李運(yùn)祿，尹建平，劉同鑫，伊建亞

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

隨著裝甲防護(hù)和戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷快速發(fā)展，近些年成型裝藥［1］取得了很大的進(jìn)展，不同形式的聚能裝藥得到了廣泛的應(yīng)用。亞半球藥型罩［2］作為眾多藥型罩結(jié)構(gòu)中的一種，它是采用近小半球的藥型罩，由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，形成射流的速度比較小，多數(shù)情況下被用來穿透“軟”目標(biāo)，也可用于各種中遠(yuǎn)距離目標(biāo)的侵徹。

藥型罩已經(jīng)被深入研究很久，其中亞半球藥型罩也已被做了不同方面的分析，并且取得了很大的進(jìn)展，如廖海平［3］對(duì)亞半球藥型罩的桿式射流成型(JPC)的一些特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，得出亞半球罩有效炸高約為24倍裝藥口徑，并且證明對(duì)炸高不敏感和后效大的相關(guān)特性;張先峰［4］對(duì)亞半球藥型罩射流成型和侵徹靶板過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)侵徹過程速度變化原因、侵徹深度以及孔徑進(jìn)行了相關(guān)分析。K裝藥［5］是K.Miattsson等通過采用矮短的藥型罩結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的隔爆材料或先進(jìn)的起爆技術(shù)設(shè)計(jì)的一種小長(zhǎng)徑比的聚能裝藥結(jié)構(gòu)。K式裝藥對(duì)亞半球藥型罩桿式射流成型的影響還沒有太多的研究，與傳統(tǒng)聚能裝藥相比，K式裝藥具有更高的能量利用率，更好的能量分布，具備射流速度大、質(zhì)量大、侵徹能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

本研究利用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D就隔板的直徑、隔板底部距藥型罩頂部距離、隔板材料對(duì)K式裝藥的亞半球藥型罩射流成型的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，最后用正交設(shè)計(jì)方法［6-7］分析隔板參數(shù)對(duì)射流速度影響的主次因素，該研究結(jié)果可為亞半球聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究提供參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

亞半球藥型罩K裝藥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有:裝藥長(zhǎng)徑比L/D為1，藥型罩口徑D為60 mm，藥型罩內(nèi)曲率半徑R1為31.05 mm，外曲率半徑R2為33.25 mm，藥型罩高度Hh為57.75 mm，殼體厚度為2.2 mm，隔板頂部距殼體距離h為5 mm，d為隔板直徑，H為隔板底部距藥型罩頂端距離。起爆方式采用點(diǎn)起爆，起爆點(diǎn)位置在裝藥頂端面中心。

圖1 K裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 材料模型

利用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D建立有限元模型，由于模型的軸對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行二維計(jì)算，且只需建立1/2模型。炸藥、隔板、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。材料采用軟件自帶材料庫(kù)中的材料［8］，其中炸藥選用 B炸藥，狀態(tài)方程為JWL;藥型罩材料選用無(wú)氧高導(dǎo)電性銅，其狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型分別為Shock和Steinberg Guinan;隔板材料選取材料庫(kù)中的5種材料進(jìn)行對(duì)比。材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 藥型罩和B炸藥的主要材料參數(shù)

2 隔板對(duì)桿式射流成型的影響

隔板［9］是指在炸藥裝藥中，藥型罩與起爆點(diǎn)之間設(shè)置惰性體或低速爆炸物。采用隔板的目的是改變爆轟波形，控制爆轟方向和爆轟到達(dá)藥型罩的時(shí)間，提高爆炸載荷，使炸藥的能量較充分的作用在藥型罩上，提高作用在藥型罩上的爆壓。從而增加射流速度，達(dá)到提高破甲威力的目的。

隔板材料的選擇通常主要考慮兩方面因素:一方面是隔爆效果，另一方面是材料要有一定的強(qiáng)度。隔板對(duì)爆轟波形的影響，與隔板的幾何尺寸、形狀以及材料等參數(shù)有關(guān)。下面就隔板幾何尺寸和材料兩方面對(duì)桿式射流成型的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.1 有無(wú)隔板對(duì)桿式射流成型的影響

首先就隔板對(duì)亞半球聚能裝藥桿式射流成型的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如表2所示。

