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        輔助藥型罩對射流性能的影響

        2024-01-08 08:51:24樊金欣焦志剛馬辰昊
        科技創(chuàng)新與應用 2024年1期
        關鍵詞:雙錐藥型罩裝藥

        樊金欣,焦志剛,馬辰昊

        (沈陽理工大學裝備工程學院,沈陽 110059)

        近年來,隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,各種新型裝甲的防護能力不斷升級優(yōu)化,如何有效破甲,成為各國研究的重點。此時,具有發(fā)射平臺相對簡單、能量利用率高、侵徹能力強等優(yōu)點的聚能破甲彈藥,成為了有效的反裝甲手段,在軍事領域中發(fā)揮了巨大的作用[1]。由于受到傳統(tǒng)聚能裝藥成型機理及藥型罩材料自身密度、聲速和延展性等因素的限制,其難以對高強度裝甲防護目標實現(xiàn)高效毀傷[2]。因此,俄羅斯科學家提出了一種新型裝藥結構——超聚能裝藥[3]。2015 年,錢俊松[4]對超聚能射流裝藥結構進行了數(shù)值模擬研究,得出了超聚能裝藥結構下鈦合金藥型罩的優(yōu)化設計結果;2016 年,李慶鑫等[5]采用AUTODYN 數(shù)值模擬軟件,對“蘑菇形”超聚能裝藥結構射流形成進行了研究,分析了不同藥型罩及附加裝置材料對射流形成的影響;2019 年,胡曉敏等[6]利用Autodyn-2D 仿真軟件對9 組超聚能裝藥結構進行數(shù)值模擬計算。結果表明,射流的速度與長度隨著錐角的增加而增加,且隨著輔助藥型罩厚度的增加呈先增長后減小的趨勢;2022 年,葛超等[7]針對截頂輔助型超聚能裝藥結構設計及應用問題,建立了截頂輔助型超聚能射流成形微元法理論模型。目前,對于超聚能裝藥結構及其射流性能的相關研究成果主要集中在數(shù)值模擬方面,本文通過數(shù)值模擬方法,研究輔助藥型罩材料和結構對射流性能的影響。

        1 輔助型雙錐藥型罩結構設計及數(shù)值模擬

        1.1 幾何模型

        輔助型雙錐藥型罩幾何模型如圖1 所示,裝藥直徑D=76 mm,裝藥長度L=108 mm,殼體壁厚2 mm;輔助藥型罩厚度h=4 mm,直徑d=24 mm;主藥型罩壁厚c=2 mm,小錐角α=40°,大錐角β=70°。

        圖1 輔助型雙錐藥型罩幾何模型

        1.2 有限元模型建立

        使用AUTODYN 軟件對輔助型雙錐藥型罩進行模擬計算,建立二維軸對稱有限元模型,如圖2 所示。

        圖2 輔助型雙錐藥型罩有限元模型

        聚能裝藥選用8701 炸藥,8701 炸藥的裝藥密度為1.787×103kg/m3,爆壓為3.4×107kPa,爆速為8.39×103m/s。狀態(tài)方程采用JWL,炸藥其他參數(shù)見表1,其余數(shù)值模擬材料選自AUTODYN 材料庫,材料模型見表2。

        表1 8701 炸藥參數(shù)

        表2 材料模型

        2 輔助藥型罩材料對射流的影響

        金屬射流的性能與藥型罩材料有著密不可分的關系。錐形藥型罩材料多用紫銅。現(xiàn)確定5 種輔助藥型罩材料,分別為鋁、銅、鉭、鎢、鋼,主藥型罩材料為銅,共有5 種不同藥型罩材料組合。設置輔助藥型罩厚度和直徑分別為4 mm 和24 mm;主藥型罩小錐角40°,大錐角70°,壁厚2 mm。探究不同主輔藥型罩材料組合對射流性能的影響,由于射流在50 μs 時的速度和形態(tài)均趨于穩(wěn)定,所以將50 μs 時射流性能作為評價標準,50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流性能參數(shù)見表3。

        表3 50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流參數(shù)

        由表3 可以看出,鎢-銅材料組合藥型罩形成的金屬射流頭部直徑和頭部速度都是最好的;鎢-銅組合藥型罩獲得最大動能僅次于銅-銅組合藥型罩;鎢-銅材料組合藥型罩形成射流頭部直徑也僅次于鉭-銅組合藥型罩。因此,綜合考慮,輔助型雙錐藥型罩的主藥型罩采用銅,輔助藥型罩材料選用鎢。

