李慶鑫，王志軍，陳　莉，伊建亞

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原　030051)

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一種超聚能裝藥結(jié)構(gòu)的仿真

李慶鑫，王志軍，陳莉，伊建亞

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原030051)

摘要：為了得到一種新型的可形成較傳統(tǒng)射流更高速度的聚能裝藥結(jié)構(gòu)，利用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN-2D對其成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，并應(yīng)用應(yīng)力波基礎(chǔ)、沖擊力學(xué)等相關(guān)理論進(jìn)行分析。研究表明：選用銅、鉭、鎢作為“蘑菇形”藥型罩的材料可以得到速度在8 800～13 000 m/s且具有良好成型效果的高速射流。分析了藥型罩壁厚和下輔助藥形罩二的半徑結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流速度的影響，結(jié)果表明，減小藥型罩厚度或增大下輔助藥形罩的半徑可以有效提高形成射流的速度，但速度超過13 700 m/s后成型效果變差。根據(jù)研究成果可以得到“蘑菇形”藥型罩各部分材料的搭配規(guī)律及其成型規(guī)律。

關(guān)鍵詞：“蘑菇形”藥型罩；高速射流；應(yīng)力波；結(jié)構(gòu)仿真

本文引用格式：李慶鑫，王志軍，陳莉，等.一種超聚能裝藥結(jié)構(gòu)的仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):35-38.

Citationformat:LIQing-xin，WANGZhi-jun，CHENLi，etal.SimulationResearchofaSuperShapedChargeStructure[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(6):35-38.

聚能裝藥作為一種傳統(tǒng)的反裝甲手段，廣泛應(yīng)用于各類反坦克、反裝甲戰(zhàn)斗部。相對于桿式穿甲彈具有成本低、技術(shù)成熟、工藝穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。隨著防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，一大批高性能、新理念的材料應(yīng)用于國防領(lǐng)域，使得裝甲的防護(hù)能力得到了很大提升。這對反裝甲戰(zhàn)斗部的研究與發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。俄國科學(xué)家V.F.Minin等[1]在傳統(tǒng)聚能裝藥基礎(chǔ)上開創(chuàng)了超聚能裝藥領(lǐng)域，首次提出并定義了超聚能射流現(xiàn)象。這種超聚能射流不僅有著較傳統(tǒng)射流更高的速度而且成型后射流質(zhì)量也有很大的提升，對于增大破甲深度有非常重要的意義[2-4]。

本文就超聚能裝藥中一種經(jīng)典結(jié)構(gòu)——“蘑菇形”藥型罩利用AUTODYN-2D軟件進(jìn)行仿真研究。通過插入高斯點(diǎn)的方式觀察藥型罩材料的利用情況以及各點(diǎn)成型后的速度情況，分析了部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對超聚能射流成型的影響。

1　幾何結(jié)構(gòu)及計(jì)算模型

1.1結(jié)構(gòu)及幾何模型

“蘑菇形”藥型罩結(jié)構(gòu)如圖1所示。此結(jié)構(gòu)由殼體、炸藥裝藥、藥型罩、上輔助藥型罩、下輔助藥型罩、起爆點(diǎn)等組成。主要參數(shù)有：裝藥口徑D、裝藥高度H、圓柱部高度H1、斜肩部角度α、殼體壁厚δb、藥型罩內(nèi)徑R及壁厚δ、輔助藥型罩一曲率半徑R1及壁厚δ1、下輔助藥型罩半徑R2及壁厚δ2。

圖1中D=90mm、H=100mm、H1=50mm、α=20°、δb=5mm、R=20mm、R1=28mm、δ1=3mm、δ2=3mm。其中藥型罩壁厚δ及下輔助藥型罩半徑R2為變量參數(shù)。

1.起爆點(diǎn); 2.殼體; 3.炸藥裝藥; 4.上輔助藥型罩;5.下輔助藥型罩; 6.藥型罩

1.2計(jì)算模型

“蘑菇形”藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，建立模型時(shí)可以采用2D模型替代3D模型進(jìn)行研究，簡化建模過程、縮短計(jì)算時(shí)間且不失其準(zhǔn)確性。所以本研究采用非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件AUTODYN-2D。聚能裝藥形成射流的過程涉及多物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)變形大且變形劇烈，所以采用Euler算法，使用AUTODYN高進(jìn)度多物質(zhì)求解器Euler-material進(jìn)行仿真計(jì)算。有限元模型如圖2所示。

