陳　莉，王志軍，尹建平，徐永杰，趙春龍

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原　030051)

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材料對(duì)截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響

陳莉，王志軍，尹建平，徐永杰，趙春龍

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原030051)

摘要：為了討論不同材料對(duì)截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)形成的影響情況，采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了對(duì)銅、鋁、鈦3種材料作為主藥型罩和鎢、鉭、鐵3種材料作為輔助藥型罩時(shí)形成的射流形態(tài)的情形，并選出最優(yōu)材料，然后在選出的材料結(jié)構(gòu)下討論了輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流成型的影響；研究表明：對(duì)于截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，選取鈦和鉭的材料組合優(yōu)于其他材料組合；輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流的成型影響并不大；研究結(jié)果可為聚能射流研究提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)值仿真；射流；截頂輔助藥型罩結(jié)構(gòu)

本文引用格式：陳莉，王志軍，尹建平，等.材料對(duì)截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(7):20-22.

Citation format:CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，et al.Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):20-22.

聚能裝藥也稱成型裝藥或空穴裝藥，自Von Foerster在他的著作中第一次用實(shí)驗(yàn)的方法證明了聚能裝藥爆炸效應(yīng)的存在，聚能裝藥到目前為止已經(jīng)在軍事上和民用上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。在軍事上，用于反裝甲目標(biāo)，包括攻擊目標(biāo)為坦克、混凝土結(jié)構(gòu)、防御工事、大型水面艦艇以及航空母艦等在內(nèi)的導(dǎo)彈、魚雷以及多種破甲彈[2-6]；在民用上，石油開采、礦山挖掘、隧道開通、水下切割等也都可以利用炸藥聚能作用。而隨著科技的進(jìn)步，裝甲車輛及坦克防護(hù)能力不斷提高，各種武器裝備防金屬射流侵徹的能力也大大提高，陶瓷復(fù)合裝甲、反應(yīng)裝甲、間隔裝甲等的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)聚能裝藥提出了新的要求，所以世界各國(guó)研究人員一直熱衷于有效提高反裝甲彈藥侵徹能力的研究。當(dāng)炸藥被引爆時(shí)，在空穴中集聚爆炸產(chǎn)物的能量，產(chǎn)生強(qiáng)大的聚能作用，更高效地利用炸藥做功。如果在空穴內(nèi)加一藥型罩，爆轟能量通過(guò)壓垮藥型罩將之匯聚成射流或者爆炸彈丸，能夠顯著提高能量轉(zhuǎn)化效率和能量密度，聚能裝藥所產(chǎn)生的聚能效果會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

截頂輔助藥型罩[7]就是將傳統(tǒng)截頂藥型罩進(jìn)行改進(jìn)，去掉截頂，取而代之一塊直徑稍大圓板型輔助藥型罩。王成等[8]對(duì)錐形鈦合金藥型罩、截頂錐形鈦合金藥型罩和截頂加片錐形鈦合金藥型罩聚能裝藥爆炸形成聚能射流過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了3種不同結(jié)構(gòu)的藥型罩所形成的射流速度和有效射流質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本文采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D對(duì)不同材料作為截頂輔助藥型罩的材料進(jìn)行數(shù)值仿真，并在選出的最優(yōu)材料結(jié)構(gòu)下討論了輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流成型的影響。

1模型建立

1.1幾何模型

截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)幾何模型，如圖1所示。其中：裝藥直徑D=100 mm，裝藥高度H=150 mm，鋼板壁厚δ=2 mm，主藥型罩壁厚δ1=1 mm，藥型罩夾角2α=50°，輔助藥型罩δ2=2 mm，直徑為38.9 mm，d=1 mm，L=69.9 mm；起爆方式選用裝藥頂端面起爆。

圖1　幾何模型

1.2有限元模型

截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)仿真幾何模型與仿真有限元模型，如圖2所示。由于該結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此采用Autodyn-2D 程序進(jìn)行二維計(jì)算，且只需建立1/2模型。炸藥、藥型罩以及空氣均采用Euler算法。為獲得較好的射流形態(tài)，在射流流經(jīng)通道上采用網(wǎng)格加密[9]的方式建立有限元模型；通過(guò)在空氣邊界上添加“FLOW OUT”邊界條件消除邊界效應(yīng)。材料采用軟件自帶材料庫(kù)中的材料[10],其中炸藥選用B炸藥，狀態(tài)方程為JWL，B炸藥主要參數(shù)如表1所示；主藥型罩材料和輔助藥型罩材料分別選取材料庫(kù)中的3種材料進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值模擬中單位制：cm-g-us-Mbar。

表1　B炸藥的主要材料參數(shù)

圖2　仿真模型

2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1射流成型過(guò)程

圖3為該結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的成型狀態(tài)。主裝藥起爆約15 μs后，輔助藥型罩首先受到爆轟壓力的作用，并作用于主藥型罩被壓垮、閉合，在中心發(fā)生相互碰撞、擠壓，25 μs 時(shí)已完成匯聚，形成高速侵徹體，頭部速度可達(dá) 10 000 m/s以上，由于頭尾速度差的存在，侵徹體在運(yùn)動(dòng)中逐漸拉伸，出現(xiàn)勁縮現(xiàn)象，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到一定炸高時(shí)射流被拉斷。由圖3看出該結(jié)構(gòu)的主藥型罩在被壓垮閉合過(guò)程中具有射流成型各階段的典型特征。

