王一凡，王志軍，袁毓雯，湯雪志

(1 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

目前，成型裝藥領(lǐng)域發(fā)展的射流(ShapedChargeJet，簡(jiǎn)稱(chēng)JET)、桿式射流(JettingProjectileCharge，簡(jiǎn)稱(chēng)JPC)、爆炸成型彈丸(ExplosivelyFormedProjectile，簡(jiǎn)稱(chēng)EFP)各具特點(diǎn)。射流頭部速度高，但速度梯度大，藥型罩材料利用率低；爆炸成型彈丸藥型罩材料利用率高并且適合遠(yuǎn)距離攻擊，但速度相對(duì)較低；桿式射流則兼具射流與EFP的優(yōu)點(diǎn)，既可以保持較高的速度，又可以提升藥型罩的材料利用率。因此，桿式射流成為國(guó)內(nèi)外戰(zhàn)斗部技術(shù)研究的熱點(diǎn)[1]。

基于此，眾多學(xué)者對(duì)聚能桿式射流的成型以及性能優(yōu)化進(jìn)行了研究。徐文龍等[2]提出了一種新型高速桿式聚能裝藥結(jié)構(gòu)，解決了射流炸藥能量利用率低、速度小的缺點(diǎn)；黃松等[3]證明了改變起爆方式可以實(shí)現(xiàn)兩種毀傷元的轉(zhuǎn)換，中心點(diǎn)起爆時(shí)，得到三層串聯(lián)EFP，周向多點(diǎn)同時(shí)起爆時(shí)得到三層串聯(lián)JPC；張新等[4]研究了VESF板對(duì)聚能桿式射流成型的影響；劉亞昆等[5]研究分析了亞半球罩外曲率半徑、罩高等參數(shù)對(duì)桿式射流頭部速度以及頭尾速度差的影響規(guī)律；徐斌等[6]提出了一種新型聚能裝藥結(jié)構(gòu)，通過(guò)添加直線(xiàn)型輔助裝置改變射流碰撞區(qū)域，揭示高速桿式射流的形成過(guò)程；胡曉敏等[7]研究了藥型罩結(jié)構(gòu)對(duì)超聚能射流性能的影響，結(jié)果表明射流速度與長(zhǎng)度隨著錐角的增加而增加；石軍磊等[8]研究了輔助藥型罩材料對(duì)超聚能射流性能的影響，證明了輔助藥型罩材料密度越大，射流形態(tài)和連續(xù)性越好。

本文通過(guò)對(duì)球缺藥型罩添加弧線(xiàn)型開(kāi)口輔助裝置來(lái)改變射流運(yùn)動(dòng)方向，使得沿輔助裝置運(yùn)動(dòng)的射流方向與軸線(xiàn)方向的夾角不斷減小，實(shí)現(xiàn)EFP向JPC的轉(zhuǎn)化，通過(guò)改變輔助裝置水平厚度、開(kāi)口直徑以及材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)射流的優(yōu)化。

1 建立模型

1.1 幾何模型

裝藥結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，由殼體、B炸藥、藥型罩、輔助裝置組成。裝藥直徑D=60 mm，裝藥高度為80 mm，壁厚2 mm，罩高為19.8 mm，藥型罩外曲率半徑為35.29 mm，內(nèi)曲率半徑為33.49 mm，輔助裝置外曲率半徑為69.08 mm，水平厚度為a，開(kāi)口直徑為L(zhǎng)。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)幾何模型示意圖

1.2 有限元模型

有限元模型如圖2所示。該結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，只需建立1/2模型；其中殼體、裝藥、藥型罩、輔助裝置采用Euler算法，靶板采用Lagrange算法；空氣域邊界類(lèi)型定義為Flow-Out，所有物質(zhì)可以流出，模擬無(wú)限空間；為更好地觀察射流的成型過(guò)程，對(duì)射流經(jīng)過(guò)的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖3所示；在輔助裝置出口處設(shè)置第一個(gè)高斯點(diǎn)，之后每隔一個(gè)裝藥直徑長(zhǎng)添加一高斯點(diǎn)；起爆方式采用中心點(diǎn)起爆。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