圖2　蘑菇形藥型罩有限元模型

2　材料的選擇

“蘑菇形”藥型罩整體由兩個(gè)輔助藥型罩和一個(gè)藥型罩組成。較傳統(tǒng)藥型罩而言，半球形的上輔助藥型罩可以提高爆轟產(chǎn)物與藥型罩的作用面積，延長能量傳遞時(shí)間，兩個(gè)輔助藥型罩間的空氣夾層延長了爆轟產(chǎn)物軸向上作用于藥型罩的時(shí)間，提高了炸藥能量的利用率，使得在軸線方向上藥型罩可以獲得相當(dāng)大的壓力，最終形成具有極高速度的超聚能射流[3,7]。

壓力值為p1的平面沖擊波D0從A中右行傳播入射到B中。設(shè)A、B原來都處于未擾動(dòng)狀態(tài)，對應(yīng)于p-u圖中的0點(diǎn)，入射沖擊波使材料A從0點(diǎn)沿Hugoniot沖擊曲線運(yùn)動(dòng)到1點(diǎn)，入射沖擊波到達(dá)兩材料的界面時(shí)由于沖擊波阻抗的不同將發(fā)生反射和透射。根據(jù)不同介質(zhì)界面上滿足壓力p和質(zhì)點(diǎn)速度u均連續(xù)的要求，分別得到如圖3示沖擊波傳播情況[4-6]。

圖3　沖擊波傳播

a.沖擊波從低阻抗入射到高阻抗材料的反射和透射

b.沖擊波從高阻抗入射到低阻抗材料的反射和透射

從圖3可以觀察到，當(dāng)沖擊波從高阻抗入射到低阻抗材料時(shí)，B材料可以獲得更高的質(zhì)點(diǎn)速度[8]，與本文的研究初衷即獲得更加高速的射流相符。根據(jù)以上分析初步確定3組材料方案，如表1所示。

表1　藥型罩材料方案

采用D=90mm、H=100mm、H1=50mm、α=20°、δb=5mm、R=20mm、R1=28mm、δ1=3mm、δ2=3mm、δ=0.3mm、R2=25mm結(jié)構(gòu)，藥型罩材料參數(shù)如表2所示，在4倍裝藥口徑處獲得如圖4所示射流。

3組仿真數(shù)據(jù)得到射流頭部速度分別為15 484m/s、11 427m/s、13 707m/s。方案1形成射流雖然頭部速度非常高，但是頭部出現(xiàn)多處斷裂，成型效果不佳。方案2形成射流也發(fā)生斷裂現(xiàn)象，且速度最小。方案3形成射流即保持了較高的頭部速度又有著良好的成型效果。證明銅、鉭、鎢3種材料搭配較為合理。如果再替換其他材料，應(yīng)該遵循沖擊阻抗從上輔助藥型罩、下輔助藥型罩到藥型罩依次減小的規(guī)律，且較為合理的配比是藥型罩沖擊阻抗要明顯小于其他兩者。

表2　藥型罩材料參數(shù)

圖4　不同材料方案藥型罩在4倍裝藥口徑處形成射流節(jié)

3　結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流成型的影響

對于蘑菇形聚能裝藥射流形成過程的成型過程如圖5所示。

起爆后，爆轟波向上輔助藥型罩頂部方向前進(jìn)，率先壓垮上輔助藥形罩。由于上輔助藥形罩為球缺形，在其未與下輔助藥形罩貼合前，壓垮過程與單獨(dú)作為藥型罩形成后翻形EFP過程類似。同時(shí)爆轟波繼續(xù)向前，壓垮筒形藥型罩。之后過程施加到筒型藥型罩上的壓力主要分兩部分，一部分為與其直接接觸的爆轟波帶來的；另一部分為與其接觸的壓合后的輔助藥形罩間接傳播的爆轟波壓力。兩種壓力同時(shí)作用完成后續(xù)的壓垮過程。

