趙 鑫，徐永杰，鄭娜娜，湯雪志，王志軍

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.駐長(zhǎng)治地區(qū)軍代室，山西 長(zhǎng)治 046000)

1 引言

自反應(yīng)裝甲問世以來，傳統(tǒng)裝甲武器受到巨大影響，反裝甲彈藥的研究也需要進(jìn)行相應(yīng)發(fā)展，而聚能射流是引爆帶殼裝藥的有效手段。

針對(duì)此種裝甲防護(hù)手段，聚能裝藥戰(zhàn)斗部對(duì)于材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求越來越高，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了聚能裝藥侵徹帶殼裝藥的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，如：低密度材料形成的射流可實(shí)現(xiàn)對(duì)于帶殼裝藥的穿而不爆[1]；射流在具有一定直徑的前提下，提高射流速度，可達(dá)到引爆裝藥的目的[2]；利用仿真軟件模擬不同橫向飛行速度和侵徹角度情況下聚能戰(zhàn)斗部對(duì)披掛反應(yīng)裝甲后效靶板的侵徹過程[3]。但是，隨著裝甲防護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展，射流對(duì)帶殼裝藥后效靶板的侵徹能力仍需進(jìn)一步研究，有必要對(duì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高射流對(duì)后效靶板的侵徹能力。

基于此，本研究基于聚能射流形成機(jī)理[4-7]，利用Autodyn軟件，建立有限元模型，對(duì)不同材料、錐角和壁厚的藥型罩所形成射流對(duì)帶殼裝藥后效靶板侵徹過程進(jìn)行數(shù)值仿真，將不同參數(shù)組合下射流的成型及侵徹特性進(jìn)行對(duì)比研究，分析射流剩余速度與穿深，可為打擊帶殼裝藥的破甲彈設(shè)計(jì)提供參考。

2 模型建立

2.1 物理模型

物理模型由藥型罩、空氣域、帶殼裝藥、主裝甲組成，如圖1所示，其中：空氣域長(zhǎng)500 mm，寬200 mm；面板和背板厚度均為2 mm，帶殼裝藥厚度為4 mm；藥型罩錐角分別為50°、55°、60°、65°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；裝藥長(zhǎng)度為90 mm，口徑為60 mm，殼體厚2 mm；炸高為2.5D，帶殼裝藥與主裝甲間隔10 mm，主裝甲厚度230 mm。

圖1 物理模型示意圖

2.2 有限元模型及材料參數(shù)

利用Autodyn軟件建立藥型罩侵徹性能仿真有限元模型[8-12]，如圖2所示。由于射流成型為大變形過程，因此空氣、藥型罩、裝藥、殼體、帶殼裝藥單元均采用歐拉算法；帶殼裝藥面板，背板及主裝甲均采用拉格朗日算法；建立1/2對(duì)稱平面模型，對(duì)空氣域施加邊界條件，采用的單位為cm-g-μs。

圖2 藥型罩侵徹性能仿真有限元模型示意圖

為更好地對(duì)射流的成型與侵徹進(jìn)行觀察，在圖2中軸線處設(shè)置一系列高斯點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為藥型罩底部端面中心處，節(jié)點(diǎn)6為帶殼裝藥面板表面中心處，1～5節(jié)點(diǎn)之間每?jī)蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間距均為30 mm，節(jié)點(diǎn)10位于主裝甲表面，節(jié)點(diǎn)11、15、17分別處于x軸300 mm、420 mm、480 mm。

本文所選用的材料均基于Autodyn自帶的材料庫(kù)，其中帶殼裝藥采用COMPBJJ1，面板、背板采用45#鋼；聚能裝藥的殼體與主裝甲均采用STEEL 1006；聚能裝藥采用HMX；藥型罩材料分別采用釩、鎳、鎢、鐵、銅，材料參數(shù)如表1所示[13-15]。

表1 藥型罩材料參數(shù)

聚能裝藥材料選用高能炸藥爆轟模型，狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程，其基本形式為：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2、W為輸入?yún)?shù)；P、E和V分別為爆炸產(chǎn)物的壓力、單位體積的內(nèi)能和相對(duì)體積(單位體積裝藥產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物體積)，見表2、表3所示。

表2 主裝甲材料參數(shù)