表2 隔板對(duì)射流成型的影響

在50 μs時(shí)刻，無(wú)隔板時(shí)形成的射流頭部速度約為2 185 m/s，有隔板時(shí)形成的射流頭部速度約為3 500 m/s，從表中可以看出增加隔板后對(duì)于射流頭部速度提高了37.6%，裝藥能量轉(zhuǎn)化率從9.3%提高到 15.7%，提高了 6.4%。

2.2 隔板直徑對(duì)桿式射流成型的影響

為研究隔板直徑對(duì)射流成型的影響，文中選取了隔板直徑 d依次為 46 mm、48 mm、50 mm、52 mm、54 mm和56 mm 6種計(jì)算方案進(jìn)行數(shù)值模擬。從以上計(jì)算結(jié)果可知，桿式射流成型在50 μs時(shí)刻比較穩(wěn)定且沒有發(fā)生斷裂，所以分析隔板直徑對(duì)桿式射流成型的影響，模擬結(jié)果均取自50 μs時(shí)刻，具體參數(shù)如表3所示。

表3 隔板直徑對(duì)射流成型的影響

由表3中計(jì)算結(jié)果可知，隨著隔板直徑的不斷增大，射流頭部速度逐漸遞增。由圖3可以明顯的看出:當(dāng)隔板直徑為54 mm時(shí)，在距射流頭部大約1/3處射流呈現(xiàn)出斷裂的跡象，在約67 μs時(shí)刻射流完全斷裂;當(dāng)隔板直徑為56 mm的時(shí)候，在距射流頭部大約1/2處射流出現(xiàn)輕微斷裂跡象，在約67 μs時(shí)刻，射流從中間完全斷裂。綜上可知:在設(shè)計(jì)隔板時(shí)，隔板直徑的選取不能為了增加射流速度而不斷增大直徑，因?yàn)楦舭逯睆讲粩嘣龃髸?huì)致使射流不穩(wěn)定甚至斷裂。對(duì)于本裝藥結(jié)構(gòu)模型，隔板的直徑在48～52 mm中選取比較合適，隔板直徑約為藥型罩口徑的83%時(shí)，既可以使射流速度明顯提高，同時(shí)還可以保證其穩(wěn)定性而不至于斷裂，射流成型效果最好。

圖2 不同隔板直徑形成的射流性能參數(shù)曲線

圖3 隔板直徑對(duì)射流成型的影響

2.3 隔板底部距藥型罩頂部距離H對(duì)桿式射流成型的影響

為研究隔板底部距藥型罩頂部距離對(duì)桿式射流成型的影響，選取 H依次為 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm七種方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖4 藥型罩距隔板距離對(duì)射流成型的影響

由圖4可以看出:隨著隔板底部距藥型罩頂部距離的增加，射流頭部和尾部速度變化比較平緩，當(dāng)H為1～5 mm時(shí)，射流頭部速度緩慢增大;當(dāng)H為5～7 mm時(shí)，射流頭部速度逐漸減小。對(duì)于射流動(dòng)能呈現(xiàn)逐漸遞增特點(diǎn)，當(dāng)H為1～4 mm時(shí)，射流動(dòng)能快速遞增;當(dāng)H為4～7 mm時(shí)，射流動(dòng)能增加相對(duì)緩慢。綜合考慮，隔板底部距藥型罩頂部距離H對(duì)射流速度影響并不明顯，選取不宜過大，對(duì)于本結(jié)構(gòu)模型H/L約為8.3%時(shí)形成桿式射流較好。

2.4 隔板材料對(duì)桿式射流成型的影響

選取AUTODYN-2D軟件自帶材料庫(kù)中的聚氨酯、橡膠、尼龍、聚四氟乙烯和聚苯乙烯5種作為隔板材料，對(duì)亞半球藥型罩射流成型的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。基于上述對(duì)隔板參數(shù)的研究，對(duì)該結(jié)構(gòu)模型選定d=52 mm，H=5 mm，t=50 μs做對(duì)比分析。

