王慶華，劉 寧，張建仁，王鳳英，劉天生，阮光光

(1.中國(guó)人民解放軍駐山西江陽(yáng)化工有限公司軍事代表室，山西 太原030051；2.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原030051；3.山西江陽(yáng)化工有限公司，山西 太原030051)

引 言

在聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的過(guò)程中，藥型罩是其關(guān)鍵部件，在相同裝藥條件下，藥型罩形狀不同形成的射流性能也有較大差異，例如，喇叭形藥型罩形成射流的頭部速度最高，侵徹能力最強(qiáng)；半球形藥型罩形成射流的頭部速度較低，侵徹能力最差，但其開(kāi)孔效果較好，具有侵徹孔徑大且均勻的優(yōu)勢(shì)；二次世界大戰(zhàn)后，聚能裝藥理論有了較大的發(fā)展，其不僅廣泛用于軍事領(lǐng)域，在礦山、石油開(kāi)采等民用領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。

半球形藥型罩由于具有較好的開(kāi)孔效果，在石油開(kāi)采行業(yè)應(yīng)用較多，但其侵徹能力較差，為了改進(jìn)半球形藥型罩形成射流的頭部速度較低；侵徹能力較差的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已做了一些研究。劉定勝等[4]通過(guò)在半球形藥型罩的底部開(kāi)孔以改善半球形藥型罩形成射流的侵徹能力低的缺點(diǎn)；陳興等[5]設(shè)計(jì)了一種圓錐-半球結(jié)合藥型罩，并采用數(shù)值模擬的方法研究了該藥型罩形成射流的特性。顧文斌等[6]設(shè)計(jì)了柱錐結(jié)合藥型罩，其頂部的圓柱結(jié)構(gòu)在一定程度上可提升射流的能量以及密度。

本研究基于上述柱錐結(jié)合藥型罩中的圓柱結(jié)構(gòu)并改變其參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型圓柱-半球結(jié)合藥型罩，以提高半球形藥型罩形成聚能射流的能量以及密度。在保證開(kāi)孔大且均勻的優(yōu)勢(shì)下，提升半球形藥型罩的侵徹能力，可對(duì)改進(jìn)半球形藥型罩侵徹能力差的特點(diǎn)以及藥型罩的設(shè)計(jì)提供參考。

1 藥型罩及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 藥型罩的設(shè)計(jì)

采用等壁厚(厚度為2mm)、開(kāi)口直徑為56mm的半球形藥型罩，藥型罩材料為紫銅，其剖面圖如圖1(a)所示；新型圓柱-半球藥型罩是在圖1(a)的基礎(chǔ)上在藥型罩的中心軸線頂部設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為12mm、高度為6mm、厚度為2mm的圓柱殼體，其剖面圖如圖1(b)所示。

圖1 兩種藥型罩幾何平面圖Fig.1 Geometric plane graphs of two kinds of liners

1.2 裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本研究的裝藥結(jié)構(gòu)采用藥型罩為圓柱-半球結(jié)合型，口徑為60mm，炸藥為8701炸藥，裝藥高度為40mm，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖2 兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)幾何平面圖Fig.2 Geometric plane graphs of two kinds of shaped charge structures

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

在整個(gè)數(shù)值模型所有部分均選用3D164solid實(shí)體單元；本研究中兩種裝藥結(jié)構(gòu)均為圓柱形，且具有對(duì)稱性，因此，在建立兩種裝藥結(jié)構(gòu)及兩種裝藥結(jié)構(gòu)侵徹靶板的數(shù)值模型時(shí)均建立四分之一模型以提升計(jì)算效率，并在X軸和Z軸對(duì)稱面上通過(guò)相應(yīng)對(duì)稱約束使計(jì)算能夠進(jìn)行；在空氣的外表面添加邊界無(wú)反射，使爆轟波可以透射出去。兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型包含：炸藥、藥型罩、空氣域；裝藥結(jié)構(gòu)侵徹45號(hào)鋼板的數(shù)值模型中包含：炸藥、藥型罩、空氣域和鋼靶；其中所有的模型都采用六面體映射網(wǎng)格，且裝藥結(jié)構(gòu)中炸藥、藥型罩、空氣采用共點(diǎn)歐拉網(wǎng)格模型，鋼板采用拉格朗日網(wǎng)格，并與炸藥、藥型罩、空氣不共節(jié)點(diǎn)。兩種裝藥幾何結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型圖如圖3所示。

圖3 兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模型圖Fig.3 Numerical model diagrams of two kinds of shaped charge structures