表3 帶殼裝藥面板與背板

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 藥型罩材料對(duì)射流成型及侵徹性能影響

為了研究藥型罩材料對(duì)射流的影響，確定藥型罩壁厚為2 mm，錐角為60°，對(duì)藥型罩不同材料下射流的成型過程及侵徹結(jié)果進(jìn)行分析[16-18]。

藥型罩不同材料形成的射流過程，如表4所示。由此可知：10 μs時(shí)爆轟波到達(dá)藥型罩頂部，藥型罩開始受壓，此時(shí)不同罩材的聚能射流成型無(wú)明顯區(qū)別；20 μs時(shí)藥型罩初步變形，開始向軸線匯聚，材料為釩、鎳、銅的藥型罩形成射流較長(zhǎng)，材料為鎢和鐵的藥型罩形成射流較短；30 μs時(shí)射流基本成型，其中材料為鎳的藥型罩形成射流較為細(xì)長(zhǎng)，材料為鐵、銅、釩的藥型罩形成射流差別不大，材料為鎢的藥型罩形成射流較短；40 μs時(shí)射流基本已到達(dá)炸高處，材料為銅與鎳的藥型罩形成射流形態(tài)較好，細(xì)長(zhǎng)，無(wú)拉斷情況，其次為材料為鐵與釩的藥型罩所形成射流，形態(tài)較好，材料為鎢的藥型罩形成射流較為短粗。

表4 不同材料藥型罩的射流成型過程

圖3表示了不同材料藥型罩的射流侵徹結(jié)果。

圖3 不同材料藥型罩的射流侵徹結(jié)果示意圖

圖3與表5為聚能射流侵徹主裝甲，可以看出，同種情況下，罩材為鎢，釩時(shí)，其侵徹性能不如其他3種材料。其中，罩材為鎳和銅形成的射流擴(kuò)孔口徑基本一致，侵徹深度也無(wú)太大區(qū)別，相關(guān)研究表明，射流的侵徹性能與罩材的塑性、密度、聲速有關(guān)，罩材的密度越高，侵徹深度越深，材料的聲速越高，射流的伸長(zhǎng)速度越快，有利于射流侵徹裝甲。而鎳與銅相比，塑性優(yōu)良，密度相近，鎳的聲速高于銅，該仿真結(jié)果表明銅和鎳兩組藥型罩侵徹性能相近，符合理論，對(duì)銅和鎳的侵徹性能需作進(jìn)一步研究。

表5 180 μs時(shí)不同材料藥型罩的侵徹深度值

罩材為鐵所形成射流侵徹性能次于前2種罩材所形成射流，擴(kuò)孔口徑也比罩材為鎳和銅所形成射流擴(kuò)孔口徑??；釩射流的侵徹深度小于180 mm，但其擴(kuò)孔口徑?jīng)]有太大的變化；侵徹效果較差的是罩材為鎢所形成射流，其侵徹深度與擴(kuò)孔口徑均低于其他罩材所形成射流。考慮到其他參數(shù)情況，之后的討論均基于材料為銅、鎳、鐵3種情況。

3.2 藥型罩錐角對(duì)射流成型及侵徹性能的影響

選取藥型罩錐角為50°、55°、60°、65°四種情況，壁厚均為2 mm，分別對(duì)藥型罩材料為銅、鎳、鐵，形成的射流以及對(duì)主裝甲侵徹性能的影響進(jìn)行分析。射流速度的分布直接影響其侵徹性能，射流成型過程中各高斯點(diǎn)獲得的射流速度，如圖4所示。

1節(jié)點(diǎn)為藥型罩底端面正中心位置處，6節(jié)點(diǎn)為帶殼裝藥面板表面中心位置處，1～6節(jié)點(diǎn)兩兩間距30 mm，圖4為射流經(jīng)過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的頭部速度曲線。

圖4 不同錐角藥型罩的射流成型頭部速度曲線

由圖4可知：材料為銅的各組參數(shù)中，錐角為55°的射流成型速度高于其他錐角的射流，其穿過1節(jié)點(diǎn)時(shí)的速度峰值均高于7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度為6 500 m/s，而其他錐角射流穿過1節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度均低于7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度低于6 500 m/s，且從曲線上看，其射流到達(dá)6節(jié)點(diǎn)的時(shí)間小于其他錐角射流，故錐角為55°射流成型效果較好，而錐角為50°與60°的射流無(wú)論是射流最高速度，還是到達(dá)6節(jié)點(diǎn)時(shí)間都相差不大，錐角為65°射流成型效果最差；藥型罩錐角為55°的射流成型效果最佳。