由表4仿真結(jié)果分析可知:聚氨酯、橡膠、尼龍和聚苯乙烯4種隔板材料在50 μs時(shí)，射流分布均勻，穩(wěn)定性好，均沒有發(fā)生斷裂的跡象。聚四氟乙烯在50 μs時(shí)，雖然頭部速度最大，但在射流中間位置出現(xiàn)輕微斷裂的跡象，在70 μs左右，射流從中間位置發(fā)生斷裂，作為隔板材料不太理想。綜合射流速度、內(nèi)能和動(dòng)能三方面對(duì)射流成型的影響分析得出，橡膠作為隔板材料時(shí)最差，聚氨酯和聚苯乙烯次之，二者無(wú)論是在射流速度還是在內(nèi)能和動(dòng)能方面相差都不大，與尼龍相比較差一些，因此選取尼龍作為隔板材料時(shí)效果最佳。

表4 隔板材料對(duì)射流成型的影響

3 隔板的正交設(shè)計(jì)分析

為研究隔板直徑和隔板底部距藥型罩頂部距離對(duì)桿式射流成型的影響因素主次，下面通過正交設(shè)計(jì)的方法對(duì)隔板參數(shù)在不同方案水平組合下進(jìn)行數(shù)值模擬，然后通過數(shù)據(jù)處理得到雙因素對(duì)射流速度影響的主次。

以桿式射流成型在50 μs時(shí)刻的速度作為參考指標(biāo)，選取因素為隔板直徑 d分別為50 mm和52 mm，隔板底部距藥型罩頂部距離H分別為4 mm和5 mm兩個(gè)水平，設(shè)計(jì)方案如表5所示。

表5 正交方案設(shè)計(jì)與結(jié)果

分析表5中的計(jì)算結(jié)果可知:隔板直徑d的極差127.5相比較隔板底部距藥型罩頂部距離H的極差2.5大51倍，隔板直徑是影響射流速度的主要因素，隔板距藥型罩頂部距離H對(duì)形成射流速度的影響是次要因素，在設(shè)計(jì)隔板時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮其直徑。

4 結(jié)論

通過采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D就隔板對(duì)亞半球藥型罩射流成型的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)亞半球藥型罩得出以下主要結(jié)論:

1)有隔板相比無(wú)隔板時(shí)的亞半球藥型罩，提高了裝藥能量的轉(zhuǎn)化率和桿式射流的速度。

2)通過分析隔板參數(shù)對(duì)亞半球藥型罩的射流成型的影響可以得出，對(duì)于該結(jié)構(gòu)射流速度隨著隔板直徑d的增大逐漸增大，當(dāng)d達(dá)到一定程度時(shí)，射流在不同部位出現(xiàn)斷裂;而隨著隔板底部距藥型罩頂部距離H的增大，射流動(dòng)能不斷增加，射流速度變化比較平緩，呈現(xiàn)先增加后減少的特點(diǎn)，故H的選取不宜過大。

3)通過對(duì)比分析5種不同隔板材料對(duì)亞半球藥型罩成型射流速度和穩(wěn)定性的影響，得出尼龍作為隔板材料時(shí)效果最好。

4)通過采用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，表明隔板直徑是響射流速度的主要因素，隔板底部距藥型罩頂部距離對(duì)射流速度的影響是次要因素。

［1］譚多望，孫承緯.成型裝藥研究新進(jìn)展［J］.爆炸與沖擊，2008，28(1):50-55.

［2］李向榮.巡航導(dǎo)彈目標(biāo)易損性與毀傷機(jī)理研究［D］.北京:北京理工大學(xué)，2006.

［3］廖海平，黃正祥，張先鋒，等.亞半球罩聚能裝藥的桿式射流特性研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(6):91-94.

［4］張先峰，陳惠武.三種典型聚能射流侵徹靶板數(shù)值模擬［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(19):4399-4401.

［5］姚志華，王志軍，王向東，等.緊湊型聚能裝藥射流成型的數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32(5):79-82.

［6］付建平，陳智剛，侯秀成，等.罩頂藥高對(duì)有隔板聚能裝藥的影響［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2013，12(6):70-73.

［7］唐蜜，楊勁松，李平，等.爆炸成型彈丸成型因素的正交設(shè)計(jì)研究［J］.火工品，2006(5):38-40.

［8］ANSYS AUTODYN User Manual:Release 12.1［M］.ANSYS In，November 2009.

［9］尹建平，王志軍.彈藥學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2012.