王維占,趙太勇,陳智剛,付 恒,楊大昭,張孝中

(中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,山西 太原 030051)

周向約束對桿式射流成型規(guī)律的仿真研究

王維占,趙太勇,陳智剛,付 恒,楊大昭,張孝中

(中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室,山西 太原 030051)

為了達(dá)到戰(zhàn)斗部減質(zhì)量并滿足裝藥特殊接口尺寸的要求,建立了三維有限元模型。利用LS-DYNA軟件對桿式射流成型過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,研究了周向約束對變壁厚球缺罩裝藥桿式射流成型規(guī)律的影響。研究結(jié)果表明:周向約束中的裝藥殼體壁厚及襯套材料、高度均對桿式射流的形態(tài)、速度分布有顯著影響,其中周向約束材料對射流的影響最大,殼體厚度、襯套高度次之。研究得出結(jié)論:在設(shè)計戰(zhàn)斗部周向約束時,合理匹配殼體壁厚,襯套材料、高度可有效改變射流形態(tài)和性能,同時可實現(xiàn)戰(zhàn)斗部減質(zhì)量及匹配裝藥接口尺寸要求。

周向約束;桿式射流;球缺罩;數(shù)值模擬

現(xiàn)代戰(zhàn)場目標(biāo)防護(hù)性能的提高對破甲、攻堅技術(shù)的要求越來越高。提高戰(zhàn)斗部威力,達(dá)到戰(zhàn)斗部減質(zhì)量及滿足串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級裝藥接口特殊要求,是現(xiàn)在研究的熱點之一。桿式射流是一種侵徹性能介于爆炸成型彈丸和聚能射流之間的聚能桿式侵徹體,它集中了聚能射流、爆炸成型彈丸的優(yōu)點,改變起爆方式、裝藥結(jié)構(gòu)、裝藥周向約束條件及藥型罩材料,是提高桿式射流性能的關(guān)鍵性因素。

張鈞等[1]進(jìn)行了變壁厚球缺罩成型和侵徹性能的研究,付建平等[2]進(jìn)行了雙層球缺罩形成復(fù)合桿式射流的研究,楊麗等[3]進(jìn)行了帶隔板裝藥的桿式射流成型試驗及侵徹特性分析研究,彭飛等[4]進(jìn)行了裝藥高度對反應(yīng)材料藥型罩聚能裝藥威力的影響的研究。周向約束條件作為戰(zhàn)斗部的重要組成部件,起著戰(zhàn)斗部外包裝和控制爆轟波形的雙重作用,其相關(guān)參數(shù)對桿式射流的影響不容忽視。鑒于國內(nèi)對裝藥周向約束條件對桿式射流成型規(guī)律影響的研究較少,故對不同周向約束條件對桿式射流成型規(guī)律的影響展開研究。

球缺罩為產(chǎn)生桿式射流的常見藥型罩,研究表明,當(dāng)球缺罩的高度和內(nèi)表面底直徑的比值在一定范圍內(nèi)時,可以產(chǎn)生桿式射流。與其他結(jié)構(gòu)桿式射流相比,球缺罩形成的桿式射流粗細(xì)均勻,速度梯度變化均勻,材料利用率與動能值均較高。故本文選取變壁厚球缺罩。通過LS-DYNA軟件對桿式射流的形成過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬,對形成的不同形態(tài)的桿式射流進(jìn)行形態(tài)分析。在保持藥型罩、裝藥高度不變的條件下,通過改變周向約束條件中殼體壁厚及襯套材料、高度實現(xiàn)爆轟波形控制,進(jìn)而分析桿式射流形態(tài)及性能,實現(xiàn)戰(zhàn)斗部減質(zhì)量,滿足特殊裝藥接口尺寸及提高戰(zhàn)斗部威力的要求,為應(yīng)用于破甲和攻堅技術(shù)的桿式射流選取提供參考依據(jù)。

1 周向約束條件設(shè)計

周向約束條件一般包括裝藥殼體和襯套2種約束條件,其中殼體壁厚及襯套高度、材料的不同均會導(dǎo)致桿式射流形態(tài)、性能的不同。周向約束條件變量包括:不同壁厚的鋼制殼體,壁厚、材料一致但高度不同的襯套,高度、壁厚一致但材料不同的襯套。以下是3種周向約束條件設(shè)計方案,圖1為襯套約束結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為殼體約束結(jié)構(gòu)示意圖。圖中h為襯套高度,h1為裝藥高度,b為襯套或殼體壁厚,D為裝藥直徑。