材料為鎳的各組參數(shù)中，錐角為50°的射流穿過1節(jié)點(diǎn)時(shí)的最高速度高于7 100 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度在6 900 m/s，錐角為55°射流穿過1節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度在7 000 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)時(shí)最高速度在6 500 m/s，錐角為60°與65°射流相差不大，成型效果較差；藥型罩錐角為50°的射流成型效果最佳。

材料為鐵的各組參數(shù)中，錐角為50°時(shí)效果最好，穿過節(jié)點(diǎn)1的射流最高速度為6 963 m/s，穿過6節(jié)點(diǎn)的射流最高速度為6 342 m/s；其次為錐角為55°的藥型罩所形成射流，其穿過各個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度峰值均低于錐角為50°藥型罩所形成射流。藥型罩錐角為60°、65°所形成的射流成型效果較差，錐角為50°所形成射流成型效果最佳。

再對(duì)比罩材為銅、鎳、鐵3組射流中各組成型效果最好的射流，發(fā)現(xiàn)罩材為鎳，錐角為50°的射流于各個(gè)節(jié)點(diǎn)處速度峰值最高；其次是罩材為銅，錐角為55°的射流；效果最差的是罩材為鐵，錐角為50°的射流。為避免其他情況影響，需要分析射流侵徹結(jié)果。

表6表示不同錐角射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17時(shí)所需時(shí)間以及射流剩余速度，節(jié)點(diǎn)17位于主裝甲深度210 mm處。

表6 不同錐角藥型罩的射流侵徹結(jié)果

表7表示了不同錐角藥型罩在180 μs時(shí)的侵徹深度。

由表6、表7可知：藥型罩材料為銅時(shí)，錐角為60°的射流與錐角為55°的射流侵徹至靶深210 mm所用時(shí)間較少，且剩余速度比錐角為50°、65°射流高，侵徹深度比其他兩組大。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為60°的射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17的時(shí)間與55°射流相差無(wú)幾，但剩余速度要比錐角為55°射流大，因此，這組中錐角為60°、55°的射流侵徹效果最好。

表7 180 μs時(shí)不同錐角藥型罩的侵徹深度值

藥型罩材料為鎳時(shí)，60°射流與50°射流侵徹至靶深210 mm所用時(shí)間較少，且剩余速度比55°、65°射流高，侵徹主裝甲深度比其他兩組大。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為50°時(shí)，侵徹至17節(jié)點(diǎn)時(shí)間最小，且剩余速度大，侵徹深度大，因此，這組中錐角為50°、60°的射流侵徹效果最好。

藥型罩材料為鐵時(shí)，60°射流與50°射流侵徹至靶深210 mm所用時(shí)間較少，且剩余速度比55°、65°射流高，侵徹主裝甲深度較高。結(jié)合射流成型，雖然小錐角射流速度快，但有效射流質(zhì)量少。錐角為50°時(shí)射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17所需時(shí)間最小，且剩余射流速度大于其他錐角射流剩余速度，侵徹主裝甲深度高，因此，這組中錐角為50°、60°的射流侵徹效果最好。

3.3 藥型罩壁厚對(duì)射流成型及侵徹性能的影響

選取藥型罩材料為銅時(shí)，錐角有55°，60°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；藥型罩材料為鎳時(shí)，錐角有50°，60°，壁厚分別為1 mm、2 mm、3 mm；藥型罩材料為鐵時(shí)，錐角有50°，60°，壁厚分別為1 mm，2 mm、3 mm。

射流到達(dá)面板之前為成型過程，觀察射流的形態(tài)，之后射流穿過并引爆帶殼裝藥，繼續(xù)侵徹后面的主裝甲，觀察射流對(duì)主裝甲的侵徹變形情況。

