張萬君，李國輝，王凱琳，吳曉穎

(裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072)

裝藥長徑比對半球形聚能裝藥射流成型的數(shù)值模擬

張萬君，李國輝，王凱琳，吳曉穎

(裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京 100072)

為了得到均勻、不易中斷的射流，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件的二維多物質(zhì)純ALE算法，建立不同裝藥長徑比有限元模型，數(shù)值模擬了6種不同長徑比的半球形聚能裝藥產(chǎn)生射流的過程，對比分析了同一時(shí)刻、同一時(shí)間段6種裝藥長徑比對射流成型的影響。結(jié)果表明，70.5μs時(shí)，裝藥長徑比從0.8增至1.8，射流頭部速度增大31.9%，射流長度減小23.2%；46.5～70.5μs時(shí)段，射流長徑比與時(shí)間呈類線性增長，射流在裝藥長徑比約為1.2時(shí)不易斷裂，均勻性最好。

聚能裝藥；裝藥長徑比；金屬射流；數(shù)值模擬；藥型罩；聚能射流

引 言

目前，對聚能裝藥通過爆轟作用壓垮金屬藥型罩形成金屬射流的研究主要集中在提高射流的速度和侵徹能力上，而對有特殊要求，如形狀均勻、不易斷裂的射流研究較少。這種有特殊要求的射流可以應(yīng)用于新型磁流體發(fā)電系統(tǒng)，作為發(fā)電工質(zhì)使用。作為發(fā)電工質(zhì)的射流在通過磁通道時(shí)必須均勻且不易斷裂，錐形或喇叭形藥型罩一般難以得到這種有特殊要求的射流。

通常，對射流的研究主要集中在改變裝藥長徑比(裝藥長度與直徑之比)、隔板、藥型罩等影響因素方面。在裝藥長徑比對射流影響的研究方面，李偉兵等[1]通過研究裝藥長徑比對聚能桿式侵徹體的影響，得到最佳裝藥長徑比為0.9～1.2；熊瑞紅等[2]通過研究不同裝藥長徑比對爆炸成型彈丸(EFP)成型的影響，得出裝藥長徑比超過1.75時(shí)，射流速度的增加很?。粍⒑坏萚3]以EFP為研究對象，通過改變裝藥長徑比，得出裝藥長徑比越大，射流速度越大，但速度增長率減小。但以上研究均未關(guān)注射流的形狀是否均勻。

本研究通過改變裝藥長徑比，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件[4]對半球形聚能裝藥射流形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究裝藥長徑比對射流形態(tài)的影響規(guī)律，為進(jìn)一步得到均勻且不易斷裂的射流奠定基礎(chǔ)。

1 有限元模型的建立

1.1 二維多物質(zhì)純ALE算法

采用二維多物質(zhì)純ALE算法[5]研究不同裝藥長徑比對半球形裝藥射流成型的影響。二維多物質(zhì)純ALE算法是將模擬中的網(wǎng)格均勻劃分為二維網(wǎng)格，全部采用ALE算法計(jì)算，其與通常采用的三維ALE算法最大的區(qū)別在于炸藥、藥型罩與其外圍的空氣域網(wǎng)格模型均采用二維方法劃分。二維多物質(zhì)純ALE算法可以有效減少建模時(shí)間和累計(jì)誤差，提高計(jì)算效率和精度。

1.2 不同裝藥長徑比有限元模型

炸藥和藥型罩結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，A點(diǎn)為炸藥起爆點(diǎn)。裝藥直徑(D)為56mm,裝藥長徑比(λ=H/D)選用0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和1.8，即裝藥長度(H)分別為44.8、56.0、67.2、78.4、89.6和100.8mm。藥型罩厚度(b)為1.2mm，內(nèi)徑(d1)為51.6mm，外徑(d2)為54.0mm。

裝藥長徑比為1.2時(shí)半球形裝藥有限元局部模型如圖2所示。

網(wǎng)格使用ALE描述，除炸藥、藥型罩外，還需要建立適當(dāng)?shù)目諝庥騕6]。炸藥、藥型罩、空氣最小網(wǎng)格尺寸為0.5mm×0.5mm。由于具有軸對稱性，為了方便建模和減小模型尺寸，本模型采用二維軸對稱模型，選用shell163單元，在k文件中添加SE- CTION_ALE2D關(guān)鍵字。數(shù)值模擬采用cm-g-μs單位制。

