張 娜 賈春月

（九江國(guó)科遠(yuǎn)大機(jī)電有限公司，江西 九江 332000）

0 前言

該文研究的以尼龍為材料的低密度藥型罩可以作為穿-破式串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級(jí)聚能裝藥的藥型罩，利用爆炸反應(yīng)裝甲的夾層裝藥對(duì)低聲阻抗材料不敏感的特點(diǎn)，采用尼龍為材料的藥型罩作為穿-破式串聯(lián)破甲彈前級(jí)聚能裝藥可以使其在裝藥爆轟下形成低密度射流，在穿透反應(yīng)裝甲的同時(shí)，不引爆反應(yīng)裝甲夾層炸藥，實(shí)現(xiàn)穿而不爆的特性，從而使后級(jí)主射流能夠直接侵徹主裝甲。

1 尼龍的射流毀傷元數(shù)值仿真分析

1.1 尼龍射流成形的仿真分析

分析在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm、錐角2α=60°且藥型罩壁厚δ=2.0 mm 的情況下尼龍的聚能射流。

1.1.1 有限元模型的建立

聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用頂端中心起爆方式壓垮尼龍藥型罩，以形成射流。

在數(shù)值計(jì)算中，為了避免射流成型的過程中會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格變形的情況，該文采用Euler 算法，求解器為2D 多物質(zhì)歐拉求解器，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2 個(gè)/mm，并對(duì)射流經(jīng)過的中心區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密。

在建立有限元模型的過程中，因?yàn)榫勰苎b藥結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體，所以建立AUTODYN-2D 有限元模型，并在空氣域邊界處加上Flow out 邊界條件來(lái)消除邊界效應(yīng)。

1.1.2 尼龍射流的成形

經(jīng)過數(shù)值仿真可以得到不同時(shí)刻尼龍藥型罩的聚能射流的成形狀態(tài)。

圖1 聚能裝藥藥型罩幾何結(jié)構(gòu)尺寸

射流形成過程的數(shù)值模擬包括4 個(gè)過程，分別為成型裝藥的爆轟、藥型罩的壓垮、射流的初步形成以及射流的拉伸。可以將射流形成的過程看作二維軸對(duì)稱問題。

如圖2 所示，尼龍射流有聚能射流的典型特征。藥型罩在爆轟波的作用下，在對(duì)稱軸處做加速運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞，藥型罩內(nèi)側(cè)形成高速的聚能射流，外側(cè)速度比較低的一則形成杵體，在完成炸藥爆轟的一瞬間，其射流頭部也剛剛形成，爆轟波對(duì)尼龍藥型罩繼續(xù)作用，其藥型罩被連續(xù)壓垮，致使尼龍的射流質(zhì)量和能量不斷流入，射流頭部的速度繼續(xù)加快，直到速度達(dá)到最大值。隨著尼龍的射流質(zhì)量及能量流入逐漸降低，其射流頭部速度也隨之降低，并且沿著其射流長(zhǎng)度的方向遞減，由于射流內(nèi)部存在速度梯度，因此其射流隨時(shí)間的推移被不斷拉長(zhǎng)。

當(dāng)t 為0 μs～10 μs 時(shí)，藥型罩在爆轟作用下被壓垮隨之閉合，由于藥型罩單位微元之間互相碰撞，因此內(nèi)層材料微元在軸線被壓垮的過程中從藥型罩中被高速“擠壓”出來(lái)，從而形成射流頭部。當(dāng)t 為10 μs～30 μs 時(shí)，被高速“擠壓”出來(lái)的材料微元聚合形成射流，由于沿射流長(zhǎng)度方向存在速度梯度，因此射流隨著時(shí)間的推移不斷地拉伸并向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t 為30 μs～50 μs 時(shí)，受材料的物化性質(zhì)等因素的影響，射流形成頸縮且射流基本穩(wěn)定。

影響射流性能的2 個(gè)重要因素就是聚能射流的頭部速度和速度梯度。一般情況下，聚能射流的頭部速度越高，速度梯度就越大，射流性能越好，其侵徹能力越強(qiáng)。不同時(shí)刻尼龍射流的速度云圖如圖3 所示。