2.2 材料模型的確定

本研究中炸藥選用高能爆轟High-Explosive-Burn材料模型，其爆炸載荷采用JWL狀態(tài)方程描述；藥型罩和45號(hào)鋼板靶板的形變、溫度等變化均采用J-C模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同表征；裝藥結(jié)構(gòu)外圍的空氣模型選用空白材料模型NULL，狀態(tài)方程采用GRUNEISEN。其具體參數(shù)如表1～4所示[8]。

表1 炸藥高能爆轟模型及其狀態(tài)方程部分參數(shù)Table 1 Part parameters of high energy detonation model of explosive and its equation of state

表2 藥型罩J-C模型及其狀態(tài)方程部分參數(shù)Table 2 Part parameters of J-C model of liner and its equation of state

表3 空氣材料模型及其線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程參數(shù)Table 3 Air material model and the parameters of liner polynomial equation of state

表4 45號(hào)鋼板J-C模型及其狀態(tài)方程部分參數(shù)Table 4 Part parameters of J-C model of No. 45 steel plate and equation of state

2.3 計(jì)算方法

本研究?jī)煞N裝藥結(jié)構(gòu)的起爆點(diǎn)均設(shè)置在炸藥頂端圓心處，在兩種裝藥結(jié)構(gòu)起爆后形成聚能侵徹體的過(guò)程采用多物質(zhì)組耦合的ALE算法。在兩種裝藥結(jié)構(gòu)形成聚能侵徹體后侵徹靶板的過(guò)程中采用流固耦合算法。計(jì)算完成后，使用后處理軟件lsprepost查看數(shù)值模擬結(jié)果，并對(duì)提取數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 圓柱-半球結(jié)合藥型罩射流形成過(guò)程及機(jī)理分析

半球形藥型罩在爆轟波作用下通過(guò)翻轉(zhuǎn)形成了射流，其射流的形成機(jī)理已有文獻(xiàn)[7]報(bào)道，本研究主要對(duì)圓柱-半球結(jié)合藥型罩形成射流的機(jī)理進(jìn)行研究。圓柱-半柱球結(jié)合藥型罩形成射流的過(guò)程如圖4所示。由圖4可以看出，炸藥起爆后，爆轟波首先作用于上端圓柱結(jié)構(gòu)，在5～10μs時(shí)刻，藥型罩的圓柱在爆轟波作用下，其頂部與側(cè)面相互擠壓，首先形成環(huán)形射流，環(huán)形射流經(jīng)二次匯聚形成了射流的頭部;圓柱殼體結(jié)構(gòu)形成射流的頭部后，在10～25μs時(shí)刻，藥型罩中的半球形結(jié)構(gòu)在爆轟波作用下開(kāi)始翻轉(zhuǎn)變形，并形成射流補(bǔ)充到先前射流中去，最終形成了如圖中60μs時(shí)刻的射流形狀。

圖4 圓柱-半球結(jié)合藥型罩形成射流過(guò)程圖Fig.4 Process chart of cylinder-hemisphere combination liner jet formation

3.2 兩種藥型罩射流的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

由于半球形藥型罩和圓柱-半球形藥型罩的結(jié)構(gòu)不同，形成射流的機(jī)理也發(fā)生了一定的變化，因此兩種結(jié)構(gòu)的藥型罩形成射流的形態(tài)和性能均將發(fā)生變化，通過(guò)后處理軟件lsprepost觀察射流的形成過(guò)程，在100μs時(shí)刻射流形態(tài)如圖5所示。

由圖5可知，兩種藥型罩形成射流形態(tài)及杵體均發(fā)生了變化，在100μs時(shí)刻，半球形藥型罩形成的射流直徑比較均勻，且較為粗壯，拉伸長(zhǎng)度較短，在頭部與尾部出現(xiàn)斷裂；圓柱-半球形藥型罩形成的射流頭部較細(xì)，向尾部逐漸變粗，且只在頭部發(fā)生斷裂；兩種射流的杵體形狀也發(fā)生了改變，半球形藥型罩的杵體部分較短且為一個(gè)整體，而圓柱-半球形藥型罩形成的射流杵體較長(zhǎng)且明顯分為前后兩部分，通過(guò)觀察射流的成型過(guò)程發(fā)現(xiàn)，圓柱體結(jié)構(gòu)在爆轟波作用下，一部分形成了射流的頭部，另一部分形成了射流的最后部分的杵體，其中的半球形結(jié)構(gòu)在爆轟波作用下形成射流并補(bǔ)充到先前射流的過(guò)程中又形成了前面部分的杵體。

圖5 100μs時(shí)刻兩種藥型罩聚能侵徹體成型圖Fig.5 Forming drawing of two kinds of liner shaped charge penetrator at 100μs