藍(lán)色網(wǎng)格為炸藥，選用RDX，密度為1.69g/cm3，爆速為8310m/s，C-J壓力為30.15GPa，由HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[7]描述。紫色網(wǎng)格為藥型罩，材料選用無氧銅[8]，密度為8.93g/cm3,剪切模量為47.7GPa[9]，由Steinberg模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述[10]。紅色網(wǎng)格為空氣，密度為1.25×10-3g/cm3,使用NULL模型和線性多項(xiàng)式(LINEAR POLYNOMIAL)狀態(tài)方程[11]進(jìn)行模擬。

關(guān)于“霍李比武”的事，具體發(fā)生在何時(shí)已經(jīng)不可靠了，只知道肯定是在1900-1909年之間。在金恩鐘先生所著的《國術(shù)名人錄》一書中有關(guān)于霍元甲與李瑞東比武的描述：

2 模擬結(jié)果與討論

在分析射流時(shí)，射流長度(l)取去掉射流尾裙的實(shí)體部分長度。射流的均勻性是指射流表面的均勻程度，用半徑標(biāo)準(zhǔn)差來判定，半徑標(biāo)準(zhǔn)差越小，射流越均勻。在射流邊界上每隔2mm取一點(diǎn)，測量該點(diǎn)x坐標(biāo)xi(i=1,2,3,…,n),即為射流在該點(diǎn)的半徑。半徑標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為

2.1 同一時(shí)刻裝藥長徑比對射流的影響

對不同裝藥長徑比(λ)時(shí)射流的成型情況進(jìn)行數(shù)值模擬，70.5μs時(shí)射流形態(tài)如圖3所示。

從圖3可知，70.5μs時(shí)，射流都有尾裙部分，且λ≥1.2時(shí)，尾裙部分發(fā)生斷裂。射流內(nèi)部的空心部分是由于射流成型時(shí)藥型罩物質(zhì)未流動到此，產(chǎn)生內(nèi)部空穴。成型射流在λ為0.8或1.4時(shí)內(nèi)部空穴較少，成型效果最好。當(dāng)λ為1.0或1.2時(shí)，射流內(nèi)部空穴較多。當(dāng)λ為1.6或1.8時(shí)，射流尾部有較大的空穴。

70.5μs時(shí)射流參數(shù)隨裝藥長徑比的變化如圖4所示。

從圖4(b)可知，隨著λ的增大，射流長度(l)逐漸減小，半徑標(biāo)準(zhǔn)差(σ)先減小，后增大。λ從0.8增至1.2時(shí)，l從150.36mm減至148.45mm，減小了1.3%，而σ從0.05336減至0.04518，減小了15.3%。λ從1.2增至1.8時(shí)，l從148.45mm減至115.45mm，減小了22.2%，而σ從0.04518增至0.0544，增加了20.4%。當(dāng)λ為1.2或1.4時(shí)，σ較小,射流均勻性較好。

2.2 同一時(shí)段裝藥長徑比對射流的影響

射流長徑比定義為射流有效部分的長度與平均直徑的比值，用λ1表示。46.5～70.5μs時(shí)段，不同裝藥長徑比下，射流長徑比隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

從圖5可看出，裝藥長徑比一定時(shí)，射流長徑比隨著時(shí)間的推移逐漸增大，呈類線性的關(guān)系，增長速率比較接近。在同一時(shí)刻，不同裝藥長徑比對應(yīng)的射流長徑比的數(shù)值相差不大。

46.5～70.5μs時(shí)段，不同裝藥長徑比下，射流半徑標(biāo)準(zhǔn)差隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

從圖6可看出，裝藥長徑比一定的情況下，46.5 ～55.5μs時(shí)段，射流半徑標(biāo)準(zhǔn)差減小，這是由于射流由頭細(xì)尾粗的形態(tài)逐漸拉伸為長桿形，均勻性越來越好；55.5～70.5μs時(shí)段，射流半徑標(biāo)準(zhǔn)差趨于穩(wěn)定，這是由于射流已基本成型，表面均勻性變化不大?？傮w來看，裝藥長徑比為1.2時(shí)，射流半徑標(biāo)準(zhǔn)差最小，均勻性最好。

3 結(jié) 論

(1)46.5～70.5μs時(shí)段，裝藥長徑比對射流長徑比的影響不大，且射流長徑比與時(shí)間呈類線性增長關(guān)系。

(2)當(dāng)裝藥長徑比為1.2時(shí)，射流成型效果較好，70.5μs之前不易斷裂，均勻性最好。在以后的數(shù)值模擬研究中，可選取裝藥長徑比為1.2左右進(jìn)行進(jìn)一步研究，以便獲得形態(tài)更為均勻的射流。

[1] 李偉兵，王曉鳴，李文彬，等. 裝藥長徑比對聚能桿式侵徹體成型的影響[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2011(4):61-65.