從理論上講，筒形藥型罩本身由于其壓垮角β較小，按照射流成形的PER理論，其可以產(chǎn)生較高頭部速度的射流。再加上部分位置的壓力是由與其貼合的輔助藥形罩加載的，通過第2節(jié)分析，這部分將獲得比爆轟波直接壓垮更高的速度。

3.1藥型罩厚度對形成射流的影響

為了研究藥型罩厚度對形成射流的影響，本文對下輔助藥型罩半徑R2=26mm，藥型罩厚度分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖5　蘑菇形聚能裝藥射流形成過程

圖6　不同壁厚在 t=50 μs時(shí)形成射流的頭尾速度

計(jì)算結(jié)果顯示，在壁厚2.0mm時(shí)射流斷裂嚴(yán)重，隨著壁厚的增加射流成型更加穩(wěn)定，當(dāng)δ≥3.0mm時(shí)射流良好未出現(xiàn)斷裂。同時(shí)隨著壁厚的增加頭部速度逐漸減小，頭尾速度差趨于定值。具體數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.2下輔助藥型罩的半徑對形成射流的影響

為研究下輔助藥型罩的半徑對形成射流的影響，本文對藥型罩壁厚δ=0.3mm，下輔助藥型罩的半徑分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著半徑的增加所形成的射流頭部的速度逐步提高，與3.1中情況相同，在半徑增加到一定程度(R2≥27mm)后，射流就會(huì)出現(xiàn)斷裂狀況。具體數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　不同半徑R2在 t=50 μs時(shí)形成射流的頭尾速度

4　結(jié)論

本研究中結(jié)構(gòu)形成的射流與傳統(tǒng)小錐角錐形藥型罩相比，射流長度相差極小、射流直徑為傳統(tǒng)的50%左右，但擁有極高的頭部速度，與傳統(tǒng)射流相比最大可高出50%左右，對破甲威力的提高有極大的積極意義。

1) “蘑菇形”藥型罩是一種新型的可以形成高速射流的新結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)相同的情況下對于材料銅、鉭、鎢的組合可以形成頭部速度8 800～13 000m/s的高速射流。

2) 對于這種新型的藥型罩，材料的選擇需要遵循沖擊阻抗從上輔助藥型罩、下輔助藥型罩到藥型罩依次減小的規(guī)律，且較為合理的配比是藥型罩沖擊阻抗要明顯小于其他兩者。

3) 對于本研究中提到的結(jié)構(gòu)，減小藥型罩壁厚或增大下輔助藥形罩半徑是提高射流頭部速度的有效手段。但應(yīng)該注意的是，當(dāng)速度增大到13 700m/s后，所形成的射流將會(huì)出現(xiàn)頸縮或斷裂現(xiàn)象，影響破甲能力。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.008

收稿日期：2015-12-23；修回日期：2016-01-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(11572291)；中北大學(xué)科技立項(xiàng)(20151205)

作者簡介：李慶鑫(1990—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。

中圖分類號：TJ413.+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0035-04

SimulationResearchofaSuperShapedChargeStructure

LIQing-xin，WANGZhi-jun，CHENLi，YIJian-ya

(SchoolofMechatronicEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China)

Abstract:In order to get a new type of shaped charge structure which can form much higher speed of jet than traditional, nonlinear dynamics analysis software AUTODYN-2D numerical simulation was proposed with applied mechanics, mechanical or related theory. Research shows that: copper, tantalum, tungsten as “mushroom” type shaped charge structure materialchoosed can get the speed in 8 800～13 000 m/s and has good forming effect of high speed jet. The effect of radius structure parameters of medicine type shield wall thickness and the sub-auxiliary medicine form cover on the jet speed was analyzed. The simulation analysis prove that reducing the thickness of shaped charge liner or increasing the radius of sub-auxiliary shaped charge liner can effectively improve the speed of forming jet. But if the speed of forming jet has exceeded 13 700 m/s, the shape of forming jet will be bad. Through this study, we can get the “mushroom” liner of different material collocation rules and forming rules.

Key words:“mushroom” type shaped charge; high-speed jet; stress wave; structure simulation