陳 亮,祖旭東,黃正祥,肖強強,韓 偉

(1.南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094;2.中國人民解放軍32381部隊,北京 100071)

非晶合金材料具有遠高于對應晶態(tài)材料的斷裂強度和脆性,其綜合力學性能要優(yōu)于常規(guī)金屬,同時普遍具有較大的密度,具備了應用在藥型罩上的可能。試驗發(fā)現(xiàn),采用非晶材料作為藥型罩,可以形成非凝聚射流,由于其速度大,散布也較大,為提高聚能裝藥擴孔能力提供了新思路,但目前國內外相關研究較少。WALTERS等對非晶合金材料藥型罩進行研究,擬突破非晶合金材料應用于藥型罩的技術難題,結果表明射流主要呈現(xiàn)以大量粒子構成的高速集束粒子流形態(tài),高速粒子間運動相互獨立且具有一定的徑向速度,炸高在2.3倍裝藥直徑時能達到0.51倍裝藥直徑大小的開孔效果。TRISHIN等研究了孔隙度對聚能射流的形成影響,發(fā)現(xiàn)當孔隙度大于某個值時,射流就會由凝聚轉變?yōu)榘l(fā)散。在非晶合金材料藥型罩的應用方面,鄭娜娜等提出W-Cu-Zr非晶合金藥型罩材料,通過對該材料綜合力學性能的研究,設想其用作藥型罩材料時有利于提高戰(zhàn)斗部的侵徹威力。文獻[4-5]通過冷淬法制得Zr基、Fe 基、Cu基非晶合金材料,具有高強高韌性能和良好的成型工藝性能,并成功制備出80 mm藥型罩。劉迎彬考慮藥型罩的初始孔隙度對射流成型的影響,提出了多孔隙藥型罩壓垮速度和聚能粒子流速度的計算公式,給出了多孔藥型罩形成聚能粒子流的判斷準則。

有關Zr基非晶合金藥型罩的研究,在射流成型特性,特別是非凝聚性方面的研究很少,對于不同材料性質藥型罩射流凝聚性差異的研究尚未開展。射流的凝聚性關系到射流的尺寸和密度,從而關系到射流對目標的開孔能力和侵徹深度。本研究利用數值仿真方法分別對Zr基非晶合金和Cu藥型罩射流成型過程進行模擬,并通過脈沖X光試驗進行驗證,對比已有的金屬和高聚物藥型罩射流成型結論,分析Zr基非晶合金射流的本質及成因。研究結果對于選取非凝聚射流藥型罩材料具有一定參考價值。

1 數值仿真建模

1.1 數值方法

考慮到非晶合金藥型罩形成的射流呈非凝聚態(tài)特征,射流頭部的狀態(tài)是離散的、膨脹的,傳統(tǒng)計算凝聚射流的歐拉方法不適用于描述這種情況,因此采用SPH光滑粒子流體動力學方法進行數值模擬。

1.2 數值模型

本數值仿真采用標準56 mm口徑藥型罩結構,其具有結構簡單、加工方便、成型射流穩(wěn)定等優(yōu)點,填充粒子間距為0.2 mm,聚能裝藥結構尺寸如圖1所示。

圖1 聚能裝藥結構尺寸

1.3 材料模型

通過萬能實驗機(MTS)獲得準靜態(tài)壓縮條件下的應力-應變曲線,如圖2所示。該試驗采用4 mm×8 mm的標準試件,通過圖2可看出,Zr基非晶合金材料(具體組分為ZrTiNiCuBe)在受壓縮破壞前沒有塑性應變,壓縮屈服強度高達1 860 MPa,遠大于銅的屈服強度227 MPa,應看作脆性材料。針對其彈性-脆性、非多孔的材料性質,本仿真采用Johnson-Holmquist本構模型(JH-2模型),此強度模型主要用于描述脆性材料在高應變率、高壓、大變形、材料損傷破壞環(huán)境下的動態(tài)力學響應行為。

