段聰慧，尹建平，馬國徽，張小靜

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.陸軍駐南陽地區(qū)第一軍代室， 河南 南陽 473000)

隨著裝甲防護能力的不斷提高，各種聚能裝藥戰(zhàn)斗部也不斷出現(xiàn)，研究人員還在不斷探索著新的結構的戰(zhàn)斗部，如復合藥型罩戰(zhàn)斗部、多層串聯(lián)戰(zhàn)斗部、星錐狀藥型罩戰(zhàn)斗部、梅花形藥型罩戰(zhàn)斗部和不同裝藥戰(zhàn)斗部等[1]。

在戰(zhàn)斗部內(nèi)部添加隔板使到達藥型罩時的爆轟波壓力增加也是一種提高射流性能的手段。有許多人對此進行了研究，李如江等[2]通過詳細的原理計算把隔板對聚能射流性能的影響進行了理論敘述和數(shù)值模擬；岳繼偉等[3]研究表明了隔板對偏心起爆具有放大作用；李運祿等[4]研究分析了隔板對偏心亞半球罩聚能裝藥的影響，得出了尼龍作為隔板材料時射流性能較好，隔板直徑為主要影響因素，隔板頂部與藥型罩頂部距離對射流性能影響不大等等。但還沒有人研究過隔板對雙層藥型罩有何影響，本文對這一問題進行研究與探索。

1 隔板影響爆轟波原理

如圖1所示，隔板要選擇音速較小、隔爆性能好的材料，要保證路徑2的爆轟波到達藥型罩表面前，路徑1的爆轟波不能提前到達藥型罩表面[5]。

圖1 爆轟波的傳播路徑示意圖

隔板的主要作用是改變爆轟波到達藥型罩時的著角，路徑1代表未加隔板的情況下，進行點起爆時爆轟波的傳播路徑，可以看出爆轟波沿直線傳播到藥型罩表面，爆轟波面切線與藥型罩母線的夾角為α；加了隔板后，爆轟波傳播包括路徑1和路徑2兩條，一部分爆轟波會沿著直線穿過隔板到達藥型罩表面，因為要穿過介質，所以爆轟波的能量會有所損失；一部分爆轟波沿著路徑2到達藥型罩表面，爆轟波面切線與藥型罩母線的夾角為β。到達藥型罩表面的初始壓力可由式(1)算出。

Pm=Pcj(cosx+0.68)

(1)

其中：Pcj為爆壓;x為爆轟波面切線與藥型罩母線之間的夾角。

由式(1)可以知道，隨著夾角x的減小，爆轟波作用在藥型罩的壓力就越大，當角度減小到0°時，到達藥型罩的壓力達到最大。所以隔板的作用就是盡可能減小爆轟波到達藥型罩時的角度。由圖1可以明顯看出，增加隔板之后，爆轟波到達藥型罩表面的角度β小于直線傳播過來的角度α，結合式(1)可以知道，起到了增加爆轟波壓力的作用。

另一方面，路徑1的爆轟波和路徑2的爆轟波在藥型罩頂部進行匯合，形成速度更強的波，使形成的射流頭部速度大大提高。

下面通過調(diào)整隔板的參數(shù)，使到達藥型罩的爆轟波壓力盡可能大，同時保證射流的形態(tài)穩(wěn)定。

2 數(shù)值仿真模型的建立

2.1 結構模型

圖2是在AutoCAD中繪制的全模型，彈體直徑為D=100 mm，隔板直徑為d，殼體壁厚為t=3 mm，藥型罩厚度為δ=2.5 mm，內(nèi)罩厚度為λ=1 mm，藥型罩頂部距離隔板n=5 mm，裝藥底部距離隔板m=8，隔板平臺x，藥型罩錐角為2α=60°，長徑比為1.5,裝藥長度L=150。

圖2 帶有隔板的幾何模型示意圖

在Autodyn-2D中創(chuàng)建二分之一有限元模型(如圖3)。在戰(zhàn)斗部爆炸時，不論藥型罩還是炸藥，都會產(chǎn)生很大變形，所以計算模型均采用Euler算法，因為Euler算法中只有材料在網(wǎng)格間流動，避免了Lagrange算法在計算過程中，網(wǎng)格發(fā)生大變形造成的計算時間太長甚至出錯的麻煩?？諝馀c邊界類型定義為Flow-Out，來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射影響正常仿真結果。

圖3 帶有隔板的有限元模型示意圖

2.2 材料模型

仿真中所應用到的材料均來自Autodyn自帶材料庫中選取[6]，殼體用硬鋁AL 2024-T4，內(nèi)層藥型罩用紫銅COPPER，密度為8.93 g/cm3，外層藥型罩采用硬鋁AL 2024-T4，炸藥用COMPBJJ1,密度為1.717 g/cm3，隔板材料為尼龍NYLON，密度為1.14 g/cm3;以上材料模型的狀態(tài)方程、強度模型和失效模型如表1所示。