不同時(shí)刻下尼龍射流頭部速度的數(shù)值見表1。

圖2 尼龍聚能射流的形成過程

2 藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流毀傷元的影響

2.1 不同藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流頭部速度的影響

2.1.1 不同壁厚對(duì)射流頭部速度的影響

不同壁厚對(duì)射流頭部速度的影響如下：在裝藥長(zhǎng)徑比、錐角均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且錐角2α=60°的情況下，只討論藥型罩壁厚對(duì)尼龍射流頭部速度的影響，由于射流頭部的速度也有梯度，因此這里的頭部速度是指射流頭部最大的速度。

尼龍壁厚δ 分別為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

表1 不同時(shí)刻下尼龍射流的頭部速度數(shù)值表

圖3 不同時(shí)刻尼龍聚能射流速度云圖

圖4 為不同壁厚下尼龍射流頭部速度隨時(shí)間變化的曲線圖。由圖4 可知，對(duì)不同壁厚的尼龍藥型罩來(lái)說(shuō)，隨著尼龍藥型罩壁厚的增加，藥型罩被壓垮的速度降低，形成的射流頭部速度也會(huì)降低。

圖4 不同壁厚下射流頭部速度隨時(shí)間變化的曲線圖

2.1.2 不同裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)射流頭部速度的影響

為了研究藥型罩長(zhǎng)徑比對(duì)射流的影響，在藥型罩錐角、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在藥型罩錐角2α=60°、壁厚δ=2.0 mm 的情況下，只討論裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)射流頭部速度的影響。

在尼龍藥型罩口徑不改變的前提下，要改變裝藥結(jié)構(gòu)就只能通過裝藥高度來(lái)改變藥型罩的長(zhǎng)徑比，取裝藥口徑D=60 mm，裝藥高度H 分別為56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78 mm，即在裝藥長(zhǎng)徑比分別為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情況下，研究裝藥長(zhǎng)徑比的變化對(duì)尼龍射流頭部速度的影響。

圖5 為當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 時(shí)尼龍射流頭部速度隨時(shí)間的變化曲線圖。由圖5 可知，尼龍射流其頭部速度隨長(zhǎng)徑比的增加而加快?？梢詮囊韵?個(gè)階段分析裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)射流頭部速度的影響：1） 當(dāng)時(shí)間為0 μs～5 μs 時(shí)，在裝藥長(zhǎng)徑比較小的情況下，由于裝藥量少，因此爆轟波很快就作用在藥型罩上，使藥型罩在很短的時(shí)間內(nèi)就有了較高的速度；而在裝藥長(zhǎng)徑比較大的情況下，由于裝藥量多，因此爆轟波要在幾微秒之后才能作用在藥型罩上，延緩了藥型罩有較高速度的時(shí)間。這一現(xiàn)象具體表現(xiàn)為裝藥長(zhǎng)徑比越大，射流曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折的時(shí)間就越晚。2） 當(dāng)時(shí)間為5 μs 時(shí)，因?yàn)槭苎b藥量的影響，裝藥越多的射流的能量越高，所以射流頭部的速度越快。長(zhǎng)徑比越大的藥型罩裝藥量越大，因此裝藥長(zhǎng)徑比越大，射流頭部速度就越快。

2.1.3 不同錐角對(duì)射流頭部速度的影響

在裝藥長(zhǎng)徑比、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且壁厚δ=2.0 mm的情況下，只討論藥型罩錐角對(duì)射流頭部速度的影響，取錐角為50°、55°、60°、65°以及70°時(shí)的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖5 不同裝藥長(zhǎng)徑比下射流頭部速度隨時(shí)間變化的曲線圖

圖6 為不同錐角下尼龍射流頭部速度隨時(shí)間變化的曲線圖。由圖6 可知，尼龍射流頭部速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相同，且都隨藥型罩錐角的增加而減少。

綜上所述，要想使射流頭部速度達(dá)到最大值，就可以在適當(dāng)范圍內(nèi)選擇藥型罩壁厚小、藥型罩錐角小且裝藥長(zhǎng)徑比大的藥型罩結(jié)構(gòu)。

2.2 不同藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流長(zhǎng)度的影響

2.2.1 不同壁厚對(duì)射流長(zhǎng)度的影響

在裝藥長(zhǎng)徑比、錐角均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且錐角2α=60°的情況下，只討論藥型罩壁厚對(duì)尼龍射流長(zhǎng)度的影響。取壁厚δ 為2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm 以及4.0 mm。