        3 輔助藥型罩結構對射流的影響

        3.1 輔助藥型罩厚度對射流的影響

        為探究輔助藥型罩厚度(h)對射流性能的影響規(guī)律,利用控制變量法,將主藥型罩小錐角設置為40°,大錐角70°,壁厚2 mm,輔助藥型罩直徑24 mm,分別對h為2、3、4、5、6 mm 的輔助型雙錐藥型罩進行數(shù)值模擬。50 μs 時不同h下裝藥結構形成的射流形態(tài)如圖3所示。

        圖3 50 μs 時不同h 下裝藥結構射流形態(tài)

        由圖3 可知,當h為2、3 和4 mm 時,射流尾部出現(xiàn)了斷裂和空腔,主要是由于輔助藥型罩較薄,炸藥裝藥爆炸時,較薄的輔助藥型罩產(chǎn)生射流速度較快,在后續(xù)爆轟波的繼續(xù)作用下,將產(chǎn)生的金屬射流向前推動,使輔助藥型罩產(chǎn)生的射流被拉斷并出現(xiàn)空腔,這種現(xiàn)象隨著輔助藥型罩厚度的增加而消失。

        金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖4 所示,金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖5 所示。

        圖4 不同輔助藥型罩厚度下射流速度

        圖5 不同輔助藥型罩厚度射流頭部直徑

        由圖4 可以看出,金屬射流頭部速度隨h增加而增大,h為6 mm 時,速度最大為8 541 m/s。

        由圖5 可以看出,h在2~5 mm 時,金屬射流的長度和頭部直徑隨著h的增加而增大。但是,當h超過5mm時,金屬射流長度呈現(xiàn)下降趨勢。

        綜上所述,當h為6 mm 時,形成的金屬射流綜合性能更好。

        3.2 輔助藥型罩直徑對射流的影響

        輔助藥型罩直徑(d)也是影響射流性能的主要因素,為探究輔助藥型罩直徑對射流性能的影響規(guī)律,利用控制變量法,保持其他藥型罩結構參數(shù)不變,只改變d,將主藥型罩小錐角設置為40°,大錐角70°,壁厚2 mm,輔助藥型罩厚度為4 mm,分別對d為20、22、24、26、28 mm 的輔助型雙錐藥型罩進行數(shù)值模擬。50 μs時不同d下裝藥結構形成的射流形態(tài)如圖6 所示。

        圖6 50 μs 時不同d 下裝藥結構射流形態(tài)

        金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖7 所示,金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖8 所示。

        圖7 不同輔助藥型罩直徑下射流速度

        圖8 不同輔助藥型罩直徑射流頭部直徑

        由圖7 可以看出,d在20~26 mm 時,金屬射流頭部速度隨著d增加而增大,當d超過26 mm 時,金屬射流頭部速度隨著d增大而減小。

        由圖8 可以看出,d為20 mm 時,金屬射流頭部直徑最大,并且隨著d的增加,金屬射流的頭部直徑整體趨勢是下降的;d在22~26 mm 時,金屬射流長度隨著d增加而增加,當d超過26 mm 時,金屬射流長度隨著d增大而減小。

        綜上所述,當d為26 mm 時,形成的金屬射流綜合性能更好。

        4 結論

        1)探究輔助藥型罩材料對射流的影響,鎢-銅材料組合藥型罩形成的射流無論從長度、頭部直徑或者50 μs 時的頭部速度,都表現(xiàn)優(yōu)異。

        2)探究輔助型藥型罩的結構因素對射流性能的影響,通過數(shù)值模擬得出,隨著h的增加,其金屬射流頭部直徑增大,h在2~5 mm 時,隨著h的增加,金屬射流的長度變長。h為6 mm 時,形成的金屬射流綜合性能更好。在探究d對金屬射流性能的影響時,d在22~26 mm 時,金屬射流頭部速度和長度隨著d增加而增大。d對金屬射流頭部直徑影響并不明顯。當d為26 mm 時,形成的金屬射流綜合性能更好。

        在實際的工程中,可以根據(jù)不同的情況選擇需要的結構參數(shù)。

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