圖3　射流成型過(guò)程

2.2材料對(duì)截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值仿真及結(jié)果分析

本文采用的截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)有主藥型罩和輔助藥型罩兩種材料，在本文的計(jì)算中主藥型罩采用了銅、鋁和鈦3種材料，輔助藥型罩采用鎢、鉭和鐵3種材料。40 μs時(shí)不同組合裝藥結(jié)構(gòu)的射流成型結(jié)果如圖4所示。

從成型效果來(lái)看，銅射流成型后形成的杵體較大，這樣形成的有效射流質(zhì)量就會(huì)變小，相較而言鋁和鈦射流成型后杵體較小，形成的有效射流質(zhì)量會(huì)高；從圖中還可看出鐵作為輔助藥型罩材料時(shí)會(huì)影響射流的成型。

圖4　40 μs時(shí)射流成型效果圖

附注：圖標(biāo)中前邊的材料為主藥型罩材料，后邊的材料為輔助藥型罩材料；銅、鐵的結(jié)構(gòu)無(wú)法成型。

該結(jié)構(gòu)形成的侵徹體的性能參數(shù)如表2所示：

表2　計(jì)算結(jié)果

由表2可知，截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)可以較好地形成高速射流并有效地提高了藥型罩材料的利用率。從計(jì)算結(jié)果可以看出，由3種藥型罩材料組成的截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流頭部速度均能達(dá)到10 000 m/s以上，但是鋁和鈦材料形成射流的有效質(zhì)量高于銅材料，銅和鈦材料形成射流的總能量高于鋁材料。

綜合考慮，從射流頭部速度、射流總能量、有效射流長(zhǎng)度比及有效射流質(zhì)量比來(lái)分析，在本文所選的材料中鈦優(yōu)于銅和鋁；考慮到射流的成型狀態(tài)，鈦和鉭材料的組合是最優(yōu)選擇。

2.3輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流成型的影響

本文2.2節(jié)中得出鈦和鉭的材料組合是該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)選擇，所以本節(jié)以截頂輔助藥型罩結(jié)構(gòu)為裝藥結(jié)構(gòu)，并以鈦?zhàn)鳛橹魉幮驼帧g作為輔助藥型罩材料，本節(jié)主要討論輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流成型的影響，通過(guò)變換輔助藥型罩到罩底的距離，即圖1中L的距離來(lái)觀察射流的成型及形成侵徹體的性能。本節(jié)中對(duì)L選取了8.19 mm、7.79 mm、7.39 mm及6.99 mm 4個(gè)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　40 μs時(shí)計(jì)算結(jié)果

從表3中可以看出，改變輔助藥型罩到罩底的距離L后不論是射流的頭尾速度、能量，還是有效射流的長(zhǎng)度比例、質(zhì)量比都沒有太大的變化。所以輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流的成型影響并不大。

4結(jié)論

采用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D就材料對(duì)截頂輔助藥型罩形成聚能侵徹體的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，仿真研究結(jié)果表明：

1) 在所選的材料中，對(duì)于截頂輔助藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)而言，鈦?zhàn)鳛橹魉幮驼智毅g作為輔助藥型罩的裝藥形成的射流優(yōu)于其他材料，并且形成的射流速度高、質(zhì)量大和能量高，更能滿足實(shí)際需要。

2) 對(duì)于同一種材料的截頂輔助藥型罩而言，輔助藥型罩位置的變化對(duì)射流的成型影響不大。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-29；修回日期：2016-02-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(11572291)；中北大學(xué)第十二屆研究生科技基金項(xiàng)目(20151210，20151205)

作者簡(jiǎn)介：陳莉(1989—)，女，碩士研究生，主要從事高效毀傷技術(shù)與仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.005

中圖分類號(hào)：TJ413

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)07-0020-04

Effect of Material on Additional Body of a Trunconical Liner Shaping Shaped Charge Penetrator

CHEN Li，WANG Zhi-jun，YIN Jian-ping，XU Yong-jie，ZHAO Chun-long

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:In order to discuss the reaction of jet which different materials for structure of a additional body of a trunconical liner, numerical simulations of this situation were carried out by AUTODYN-2D software, and the shape of jet of main liner of copper, aluminum, titanium and auxiliary liner of tungsten, tantalm iron and choosing the best material were discussed. The reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner under the selected material was discussed. The results show that the group of titanium and tantalum is better than others in the selected material for structure of a additional body of a trunconical liner; and the reaction of shape of jet under the change of place of auxiliary liner is little, which will provide reference for the achievement of penetration without detonation.

Key words:numerical simulation; jet; structure of additional body of trunconical liner

【裝備理論與裝備技術(shù)】