圖2 Zr基非晶合金和銅準靜態(tài)應力-應變曲線

本文以Zr基非晶合金藥型罩為研究對象,為研究其形成射流形態(tài)與傳統(tǒng)金屬藥型罩形成射流形態(tài)的差異性及主要影響因素,利用仿真軟件分別模擬了Zr基非晶合金和Cu 2種材質藥型罩的射流成型過程。Cu采用Johnson-Cook強度模型和Shock狀態(tài)方程進行描述;Zr基非晶合金選用JH-2強度模型及失效模型和Polynomial狀態(tài)方程進行描述,主要參數如表1所示,表中,為密度;為剪切模量;,,,,為材料常數。主裝藥均選用8701炸藥,主要參數如表2所示,表中,,,,,為材料常數;為爆速;為爆壓。

表1 Zr基非晶合金的主要材料參數

表2 8701炸藥的主要材料參數

2 數值仿真及結果分析

藥型罩的材料類型是影響射流成型的關鍵因素,Zr基非晶合金是金屬在凝固過程中通過工藝避免結晶而形成的材料,與金屬材料的特性有本質區(qū)別。Zr基非晶合金藥型罩和Cu藥型罩射流的仿真成型過程如圖3所示。

圖3 射流成型及拉伸過程

2.1 射流速度差異分析

由圖3對比可看出,Zr基非晶合金射流與Cu射流輪廓相近,頭部最大速度分別為7 252 m/s、6 819 m/s,相差不大。這是因為Zr基非晶合金密度為6.11 g/cm,Cu密度為8.93 g/cm,密度相差不大且藥型罩結構一致。但隨著時間的延長,Cu射流在40 μs已經有明顯的頸縮現(xiàn)象,60 μs時局部明顯拉斷,同時刻下Zr基非晶合金射流連續(xù)性仍良好并無頸縮現(xiàn)象。隨著時間延長,Zr基非晶合金射流頭部直徑不斷增加,表現(xiàn)出非凝聚特性,50 μs時Cu射流頭部直徑達到11.1 mm,同時刻Zr基非晶合金射流頭部直徑達到20.2 mm,接近前者2倍。在2種藥型罩模型內外側相同位置設置多個高斯點,任取運動到射流頭部的3個高斯點,徑向速度變化對比如圖4所示,圖中,射流軸向方向為方向,徑向方向以笛卡爾坐標系分為、方向,可以看出,在2種藥型罩同一微元位置,Zr基非晶合金射流在碰撞點匯聚后微元徑向速度曲線均遠比銅射流平穩(wěn),說明物質微元處于力平衡狀態(tài),不受因速度差造成拉伸時的內部作用力;Zr基非晶合金射流穩(wěn)定后徑向速度均不小于銅射流,因此Zr基非晶合金射流頭部直徑顯著大于Cu射流頭部直徑;雖然Zr基非晶合金屈服強度1 860 MPa遠大于Cu的屈服強度227 MPa,但兩者起始加速時刻幾乎一致,說明在爆轟波遠高于兩者屈服強度的加載下,兩者均被瞬時壓垮,但由于Zr基非晶合金密度小于Cu密度,其壓垮速度略大,匯聚時間略短。

圖4 頭部徑向速度曲線

CHOU等在研究平面軸對稱碰撞機制時總結出射流形成的準則:亞聲速碰撞時,總會形成一個密實凝聚射流;超聲速碰撞時,存在一個形成附體沖擊波的最大角度,若壓垮角>,則會形成非凝聚射流,若壓垮角<,則不會形成射流。

Zr基非晶合金的體聲速為5 824 m/s,遠超過接近4 000 m/s的壓垮速度,不滿足傳統(tǒng)金屬材料形成非凝聚射流的聲速準則要求,說明Zr基非晶合金形成的射流性質不同于常規(guī)金屬射流。