材料采用軟件自帶材料庫(kù)中的材料，其中炸藥選用B炸藥，密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980.001 m/s，爆壓為2.95×107kPa，藥型罩材料為銅、殼體材料為鋼、輔助裝置材料分別采用鋼和鉭，進(jìn)一步研究輔助裝置材料密度的不同對(duì)射流速度的影響。具體材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 侵徹體成型過(guò)程

當(dāng)輔助裝置材料選用鋼，結(jié)構(gòu)參數(shù)a取4.0 mm、L取7.5 mm 時(shí)，侵徹體成型過(guò)程如圖4所示。裝藥起爆后爆轟波開(kāi)始向藥型罩運(yùn)動(dòng)，9 μs時(shí)爆轟波到達(dá)藥型罩頂部，藥型罩發(fā)生塑性變形而被壓垮，在16 μs時(shí)翻轉(zhuǎn)成平板，之后藥型罩頂部繼續(xù)沿著軸線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，底部開(kāi)始沿著輔助結(jié)構(gòu)表面運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，沿輔助裝置表面移動(dòng)的藥型罩速度方向與軸線(xiàn)方向的夾角不斷減小，在21 μs時(shí)，藥型罩頂部到達(dá)輔助裝置出口處，隨后，藥型罩進(jìn)一步被壓垮、射流進(jìn)一步拉伸，最終形成JPC。

圖4 JPC成型過(guò)程示意圖

當(dāng)去掉輔助裝置時(shí)，侵徹體成型過(guò)程如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)：侵徹體在成型初期與圖4中前16 μs相似，21 μs時(shí)藥型罩中部向前運(yùn)動(dòng)，邊部遲后并向?qū)ΨQ(chēng)軸收縮成為尾部，最終形成EFP。

圖5 EFP成型過(guò)程示意圖

2.2 兩種侵徹體對(duì)比分析

2.2.1速度對(duì)比與分析

對(duì)于裝藥直徑為60 mm，裝藥高度為80 mm這一裝藥結(jié)構(gòu)，輔助裝置的添加可以實(shí)現(xiàn)EFP向JPC的轉(zhuǎn)化。兩種侵徹體在各高斯點(diǎn)處的軸向速度如圖6所示。

圖6 兩種毀傷元高斯點(diǎn)處軸向速度曲線(xiàn)

由圖6分析可得，通過(guò)對(duì)球缺藥型罩添加輔助裝置，使得新成型的桿式射流在軸線(xiàn)上的碰撞速度以及頭部速度均有了明顯的提升，同時(shí)還保留了EFP藥型罩利用率高，速度梯度小的優(yōu)點(diǎn)。具體比較45 μs時(shí)兩種毀傷元的參數(shù)，此處直徑為密實(shí)處直徑，基本參數(shù)如表2所示。由表可知：添加輔助裝置后，JPC的長(zhǎng)度是EFP長(zhǎng)度的1.77倍，射流頭部速度由原先的3 243.7 m/s提高到4 763.5 m/s，提高了46.85%。

表2 45 μs時(shí)EFP和JPC的基本參數(shù)

2.2.2侵徹效果對(duì)比

為了研究同一裝藥結(jié)構(gòu)下EFP和JPC對(duì)靶板的侵徹效果，在2D炸高處，設(shè)置了200 mm×80 mm的靶板，材料為鋼。兩種毀傷元在70 μs時(shí)對(duì)鋼板的侵徹情況如圖7所示。

對(duì)比可得：EFP侵徹靶板最大孔徑為9.5 mm，孔深為23 mm，此時(shí)剩余頭部速度為1 044.6 m/s；JPC侵徹靶板最大孔徑相對(duì)于EFP較小，為4.6 mm，孔深為29 mm，剩余頭部速度為1 634.7 m/s。

