射流形状的影响。

由图9 可知，在50 μs 时长径比为0.9 和1.0 的尼龙射流尾部已经断裂，从总体上来说，这5 组尼龙射流在头部都发生多处的颈缩，也有断裂的趋势，射流的断裂会使射流的有限长度变短，从而对目标的侵彻产生影响。

图8 在50 μs 时尼龙射流在不同锥角下的形状

图9 在50 μs 时不同长径比的尼龙射流的形状

3 结论

该文主要研究了射流的成型、药型罩结构参数对射流的影响。从尼龙射流的成型来看，尼龙所形成的射流都具有典型聚能射流的一切特征，有压垮、拉伸、颈缩和断裂4 个阶段。从药型罩结构参数对射流的影响来看，取5 组不同的装药参数（药型罩壁厚、药型罩锥角以及装药长径比），研究其对尼龙射流的影响，并对尼龙材料的药型罩所形成的射流的成型性能（射流长度、射流速度）进行对比。

通过该文的相关研究可以得出以下4 个结论：1） 对不同壁厚的尼龙药型罩来说，随着药型罩壁厚的增加，形成射流头部速度逐渐降低。2） 尼龙药聚能装药长径比越大，射流头部速度越快。3） 要使尼龙射流头部速度达到最大值，可以在适当范围内选择药型罩壁厚小、药型罩锥角小且装药长径比大的药型罩结构。4） 尼龙射流的长度随药型罩壁厚的增加而缩短。