圖1 襯套約束結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 殼體約束結(jié)構(gòu)示意圖

①設(shè)計了壁厚為0(無殼裸裝藥),0.018D,0.036D,0.054D,0.072D,0.090D的45#鋼制殼體,分別以不同壁厚作為因變量,進(jìn)行數(shù)值模擬,分析桿式射流成型規(guī)律。

②設(shè)計了高度為0(無殼裸裝藥),0.45D,0.90D,1.35D,1.80D的45#鋼制襯套作為周向約束條件,襯套壁厚一致,以鋼襯高度作為因變量進(jìn)行數(shù)值模擬,分析桿式射流成型規(guī)律。

③設(shè)計了以活性材料PBX[5]為材料,壁厚為0.036D、高h(yuǎn)的襯套,進(jìn)行數(shù)值模擬,與惰性45#鋼制、2024鋁制材料襯套條件下形成的射流對比,分析對比桿式射流形態(tài)和性能。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型與算法

為節(jié)約計算時間,三維有限元模型采用1/4結(jié)構(gòu)建立,并將對稱約束條件設(shè)置于1/4模型的對稱面上。計算網(wǎng)格采用Solid164八節(jié)點六面體單元,炸藥、藥型罩及空氣均采用ALE算法,而戰(zhàn)斗部殼體采用Lagrange算法,它們之間的接觸作用采用流固耦合算法。在模型的邊界節(jié)點上施加壓力流出邊界條件,避免壓力在邊界上的反射[6]。

通過LS-DYNA軟件對桿式射流的成形過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。計算模型幾何尺寸:藥型罩底部內(nèi)直徑D1=55 mm,裝藥直徑D=55 mm,內(nèi)球半徑r1=29.5 mm,外球半徑r2=30 mm,裝藥高度h1=80 mm,殼體壁厚為b,襯套高度為h。

2.2 材料模型

本文算例中,藥型罩材料采用紫銅。外殼為惰性材料45#鋼、2024鋁和活性材料鈍感炸藥PBX。所有金屬材料模型都采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。主裝藥為8701炸藥,選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述。材料PBX選用ELASTIC_PLASTIC_HYDRO模型和IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE狀態(tài)方程來描述?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)材料(NULL)描述,對應(yīng)的狀態(tài)方程為多線性狀態(tài)方程。裝藥起爆方式采用中心點起爆。鈍感炸藥PBX材料參數(shù)見文獻(xiàn)[5],其他材料參數(shù)具體參見表1和表2。表1中,σA為靜態(tài)屈服應(yīng)力,B為應(yīng)變硬化系數(shù),n為應(yīng)變硬化指數(shù),C為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù),m為溫度相關(guān)系數(shù),ρ為金屬材料密度。表2中,Ajwl,Bjwl,R1,R2,ω均為炸藥的材料特性參數(shù),vD為炸藥的爆速,計算參數(shù)如表2所示。

表1 金屬材料參數(shù)

表2 8701炸藥參數(shù)

3 結(jié)果及分析

在不同周向約束條件下,通過數(shù)值模擬,對桿式射流的頭、尾部速度vtip,vtail,頭、尾部直徑Dtip,Dtail,桿式射流長度L、動能Ek及形態(tài)進(jìn)行對比分析。

3.1 殼體壁厚對桿式射流形態(tài)的影響

在保持其他條件不變的情況下,改變鋼制殼體壁厚依次進(jìn)行數(shù)值模擬。表3為不同厚度殼體條件下50 μs時刻各桿式射流形態(tài)參數(shù)及速度云圖,圖3為桿式射流動能與殼體壁厚之間的變化關(guān)系。

圖3中,b/D表示殼體相對壁厚,Ek為射流動能。由圖可知,桿式射流的動能隨鋼制殼體壁厚的增加而增加,但動能遞增梯度逐漸變緩,當(dāng)殼體壁厚增加一定范圍時,動能達(dá)到極值,基本不再變化。由表3可知,在殼體壁厚增加的同時,桿式射流頭部速度增大,速度梯度增大,頭、尾速度差增大,桿式射流頭部越來越細(xì)長,有斷裂成高速射流和低速侵徹體的趨勢,桿式射流穩(wěn)定性降低,不利于破甲侵深和攻堅開孔。