LI Wei-bing, WANG Xiao-ming, LI Wen-bin， et al. Effect of length-diameter ratio of charge on jrtting projectile charge forming [J]. Journal of Ballistics, 2011 (4): 61-65.

[2] 熊瑞紅，袁志華，王昭明.球缺形藥型罩形成EFP的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(2):19-22.

XIONG Rui-hong, YUAN Zhi-hua, WANG Zhao-ming. Numerical simulation and optimization design of EFP formed of spherical shape [J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2010,29 (2): 19-22.

[3] 劉夯，谷宏強(qiáng)，石全，等.裝藥長徑比對EFP成型作用效果影響分析[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào),2013,25(4):24-27.

LIU Hang, GU Hong-qiang, SHI Quan,et al. Effects of length-diameter ratio of charge on EFP forming effect [J]. Journal of Ordnance Engineering College, 2013,25 (4): 24-27.

[4] 石黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯式動力分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[5] Nicolas V D, Vincent L A. Contribution to New ALE 2D method validation[C]∥11th International LS-DYNS Users Conference. South Africa:ICHMT, 2010, 4:29-50.

[6] 楊大昭，陳智剛，付建平，等.變壁厚雙層藥型罩形成復(fù)合射流的仿真研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2016,16(35):203-207.

YANG Da-zhao, CHEN Zhi-gang, FU Jian-ping, et al. Simulation on variable wall thickness of the double-liner forming composite jet[J]. Science Technology and Engineering,2016,16(35):203-207.

[7] 寧建國，王成，馬天寶.爆炸與沖擊動力學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012.

[8] 黃正祥.聚能裝藥理論與實(shí)踐[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014.

[9] 張明叢，杜忠華，周濤，等. 藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對周向多線性爆炸成型彈丸成型及侵徹能力的影響[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2016, 39(1):60-65.

ZHANG Ming-cong, DU Zhong-hua, ZHOU Tao, et al. Influence of liner structural parameters on formation and penetration of the circumferential multiple linear explosive formation penetration[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao), 2016, 39(1): 60-65.

[10] 阮光光，王鳳英，岳繼偉, 等. 線性聚能裝藥對自鍛彈丸干擾的數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2017, 40(2):75-78.

RUAN Guang-guang, WANG Feng-ying, YUE Ji-wei,et al. Numerical simulation of interference self forging projectile from linear shaped charge[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2017, 40(2): 75-78.

[11] 尹建平，張洪成，王志軍，等.周向MLEFP成型過程的數(shù)值計(jì)算[J].火炸藥學(xué)報(bào),2012,35(4):79-82.

YIN Jian-ping, ZHANG Hong-cheng, WANG Zhi-jun,et al. Numerical calculation on formation of the circumferential MLEFP [J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao),2012,35 (4): 79-82.

NumericalSimulationontheJetFormedbyHemisphericalShapedChargewithLength-to-diameterRatioofCharge

ZHANG Wan-jun, LI Guo-hui, WANG Kai-lin，WU Xiao-ying

(Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072，China)

To obtain an uniform and difficultly disrupt jet, a finite element model with different length-to-diameter ratios of charge was established by a two-dimensional multi-material pure ALE algorithm of ANSYS/LS-DYNA software. The process of jet produced by six kinds of hemispherical shaped charge with different length-to-diameter ratios was numerically simulated. The effect of six kinds of length-to-diameter ratio of charge on the jet forming at the same time and the same time period was compared and analyzed. The results show that at 70.5μs , with the increase of the length-to-diameter ratio of charge from 0.8 to 1.8, the head velocity of jet increases by 31.9% and the length of jet decreases by 23.2%. At the 46.5-70.5μs period, the length-to-diameter ratio of jet increases similarly linearly with time. The jet is not easy to break and has the best uniformity when the length-to-diameter ratio of charge is about 1.2.

shaped charge； length-to-diameter ratio of charge; metal jet; numerical simulation; liner; shaped jet

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0098-04

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.019

2017-05-03；

2017-07-03

國家自然科學(xué)基金資助(No.51677192)

張萬君(1965-)，男，博士，教授，從事武器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與評價(jià)方面的研究。E-mail:vance8001@163.com