表1 材料模型

3 仿真結果及其分析

3.1 有無隔板對爆轟波和射流的影響

第1節(jié)通過理論分析了隔板對爆轟波傳播的影響。下面將應用Autodyn-2D對上述結構和材料的雙層藥型罩進行仿真驗證(如圖4)。

圖4 爆轟波波形

從圖4可以看出，不加隔板時，爆轟波是典型的球面波，且在7.1 μs時達到藥型罩頂部，從左側的壓力表中可以看出最大壓力只有3.161×104MPa；加隔板后，爆轟波從兩邊繞過隔板，13.28 μs時在藥型罩頂部匯聚成超壓波，壓力達到了1.827×105MPa，壓力遠大于不加隔板時候的爆轟波壓力。

由圖5結合表2可以看出無隔板時，射流的長度和速度明顯小于有隔板的射流，有隔板時的速度比無隔板時速度提高了37.68%，長度伸長了36.76%，可以看出加隔板對射流的速度和長度有很大的作用。無隔板時射流比較短粗，杵體比較粗大；有隔板的射流呈細長狀態(tài)，杵體較小，這是由于藥型罩受到的壓力很大，射流速度快，迅速被拉長。

表2 在60 μs時有無隔板對射流的影響

3.2 隔板直徑對雙層藥型罩射流成型的影響

為研究隔板直徑對雙層藥型罩射流成型的影響，保持其他變量不變，只改變隔板直徑進行研究，分別將隔板直徑分為72 mm、76 mm、80 mm、84 mm和88 mm 5組研究射流的頭部速度、射流長度和形態(tài)。在60 μs時，射流已成型，仿真結果如圖6與圖7所示。

圖6 隔板直徑對射流成型的影響曲線

圖7 不同直徑隔板的射流成型

圖6可以看出隨著隔板直徑的增大，射流的速度也在增大，這是由于隨著隔板直徑增大，沿路徑2傳播的爆轟波面切線與藥型罩母線之間的夾角不斷減小，從而使爆轟波在此路徑作用于藥型罩的壓力不斷增大，導致射流速度的增大；射流的長度隨著直徑的增大先增大后減小，在隔板直徑為 84 mm 時，射流的長度達到了最大；由圖7可以看出，加了隔板后，射流不同程度的在頭部出現(xiàn)了拉斷，這是因為射流速度太高所導致的，其中隔板直徑為88 mm時，射流拉斷比較嚴重，不但射流頭部出現(xiàn)拉斷，射流中部也出現(xiàn)了拉斷的趨勢，射流成型較差。綜上所述，當隔板直徑為84 mm時，射流的速度較高，射流長度最長，射流形態(tài)較好，總體性能優(yōu)于其他直徑時的射流性能，所以下面進一步研究時選擇隔板直徑為84 mm。

3.3 隔板平臺長度對雙層藥型罩射流成型的影響

為研究隔板平臺x對雙層藥型罩射流成型的影響，將隔板平臺分成x=10 mm、20 mm、30 mm和40 mm 4部分進行射流成型仿真。在60 μs時，射流已成型，仿真結果如表4所示。

表4 在60 μs時隔板平臺長度對射流的影響

由表3可以看出，隔板平臺的長度對射流速度和射流長度都有影響，影響機制復雜，不具備線性規(guī)律，根據(jù)實驗條件所得，隔板平臺長度為20 mm時，射流的速度達到了最高，隔板平臺長度為10 mm時，射流長度達到最大。綜上分析，隔板結構優(yōu)化中選取隔板長度應在10～20 mm選擇。

4 結論

通過理論分析，得知在錐角為60°的雙層藥型罩，材料模型為殼體用硬鋁AL 2024-T4，內(nèi)層藥型罩用紫銅COPPER，密度為8.93 g/cm3，外層藥型罩采用硬鋁AL 2024-T4，炸藥用COMPBJJ1，密度為1.717 g/cm3，隔板材料為尼龍NYLON，密度為1.14 g/cm3的情況下，隔板可以提高爆轟波到達藥型罩表面時的壓力，再加上雙層罩的加速作用，可以使射流的速度進一步提高。對本文構建的直徑100 mm樣彈模型而言：

1) 相比較于無隔板，增加隔板使得射流的頭部速度比無隔板時提高了37.68%，射流長度伸長了36.76%，杵體直徑更小，射流長徑比更大。

2) 隔板的直徑d為84 mm時，射流的頭部速度達到10 030 m/s，射流長度達到最大，射流的形態(tài)也比較好，射流整體性能達到最好。

3) 隔板平臺在x=20 mm時，使射流頭部速度達到最大；在x=10 mm時，射流長度達到最大；所以x在選取時應該為10～20 mm。