表3 不同壁厚殼體條件下仿真結(jié)果對比

圖3 桿式射流動能與殼體壁厚之間的變化關(guān)系

3.2 襯套高度對桿式射流形態(tài)的影響

在保持其他條件不變的條件下,選用壁厚0.036D、材料為45#鋼的襯套,改變襯套高度依次進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖4為桿式射流動能與襯套高度之間的變化關(guān)系,表4為襯套在不同高度條件下50 μs時刻各桿式射流形態(tài)及速度云圖的對比。

圖4 桿式射流動能與襯套高度之間的變化關(guān)系

表4 不同襯套高度條件下仿真結(jié)果對比

表4及圖4中h/D表示襯套相對高度,Ek為射流動能。由表4和圖4可知,在50 μs時刻,相對于無殼裝藥,隨襯套高度的增加,桿式射流頭、尾速度均增加,動能也隨之增加。當(dāng)襯套高度由0.9倍裝藥直徑繼續(xù)增加至1.8倍裝藥直徑時,桿式射流頭、尾速度,速度梯度,射流長度,射流動能基本保持不變;桿式射流的形態(tài)變化微小,形態(tài)優(yōu)良。

3.3 襯套材料對射流形態(tài)的影響

將高h(yuǎn),壁厚0.036D的襯套材料設(shè)置為活性材料PBX與惰性材料45#鋼、2024鋁,保持其他條件不變的條件下,進(jìn)行數(shù)值模擬,對桿式射流形態(tài)進(jìn)行分析對比。表5是在60 μs時刻以高密度鋼制材料、低密度鋁制材料和活性材料PBX作為襯套時桿式射流形態(tài)云圖的對比。

表5 不同材料條件下仿真結(jié)果對比

由表5分析可知,以材料PBX為襯套作為周向約束條件與以惰性材料鋼制襯套、鋁制襯套作為周向約束條件下形成的桿式射流形態(tài)明顯不同。PBX作為襯套材料條件下,所形成的桿式射流尾部形成環(huán)形空心,有較小杵體生成,頭、尾速度差較大,射流易斷裂失穩(wěn)。45#鋼為襯套材料條件下,所形成的桿式射流呈滴管狀,尾部杵體較大,密實度較好,桿式射流頭部速度大,動能最大,形態(tài)、密實度較好。2024鋁作為襯套材料的條件下,桿式射流尾部有崩落環(huán)產(chǎn)生,且密實度較差,同時伴有杵體生成,射流頭部較粗,頭、尾速度差較小,頭部速度較小,與裸裝藥條件下產(chǎn)生的桿式射流形態(tài)相似。

3.4 周向約束條件對炸藥爆轟波型的影響

通過數(shù)值模擬方法,研究了有、無周向約束2種條件下,炸藥爆轟波的傳播規(guī)律[7]及對藥型罩的作用規(guī)律,同時理論分析了周向約束條件中殼體厚度,襯套高度、材料對爆轟波傳播的影響。有、無殼體條件下不同時刻爆轟波傳播規(guī)律如表6所示。

表6 有、無殼體條件下不同時刻爆轟波傳播規(guī)律

由表6可得知,無殼約束條件下,由于起爆點設(shè)置為中心點起爆,炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波型呈圓弧形波面,沿裝藥軸線向下傳播。當(dāng)炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物與藥型罩外壁作用時,在藥型罩外壁產(chǎn)生爆炸沖擊波。由于炸藥的沖擊阻抗小于藥型罩的沖擊阻抗,在藥型罩外壁反射界面上的壓力將低于爆轟波的C-J壓力,故在藥型罩外壁產(chǎn)生反射沖擊波,反射沖擊波陣面沿裝藥軸線匯聚發(fā)生正規(guī)斜碰撞向下傳播,作用在藥型罩外壁,繼續(xù)壓垮藥型罩[8]。當(dāng)藥型罩被壓跨成近似平面時,發(fā)生垂直正反射,反射沖擊波近似垂直反射不再向軸線匯聚,沖擊波壓力隨之減小,對藥型罩作用的整個過程即結(jié)束。

有殼體約束的條件下,藥型罩除了受到呈弧形波面的炸藥爆轟波的直接作用,還受到爆轟波在殼體內(nèi)壁反射形成的反射沖擊波的作用[9]。當(dāng)爆轟波作用在殼體內(nèi)壁上時,根據(jù)爆轟波在可壓縮固體壁面的斜反射理論,由于穿過斜沖擊波面后的氣流偏轉(zhuǎn)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于殼體內(nèi)壁面的變形角,因而形成反射沖擊波。反射沖擊波陣面沿裝藥軸線匯聚發(fā)生正規(guī)斜碰撞向下傳播,作用在藥型罩外壁,繼炸藥爆轟波作用之后二次壓垮藥型罩,從而提高了射流速度、長徑比。當(dāng)藥型罩被壓跨成近似平面時,發(fā)生垂直正反射,反射沖擊波近似垂直反射不再向軸線匯聚,沖擊波壓力隨之減小,對藥型罩的壓垮作用影響較小。