不同時(shí)刻不同壁厚的尼龍射流長(zhǎng)度見表2。由表2 可知，由于尼龍藥型罩壁厚和射流的質(zhì)量都比較小，因此壁厚小的尼龍藥型罩的射流穩(wěn)定性較差。在射流斷裂前比較不同壁厚的射流長(zhǎng)度可以發(fā)現(xiàn)，隨著藥型罩壁厚的增加，射流長(zhǎng)度逐漸縮短，壁厚為2.5 mm～4.0 mm 的尼龍射流在60 μs～70 μs 時(shí)就開始斷裂了。

由圖7 可知，尼龍射流的長(zhǎng)度隨藥型罩壁厚的增加而縮短。其射流最長(zhǎng)的應(yīng)該是壁厚最小的一組，由于壁厚小的尼龍射流穩(wěn)定性不好，因此在這5 組尼龍射流中射流長(zhǎng)度最長(zhǎng)的是壁厚為2.5 mm 的射流。

2.3 不同藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流形狀的影響

2.3.1 不同藥型罩錐角對(duì)射流形狀的影響

在裝藥長(zhǎng)徑比、藥型罩壁厚均不發(fā)生改變的情況下，即在裝藥口徑D=60 mm、裝藥高度H=60 mm 且壁厚δ=2 mm的情況下，只討論藥型罩錐角對(duì)射流形狀的影響，對(duì)錐角為50°、55°、60°、65°以及70°時(shí)的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

如圖8 所示，隨著藥型罩錐角的增加，尼龍射流的連續(xù)性和一致性逐漸變好，比較明顯的就是尼龍射流的連續(xù)性。由圖8 可知，當(dāng)時(shí)間為50 μs 時(shí)，錐角為50°的尼龍射流頭部已經(jīng)斷裂，尾部已經(jīng)變成顆粒狀，而錐角為70°的射流還沒出現(xiàn)斷裂，錐角為50°～70°的尼龍射流在50 μs 時(shí)已經(jīng)形成了很成熟的侵徹體。

表2 不同時(shí)刻不同壁厚的尼龍射流長(zhǎng)度

圖6 不同錐角下射流頭部速度隨時(shí)間的變化曲線圖

圖7 不同壁厚的尼龍射流的長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化曲線

2.3.2 不同裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)射流形狀的影響

裝藥口徑D=60 mm，裝藥高度H 分別為56 mm、60 mm、66 mm、72 mm 以及78mm，即在裝藥長(zhǎng)徑比分別為0.9、1.0、1.1、1.2 以及1.3 的情況下，研究長(zhǎng)徑比的變化對(duì)尼龍射流形狀的影響。

由圖9 可知，在50 μs 時(shí)長(zhǎng)徑比為0.9 和1.0 的尼龍射流尾部已經(jīng)斷裂，從總體上來(lái)說(shuō)，這5 組尼龍射流在頭部都發(fā)生多處的頸縮，也有斷裂的趨勢(shì)，射流的斷裂會(huì)使射流的有限長(zhǎng)度變短，從而對(duì)目標(biāo)的侵徹產(chǎn)生影響。

圖8 在50 μs 時(shí)尼龍射流在不同錐角下的形狀

圖9 在50 μs 時(shí)不同長(zhǎng)徑比的尼龍射流的形狀

3 結(jié)論

該文主要研究了射流的成型、藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流的影響。從尼龍射流的成型來(lái)看，尼龍所形成的射流都具有典型聚能射流的一切特征，有壓垮、拉伸、頸縮和斷裂4 個(gè)階段。從藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流的影響來(lái)看，取5 組不同的裝藥參數(shù)（藥型罩壁厚、藥型罩錐角以及裝藥長(zhǎng)徑比），研究其對(duì)尼龍射流的影響，并對(duì)尼龍材料的藥型罩所形成的射流的成型性能（射流長(zhǎng)度、射流速度）進(jìn)行對(duì)比。

通過該文的相關(guān)研究可以得出以下4 個(gè)結(jié)論：1） 對(duì)不同壁厚的尼龍藥型罩來(lái)說(shuō)，隨著藥型罩壁厚的增加，形成射流頭部速度逐漸降低。2） 尼龍藥聚能裝藥長(zhǎng)徑比越大，射流頭部速度越快。3） 要使尼龍射流頭部速度達(dá)到最大值，可以在適當(dāng)范圍內(nèi)選擇藥型罩壁厚小、藥型罩錐角小且裝藥長(zhǎng)徑比大的藥型罩結(jié)構(gòu)。4） 尼龍射流的長(zhǎng)度隨藥型罩壁厚的增加而縮短。