崔志光，劉占辰，荊獻(xiàn)勇，陳少君

（空軍工程大學(xué)工程學(xué)院，西安 710038）

0 引言

為了對(duì)付復(fù)合裝甲和主動(dòng)反應(yīng)裝甲，串聯(lián)聚能裝藥戰(zhàn)斗部應(yīng)運(yùn)而生，且近年來在反擊飛機(jī)和艦艇、反機(jī)場(chǎng)跑道、反地下工事、侵徹建筑物和掩體等方面都有廣泛的應(yīng)用[1]。為擴(kuò)大前級(jí)穿孔孔徑，有效減少串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)之間的干擾，增大串聯(lián)戰(zhàn)斗部毀傷效能，要求串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)射流比普通聚能射流直徑粗，杵體小，尾部速度高，速度梯度小。因此，對(duì)串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究十分必要。

聚能射流的性能受諸多因素的影響，在裝藥和藥型罩材料確定的情況下，采用合適的藥型罩形狀和起爆方式，能顯著改善射流性能。文獻(xiàn)[2－3]分析了起爆方式對(duì)聚能射流性能的影響，文獻(xiàn)[4]從藥型罩錐角、工藝等方面對(duì)大破孔聚能裝藥進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5]提出了一種順序起爆模式的串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)。

文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種頂部環(huán)形起爆的小長(zhǎng)徑比變錐角聚能裝藥結(jié)構(gòu)，并利用LSDYNA有限元分析軟件，分別對(duì)同口徑、等罩厚的錐形裝藥和變錐角裝藥在不同起爆方式下的聚能射流形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，與錐形裝藥相比，文中設(shè)計(jì)的裝藥結(jié)構(gòu)更符合串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥的特性要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)定常理想不可壓縮流體理論，聚能射流速度隨藥型罩錐角減小而增大，直徑隨藥型罩錐角增大而增大。為增大射流直徑和尾部速度，獲得更適于串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)特性的射流，文中設(shè)計(jì)了一種不同于錐形裝藥的小長(zhǎng)徑比變錐角裝藥結(jié)構(gòu)，其母線上各點(diǎn)切線與對(duì)稱軸的夾角由罩頂至罩底逐漸減小。這種結(jié)構(gòu)頂部對(duì)應(yīng)于大錐角裝藥，有利于提高射流直徑；底部對(duì)應(yīng)于小錐角裝藥，有利于提高射流尾部速度和減小杵體質(zhì)量。為便于比較，文中設(shè)計(jì)了裝藥口徑40mm，藥型罩壁厚2mm，裝藥高度分別為50mm和40mm的錐形裝藥和變錐角裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)體模型及具體參數(shù)如圖1所示。

圖1 兩種裝藥結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型

綜合分析文獻(xiàn)[2－3]的研究成果可知，采用頂部環(huán)形起爆的方式在不明顯影響射流直徑的情況下，能獲得更高的射流速度和質(zhì)量。所以文中的設(shè)計(jì)采用頂部環(huán)形起爆方式，以提高射流速度和藥型罩質(zhì)量利用率。

2 計(jì)算模型

2.1 有限元網(wǎng)格

為研究錐形裝藥和變錐角裝藥結(jié)構(gòu)形成射流的特性，分別對(duì)圖1所示的兩種裝藥結(jié)構(gòu)建立了有限元模型[6]。由于實(shí)體模型具有對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算資源，建立了1／4有限元模型，并施加相應(yīng)約束來保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元模型由炸藥、藥型罩和空氣三部分（Part）組成，均劃分為歐拉網(wǎng)格，所有單元均為Solid 164八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。其中，空氣網(wǎng)格作為射流流動(dòng)的通道，在其外表面施加了無反射邊界條件模擬無限域。劃分的有限元網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 兩種裝藥結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格

2.2 材料模型

數(shù)值模擬所用炸藥密度為1.787g／cm3，爆速為8390m／s，采用 HIGH－EXPLOSIVE－BURN 模型和JWL狀態(tài)方程共同描述，如式（1）、式（2）[3]所示：

式中：peos為來自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力，p為任意時(shí)刻炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V為相對(duì)體積；E為單位體積的內(nèi)能密度；A、B、R1、R2和ω為輸入?yún)?shù)。

藥型罩材料為紫銅，密度為8.96g／cm3，采用JOHNSON－COOK模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同描述，如式（3）所示：

空氣密度為1.25×10－3g／cm3，采用NULL模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同描述。

2.3 ALE算法

聚能射流形成過程的模擬涉及大變形，若采用隨體網(wǎng)格的拉格朗日算法，當(dāng)結(jié)構(gòu)變形巨大時(shí)，可能使有限元網(wǎng)格出現(xiàn)嚴(yán)重畸變，出現(xiàn)負(fù)體積、速度無窮大等現(xiàn)象，引起數(shù)值計(jì)算困難，導(dǎo)致計(jì)算終止。歐拉算法中，雖然材料和能量能在固定不動(dòng)的網(wǎng)格之間流動(dòng)，較好的解決了網(wǎng)格畸變的問題。但這種在網(wǎng)格不一致時(shí)，計(jì)算精度較低，難以滿足要求。因此，文中在數(shù)值模擬中，采用了多物質(zhì)任意拉格朗日－歐拉（ALE）算法，它的網(wǎng)格是相對(duì)固定的，每一步（或若干步）都根據(jù)物質(zhì)邊界重新構(gòu)造一個(gè)合適的網(wǎng)格，避免了在嚴(yán)重變形的網(wǎng)格上進(jìn)行計(jì)算，解決了網(wǎng)格大變形和材料流動(dòng)的問題[7]。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