圖5為36 μs時(shí)各組射流的成型速度圖：比較其他參數(shù)相同時(shí)銅、鎳、鐵3種材料藥型罩，鐵材料藥型罩所成射流頭部速度比銅和鎳所形成射流頭部速度小，且鐵材料射流長(zhǎng)度小于銅，鎳材料藥型罩所形成射流。觀察其他參數(shù)相同時(shí)不同錐角所形成射流，發(fā)現(xiàn)錐角小的藥型罩所形成射流伸長(zhǎng)速度比錐角大的藥型罩所形成射流伸長(zhǎng)速度大，但杵體部分也比錐角大的藥型罩所形成射流大。觀察其他相同參數(shù)下不同壁厚藥型罩所形成射流，發(fā)現(xiàn)壁厚小的藥型罩形成射流的杵體部分小于其他射流杵體，射流拉伸長(zhǎng)度也大于壁厚大的藥型罩所形成射流的拉伸長(zhǎng)度，1 mm、2 mm、3 mm壁厚藥型罩所形成射流的杵體部分依次變大，射流頭部速度與拉伸長(zhǎng)度依次變小。為得出更準(zhǔn)確的結(jié)果，需對(duì)射流的侵徹性能進(jìn)行分析。

圖5 不同壁厚藥型罩的射流成型圖

觀察表8、表9，當(dāng)藥型罩材料為銅，在相同壁厚下，侵徹至節(jié)點(diǎn)17時(shí)，55°射流比60°射流剩余速度小，剩余射流有效質(zhì)量相差無(wú)幾；在相同錐角下，射流侵徹至節(jié)點(diǎn)17，1 mm射流的剩余速度與2 mm射流剩余速度相差不大，但剩余有效射流質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其他壁厚射流，3 mm射流的剩余有效射流質(zhì)量與2 mm射流的剩余有效射流質(zhì)量相差不大，但射流的剩余速度不如2 mm射流剩余速度。對(duì)比180 μs時(shí)射流侵徹深度，相同壁厚下55°射流比60°射流侵徹深度小，相同錐角下，2 mm壁厚藥型罩所形成的射流侵徹深度較高；因此，材料為銅的藥型罩中，M組射流侵徹效果最好。

表8 180 μs時(shí)不同壁厚藥型罩侵徹深度值

表9 射流侵徹值

當(dāng)藥型罩材料為鎳，B、K兩組因壁厚小，故侵徹至節(jié)點(diǎn)17時(shí)，剩余有效射流質(zhì)量較小，侵徹能力不足；H、Q兩組壁厚大，剩余射流有效質(zhì)量與2 mm射流相差不大，剩余速度過??；E、N兩組剩余有效射流質(zhì)量相差不大，但E組射流180 μs時(shí)侵徹深度與侵徹至節(jié)點(diǎn)17時(shí)剩余速度比N組射流大，且180 μs時(shí)E組射流侵徹深度大于N組射流，故E組射流侵徹效果較好。

當(dāng)藥型罩材料為鐵時(shí)，C，I、R這3組射流無(wú)法侵徹至節(jié)點(diǎn)17，比較F、L、O三組，180 μs時(shí)侵徹深度較低于L、O兩組，侵徹至節(jié)點(diǎn)17時(shí)，F(xiàn)組射流剩余速度最大，且剩余有效射流質(zhì)量也最大，故F組射流侵徹效果最好。

比較以上3種材料，鐵射流的侵徹能力遠(yuǎn)不如銅、鎳射流，銅材料中M組和鎳材料中E組相比到達(dá)17節(jié)點(diǎn)時(shí)，剩余速度與剩余有效射流質(zhì)量相差不大，且在180 μs時(shí)侵徹深度在誤差范圍內(nèi)可視為相同。

4 結(jié)論

1)銅、鎳、釩、鎢、鐵，這5種材料中，釩與鎢射流的成型與侵徹能力較差，鐵射流成型與侵徹效果稍好，鎳射流與銅射流成型與侵徹效果相差無(wú)幾，強(qiáng)于釩、鎢、鐵3組射流。

2)在50°、55°、60°、65°這4種錐角中，綜合射流成型與侵徹能力而言，在銅罩材中，55°、60°錐角最佳，在鎳罩材中，50°、60°錐角最佳，在鐵罩材中，50°、60°錐角最佳。

3)在以上壁厚為1 mm、2 mm、3 mm的各組藥型罩中，壁厚較小，則剩余有效射流質(zhì)量小，壁厚較大，則射流剩余速度較小，2 mm射流侵徹效果最好。

在本研究所列各組藥型罩中，錐角為60°，壁厚為2 mm的銅罩與錐角為50°，壁厚為2 mm的鎳罩，這兩組藥型罩所形成的射流成型與侵徹性能最佳。