由于殼體及襯套材料密度、強度的增加,反射沖擊波的壓力隨之增加。殼體壁厚的增加直接提高了了殼體的整體強度,殼體在受到爆轟波壓力時,殼體變形隨壁厚的增加而減小,殼體內(nèi)壁面的變形角減小,進(jìn)而也提高了反射沖擊波壓力,當(dāng)殼體壁厚增加到一定值時可以等效為剛性壁面,此時反射沖擊壓力波近似等于入射爆轟波壓力,不再變化,故作用在藥型罩上的壓力不再變化,形成的桿式射流頭部速度、長徑比及射流形態(tài)不再變化。

3.5 周向約束條件之間的匹配關(guān)系

不同周向約束條件對桿式射流性能有不同程度的影響。周向約束中的殼體壁厚及襯套高度、材料對桿式射流性能的影響程度簡要分析如圖5、圖6所示。由圖5知,襯套材料的不同對射流動能影響較大,活性材料PBX的影響低于惰性材料對射流性能的影響,惰性材料中的低密度材料2024鋁低于高密度45#鋼對射流性能的影響。由圖6可知,殼體壁厚對應(yīng)的動能曲線斜率較大,其對動能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過襯套高度對動能的影響。根據(jù)目標(biāo)特性的不同,周向約束材料選取惰性高密度材料,對殼體壁厚在0.036D～0.144D范圍內(nèi)選取,襯套高度在0.9D(0.5h1)范圍內(nèi)選取為宜。

圖5 襯套材料與射流動能的關(guān)系

圖6 殼體壁厚、襯套高度與射流動能的關(guān)系

4 實驗研究

根據(jù)上述研究規(guī)律,開展了射流威力性能實驗研究,結(jié)果表明,2 mm壁厚鋁殼和鋼殼條件下,桿式射流對45#鋼靶的侵深分別為143 mm和172 mm,穿透100 mm鋼靶入孔和出孔孔徑分別為20 mm,11 mm和18 mm,9 mm,很好地驗證了惰性高密度殼體能提高桿式射流的威力性能。侵徹鋼靶實驗圖如圖7、圖8所示。

圖7 45#鋼殼體條件下侵徹效果圖

圖8 鋁殼體條件下侵徹效果圖

5 結(jié)論

①一定條件下,殼體壁厚的增加有利于桿式射流頭部速度的增加,當(dāng)壁厚增加到一臨界值時,桿式射流速度將不再增加,研究表明,殼體壁厚的選取應(yīng)保持在0.036～0.144倍裝藥直徑范圍內(nèi),在此范圍內(nèi)射流形態(tài)及性能穩(wěn)定。

②改變襯套高度和使用惰性高密度材料可以有效改善桿式射流形態(tài)及性能,襯套高度的選取應(yīng)保持在0.9倍裝藥直徑范圍內(nèi),襯套材料應(yīng)選用惰性高密度材料45#鋼,與文獻(xiàn)[10]中實驗結(jié)論(1)相似,所形成的侵徹體尾部相對密實。通過試驗驗證了周向約束采用惰性高密度材料可有效提高射流威力性能。

③周向約束條件的不同主要改變炸藥的爆轟壓力大小和波形,進(jìn)而改變桿式射流的形態(tài)和性能。設(shè)計戰(zhàn)斗部周向約束時,應(yīng)優(yōu)先選取高密度材料,并合理匹配戰(zhàn)斗部殼體壁厚。

[1] 張鈞,陳智剛,李小軍,等.變壁厚球缺罩桿式射流的形成與侵徹性能研究[J].爆破器材,2016,45(1):39-42. ZHANG Jun,CHEN Zhi-gang,LI Xiao-jun,et al.The variable wall thickness of hemispherical liner of rod like jet formation and penetration properties[J].Explosive Materials,2016,45(1):39-42.(in Chinese)

[2] 付建平,馮順山,陳智剛,等.雙層球缺罩形成復(fù)合桿式射流的初步研究[J].中北大學(xué)學(xué)報,2016,37(1):24-28. FU Jian-ping,FENG Shun-shan,CHEN Zhi-gang,et al.The double-layer hemispherical liner to form a composite rod type jet preliminary study[J].Journal of North University of China,2016,37(1):24-28.(in Chinese)