首先，研究不同藥型罩形狀對(duì)射流性能的影響。利用LS－DYNA求解器對(duì)常見的錐形裝藥和文中設(shè)計(jì)的變錐角裝藥在中心單點(diǎn)起爆方式下的射流形成過程進(jìn)行仿真計(jì)算，兩種裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流在起爆12μs、25μs、41μs時(shí)的形態(tài)如圖3所示。

圖3 不同裝藥結(jié)構(gòu)射流形成過程（中心起爆）

其次，為了研究起爆方式對(duì)射流性能的影響，基于文中設(shè)計(jì)的變錐角裝藥結(jié)構(gòu)，分別設(shè)定中心單點(diǎn)起爆和半徑為15mm的環(huán)形起爆兩種起爆方式進(jìn)行仿真計(jì)算。兩種起爆方式下形成的射流在起爆25μs、41μs、70μs時(shí)的形態(tài)如圖4所示。

圖4 不同起爆方式下射流形成過程（變錐角裝藥）

3.2 結(jié)果分析

由圖3可知，中心起爆的錐形裝藥比變錐角裝藥同一時(shí)刻形成的射流速度要大，射流細(xì)長(zhǎng)，直徑變化較大，杵體很大，起爆40μs后，射流斷裂；由圖4可知，變錐角裝藥形成的射流整體呈錐狀，射流均勻，直徑變化較小，杵體短小，射流與杵體長(zhǎng)度之比大，在計(jì)算時(shí)間（80μs）內(nèi)未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

另外，由圖4可知，環(huán)形起爆的變錐角裝藥比中心起爆時(shí)同一時(shí)刻形成的射流長(zhǎng)度更長(zhǎng)、杵體更小。

利用后處理器LS－PREPOST，對(duì)仿真所得的射流形成過程進(jìn)行分析，提取了起爆40μs時(shí)三種情況下形成射流的主要參數(shù)，如表1所示。其中，h為裝藥高度；m為裝藥質(zhì)量；dj為射流平均直徑；lj為射流長(zhǎng)度；lp為杵體長(zhǎng)度；vj為射流頭部速度；vt為射流尾部速度。

表1 射流主要參數(shù)（40μs）

對(duì)比仿真所得的三種射流的直徑和杵體長(zhǎng)度，可知變錐角裝藥在兩種不同起爆方式下形成射流的直徑都比錐形裝藥大近70%，杵體長(zhǎng)度比錐形裝藥小50%以上，藥型罩的質(zhì)量利用率有很大提高。這有利于變錐角裝藥射流在目標(biāo)上形成更大的侵徹孔徑，同時(shí)減少藥型罩在孔底的金屬堆積，有利于串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部后級(jí)的繼續(xù)侵徹或隨進(jìn)。

分析三種情況下形成射流的速度分布，變錐角裝藥在中心起爆和環(huán)形起爆方式下形成射流的頭尾速度差分別為1960m／s和2610m／s，而錐形罩在中心起爆方式下形成射流的頭尾速度差則高達(dá)3464m／s，頭尾速度差很大，容易使射流拉長(zhǎng)斷裂，造成串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)之間的相互干擾和射流有效長(zhǎng)度的降低，影響串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部的性能。

由以上分析可知，變錐角裝藥結(jié)構(gòu)與錐形裝藥相比，其長(zhǎng)徑比小，裝藥質(zhì)量小，產(chǎn)生的射流速度小。但其形成的射流直徑大，杵體小，有效長(zhǎng)度長(zhǎng)，藥型罩質(zhì)量利用率高，頭尾速度差異小。且在環(huán)形起爆方式下，其射流速度有明顯提高?？梢灶A(yù)見，環(huán)形起爆的變錐角裝藥，能在以更小的裝藥高度和質(zhì)量獲得與錐形裝藥相當(dāng)甚至更大的侵徹孔徑和深度的同時(shí)，有效減小串聯(lián)戰(zhàn)斗部前后級(jí)之間的干擾?？梢?，環(huán)形起爆變錐角裝藥結(jié)構(gòu)更符合串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥特性，能顯著提高戰(zhàn)斗部整體性能。

4 結(jié)論

文中根據(jù)串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥的性能需求，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形起爆的小長(zhǎng)徑比變錐角裝藥結(jié)構(gòu)，基于LS－DYNA對(duì)其射流形成過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與錐形裝藥結(jié)構(gòu)射流形成過程進(jìn)行了對(duì)比分析。仿真結(jié)果證明，變錐角裝藥形成的射流直徑大，杵體小，有效長(zhǎng)度長(zhǎng)，藥型罩質(zhì)量利用率高，速度梯度小，比錐形裝藥更適合作為串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥。同時(shí)，變錐角裝藥在環(huán)形起爆方式下形成的射流優(yōu)于在中心單點(diǎn)起爆方式下形成的射流。文中設(shè)計(jì)的頂部環(huán)形起爆小長(zhǎng)徑比變錐角前級(jí)裝藥結(jié)構(gòu)和所采用的數(shù)值仿真方法對(duì)串聯(lián)聚能戰(zhàn)斗部前級(jí)裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

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