由兩種射流的形態(tài)差異可知，兩種藥型罩形成射流的頭尾部速度，斷裂時(shí)間等均發(fā)生變化，為了分析兩種射流的性能，通過(guò)后處理軟件lsprepost觀察兩種射流在100μs時(shí)刻內(nèi)的速度變化并測(cè)量其相關(guān)參數(shù)，如表5所示，其在100μs時(shí)刻射流的速度云圖如圖6所示。

圖6 100μs時(shí)刻兩種聚能侵徹體速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of two kinds of shaped charge penetrator at 100μs

表5 100μs時(shí)兩種藥型罩形成聚能侵徹體的相關(guān)參數(shù)Table 5 Related parameters of the shaped charge penetrator of two kinds of liner at 100μs

注：v1為頭部速度；v2為尾部速度；D為杵體直徑；t為拉伸斷裂時(shí)間；E為動(dòng)能；Δv1為v1相對(duì)增量。

由表5和圖6可知，在裝藥條件一致的情況下，相比半球形藥型罩形成的射流，圓柱-半球形藥型罩形成的射流具有更高的頭部速度，其頭部速度增長(zhǎng)了16.67%,而且具有更高的動(dòng)能；此外，圓柱-半球形藥型罩形成的射流抗拉伸斷裂能力更強(qiáng)，在相同時(shí)間段內(nèi)拉伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，根據(jù)聚能裝藥侵徹原理，可判斷本研究設(shè)計(jì)的圓柱-半球形藥型罩形成的射流具有更強(qiáng)的侵徹能力。

3.3 兩種藥型罩射流侵徹45號(hào)鋼板的對(duì)比分析

3.3.1 兩種裝藥結(jié)構(gòu)侵徹45號(hào)鋼板的數(shù)值模擬結(jié)果分析

為驗(yàn)證兩種藥型罩在相同裝藥條件下的侵徹能力，使用數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)半球形藥型罩、圓柱-半球形藥型罩兩種裝藥結(jié)構(gòu)在120mm炸高下對(duì)45號(hào)鋼板的進(jìn)行侵徹穿深的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，靶板尺寸為100mm ×20mm × 20mm；并使用后處理軟件lsprepost觀察兩種射流的侵徹過(guò)程，兩種裝藥結(jié)構(gòu)失去侵徹能力時(shí)靶板效果圖如圖7所示，并測(cè)量?jī)煞N藥型罩所形成的射流失去侵徹能力時(shí)靶板的相關(guān)參數(shù)，如表6所示。

圖7 兩種裝藥結(jié)構(gòu)失去侵徹能力時(shí)的靶板效果圖Fig.7 Target plate effect diagram of two shaped charge structures without penetrating ability

表6 兩種藥型罩形成射流侵徹靶板后的相關(guān)參數(shù)Table 6 Relevant parameters after penetrating the target for two types of liner formation jet

注：H為侵徹深度；d為靶板表面開(kāi)孔直徑；ΔH為H相對(duì)增量。

由圖7及表6可知，在相同裝藥條件下，圓柱-半球形藥型罩形成射流對(duì)45號(hào)鋼板的侵徹深度相比半球形藥型罩提升約16.82%，而且其開(kāi)孔直徑并未明顯降低，并基本保持了半球形藥型罩開(kāi)孔相對(duì)均勻的優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 半球形裝藥結(jié)構(gòu)侵徹45號(hào)鋼板的試驗(yàn)分析

為了對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，在與數(shù)值模型相同的裝藥參數(shù)及炸高下，用半球形裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)45號(hào)鋼板進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，其靶板試驗(yàn)效果圖如圖8所示。

圖8 半球形裝藥結(jié)構(gòu)侵徹45號(hào)鋼板試驗(yàn)效果圖Fig.8 Experimental effect diagrams of hemispherical charge penetration into No. 45 steel plate

經(jīng)過(guò)測(cè)量可知，靶板侵徹孔深度為50.6mm，表面開(kāi)孔直徑為13.74mm。數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的侵徹深度誤差為3.4%，表面開(kāi)孔直徑的誤差為2.9%，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1) 圓柱-半球結(jié)合藥型罩形成射流頭部的方式與半球形藥型罩不同，因此其射流的頭部速度發(fā)生了變化，相對(duì)半球形藥型罩提升約16.67%。

(2) 與半球形藥型罩相比，圓柱-半球結(jié)合藥型罩形成射流的侵徹能力提高了16.82%，且基本上仍然保持了半球形藥型罩開(kāi)孔大且均勻的優(yōu)勢(shì)。

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