2.3 輔助裝置參數(shù)a對(duì)JPC的影響

為了討論輔助裝置軸向?qū)挾萢對(duì)JPC成型的影響，選取裝藥尺寸、輔助裝置材料為鋼以及開(kāi)口直徑L=7.5 mm不變，設(shè)計(jì)了輔助裝置軸向?qū)挾萢分別為4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm三種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到JPC在45 μs時(shí)的基本參數(shù)如表3所示。

表3 45 μs時(shí)JPC的基本參數(shù)

對(duì)比分析可得：輔助裝置水平寬度的改變對(duì)射流的連續(xù)性有影響，當(dāng)a=4.0 mm時(shí)，射流連續(xù)性較好，隨著a的增加，射流出現(xiàn)斷裂情況，當(dāng)a=6.0 mm時(shí)，射流出現(xiàn)兩處斷裂；同時(shí)隨著a的增加，射流頭部速度不斷增大，尾部速度不斷減小，頭尾速度差增大。這是因?yàn)樗綄挾萢的增加，使得射流在經(jīng)過(guò)輔助裝置水平段時(shí)受徑向壓力作用的時(shí)間更長(zhǎng)，從而造成射流出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

2.4 輔助裝置參數(shù)L對(duì)JPC的影響

為了討論輔助裝置開(kāi)口直徑L對(duì)JPC成型的影響，選取裝藥尺寸、輔助裝置材料為鋼以及水平寬度a=5.0 mm不變，設(shè)計(jì)了輔助裝置開(kāi)口直徑L分別為6.5 mm、7.0 mm、7.5 mm、8.0 mm四種情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到JPC在45 μs時(shí)成型情況與速度大小如表4所示。

表4 45 μs時(shí)JPC的基本參數(shù)

對(duì)比分析可得：輔助裝置開(kāi)口直徑的改變對(duì)射流成型有很大的影響，隨著開(kāi)口直徑的增加，射流在輔助裝置出口處直徑增大，使得射流頭部直徑逐漸增大，同時(shí)射流長(zhǎng)度在逐漸減?。婚_(kāi)口直徑的變化對(duì)射流速度也有影響，開(kāi)口直徑的減小導(dǎo)致射流頭部速度增加，尾部速度減小，頭尾速度差增大，當(dāng)L減小到7 mm時(shí)，射流頭部速度保持在5 158.2 m/s，此時(shí)繼續(xù)減小L，速度增加不再明顯。

2.5 輔助裝置材料對(duì)JPC的影響

為了討論輔助裝置材料對(duì)JPC成型的影響，選取結(jié)構(gòu)參數(shù)為a=5.0 mm，L=7.5 mm的輔助裝置，將材料換為密度更大的鉭。兩種材料在100 μs時(shí)射流速度分布如圖8所示。

圖8 100 μs時(shí)射流速度分布曲線(xiàn)

對(duì)比分析可得：當(dāng)輔助裝置材料換為密度更大的材料時(shí)，JPC長(zhǎng)度以及速度均有很大的提升，頭部速度由原先的4 824 m/s變?yōu)? 173 m/s，提高了7.2%；但隨著密度的增大，射流尾部速度降低，速度梯度增大，射流頭尾速度差是材料為鋼時(shí)的1.4倍。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)球缺藥型罩添加弧形輔助裝置改變射流運(yùn)動(dòng)方向，可以實(shí)現(xiàn)EFP向JPC的轉(zhuǎn)化；轉(zhuǎn)化后的JPC頭部速度相對(duì)于EFP提高了46.85%，長(zhǎng)度是EFP長(zhǎng)度的1.77倍，在侵徹鋼板后，JPC剩余頭部速度是EFP的1.56倍；輔助裝置水平寬度a增加，射流頭部速度明顯增大；速度最大可達(dá)5 318 m/s；輔助裝置開(kāi)口直徑L增加，使得射流長(zhǎng)度和速度均減小，當(dāng)L減小到7 mm時(shí)，射流頭部速度保持在5 158.2 m/s，此時(shí)繼續(xù)減小L，速度增加不再明顯；輔助裝置材料的改變對(duì)射流成型也有影響，選用密度更大的材料時(shí)，射流速度明顯提升，材料選用鉭相對(duì)于鋼，速度提高了7.2%。