[3] 楊麗,陳闖,張健,等.帶隔板裝藥的桿式射流成型試驗及侵徹特性分析[J].兵工學(xué)報,2016,37(4):621-626. YANG Li,CHEN Chuang,ZHANG Jian,et al.Take charge of the baffle rod like jet forming test and penetration characteristics analysis[J].Acta Armamentarii,2016,37(4):621-626.(in Chinese)

[4] 彭飛,余道強,陽世清,等.裝藥高度對反應(yīng)材料藥型罩聚能裝藥威力的影響[C]//第六屆含能材料與鈍感彈藥技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集.?？?北京理工大學(xué)出版社,2014:452-455. PENG Fei,YU Dao-qiang,YANG Shi-qing,et al.The effect of the height of charge on the reaction material and shaped charge power[C]//Proceedings of the 6th Symposium on Energetic Materials and Insensitive Ammunition Technology.Haikou:Beijing Institute of Technology Press,2014:452-455.(in Chinese)

[5] 曹紅根.爆炸式反應(yīng)裝甲穿而不爆的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2006. CAO Hong-gen.Study on explosive reactive armor wearing[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2006.(in Chinese)

[6] 時黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進(jìn)行顯示動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005. SHI Dang-yong,LI Yu-chun,ZHANG Sheng-min.Display dynamic analysis based on ANSYS/LS-DYNA8.1[M].Beijing:Tsinghua University Press,2005.(in Chinese)

[7] 宋思維,劉天生,王鳳英,等.碳化硅及氧化鋁陶瓷反應(yīng)裝甲附帶損傷研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(13):151-155. SONG Si-wei,LIU Tian-sheng,WANG Feng-ying,et al.Study on the reactive armor collateral damage of silicon carbide and alumina ceramics[J].Science Technology and Engineering,2016,16(13):151-155.(in Chinese)

[8] 陳智剛,趙太勇,侯秀成.聚能裝藥金屬射流形成技術(shù)研究[J].爆破器材,2004,33(2):4-7. CHEN Zhi-gang,ZHAO Tai-yong,HOU Xiu-cheng.The jet of shaped charge blasting equipment technology research[J].Explosive Materials,2004,33(2):4-7.(in Chinese)

[9] 李德才.小口徑聚能裝藥研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010. LI De-cai.Small caliber shaped charge[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2010(in Chinese)

[10] 楊寶良,羅健,侯云輝,等.戰(zhàn)斗部殼體結(jié)構(gòu)及厚度對EFP成型的影響研究[C]//第十三屆全國戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流論文集.黃山:北京理工大學(xué)出版社,2013:412-415. YANG Bao-liang,LUO Jian,HOU Yun-hui,et al.Effect of warhead shell structure and thickness on EFP forming[C]//Proceedings of the 13th National Warhead and Damage Technology Academic Exchange Seminar.Huangshan:Beijing Institute of Technology Press,2013:412-415.(in Chinese)

Effect of Circumferential Constraint on the Formation of Rod-type Jet

WANG Wei-zhan,ZHAO Tai-yong,CHEN Zhi-gang,FU Heng,YANG Da-zhao,ZHANG Xiao-zhong

(National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051)

In order to reduce the weight of warhead and meet the requirements of the special interface size of charge,the three-dimensional finite element model was built,and the three-dimensional numerical simulation on forming process of rod-type jet was carried out by LS-DYNA software.The influence of circumferential constraint on the jet-forming process of variable-wall-thickness ball-lacking cap charge was studied.The result shows that the shell thickness,bushing material and height significantly influence the shape and velocity distribution of rod jet in the circumferential constraint.The effect of circumferential-constraint material on the jet flow ranks the first,and the effects of shell thickness and bushing height rank the second.It can effectively change the jet shape and performance to reasonablely match.At the same time,the warhead weight can be reduced,and the size of charge interface can be matched.

circumferential constraint;rod-type jet;hemispherical liner;numerical simulation

2016-11-08

王維占(1990- ),男,碩士研究生,研究方向為彈藥工程與毀傷技術(shù)。E-mail:530056679@qq.com。

趙太勇(1971- ),男,副教授,研究方向為彈藥毀傷技術(shù)。E-mail:zs_991109@163.com。

TJ413.2

A

1004-499X(2017)01-0079-06