2.2 射流密度差異分析

由于Zr基非晶合金射流與Cu射流凝聚性存在差異,因此其質量、密度分布應有不同。圖5所示為兩者在30 μs時的粒子密度分布情況。

圖5 30 μs時射流密度分布云圖

由圖5可以看出:對于Cu射流,由于射流整體凝聚性很好,在30μs時射流密度整體基本保持在7.8 g/cm以上,密度極差約為2.0 g/cm,密度變化幅度22.4%,密度分布為從外表面到核心逐漸減小。而對于Zr基非晶合金射流,在30μs時除射流核心部分仍然在5.6 g/cm以上外,射流外部密度普遍較小,密度極差約為5.1 g/cm,密度變化幅度91.7%,密度分布為從外表面到核心逐漸增大。Cu射流所表現(xiàn)出的密度分布特點是具有流體性質的射流的共同點,應是射流拉伸時流體黏性產生的影響。而Zr基非晶合金射流很明顯不具備這一典型特點。結合Zr基非晶合金射流無頸縮現(xiàn)象,射流主體直徑基本保持不變,頭部物質微元處于力平衡態(tài)的情況。Zr基非晶合金射流的非凝聚現(xiàn)象應采用非凝聚高速集束粒子流來解釋。

非凝聚集束高速粒子射流是藥型罩在壓垮過程中,受藥型罩材料力學特性影響不能形成凝聚態(tài)射流和杵體,轉而大部分質量全部形成高速粒子束狀態(tài)的射流。用Zr基非晶合金射流性質為高速粒子流這一推論可解釋Zr基非晶合金射流與Cu射流密度變化幅度相差極大這一現(xiàn)象。假設Cu射流為不可壓縮黏性流體,2種射流組成性質的不同造成密度分布的差異性。Cu射流在碰撞點匯聚時,壓垮速度小于體聲速,不會產生激波面,射流不會受到突躍的擾動影響。Cu射流在空氣介質中運動時,會在邊界上與空氣產生強烈的剪切力,這個剪切層的黏性作用減小了射流外部速度,而內層因不受力(或受力小)而速度要大于外部,因此軸心物質微元拉伸較快,密度較小。Zr基非晶合金射流在碰撞點匯聚時,大量高速粒子撞擊后應會發(fā)生質量重新分配,密度大的粒子受徑向力影響小,徑向速度小,在射流內部;密度小的粒子受徑向力影響大,徑向速度大,在射流外部。同時因材料本身的高脆性,受大加載時會產生部分破碎的小密度粒子,擴大了密度的極差。

綜上可以說明:Zr基非晶合金射流性質不同于Cu射流,不是流體性質,應為高速集束粒子流,因此造成Zr基非晶合金射流與Cu射流密度分布相反的現(xiàn)象。

3 試驗驗證

數值仿真將Zr基非晶合金按照脆性材料處理,沒有考慮到高壓、高應變率和高溫對非晶材質的影響。為驗證分析數值仿真結果所得到的結論,本文開展了射流成型X光攝像實驗,Zr基非晶合金藥型罩如圖6所示,現(xiàn)場布置如圖7所示。

圖6 Zr基非晶合金藥型罩實物圖

圖7 X光實驗布置圖

2種藥型罩脈沖X光圖像與數值仿真結果對比如圖8所示,其中圖8(b)中X光圖像引用自文獻[14],均為標準56 mm口徑藥型罩,圖中的標注為X光片上的尺寸,放大比例為2?？梢钥闯?起爆后30 μs時,射流輪廓清晰,能夠明確觀察到射流各部分形態(tài),Zr基非晶合金射流整體凝聚性良好,頭部略有膨脹現(xiàn)象,整個射流連續(xù)性良好,對稱性良好;從起爆后60 μs時圖像來看,射流整體連續(xù)性良好,不存在頸縮現(xiàn)象,對稱性發(fā)生劣化,射流整體邊緣略微模糊,類似霧化,射流尾部形態(tài)出現(xiàn)明顯霧化。對比2個時間節(jié)點可發(fā)現(xiàn),射流尾部與杵體銜接處形態(tài)變化不明顯,這是因為藥型罩底部有效裝藥比較少,射流粒子加載速度較小。

圖8 射流X光圖像(左)與數值仿真結果(右)

從脈沖X光照片與數值仿真結果的對比圖像來看,兩者在2個時刻形貌均很接近,說明采用SPH方法能較好地描述非凝聚射流和凝聚射流2種情況。結合表3的測量數據,射流頭部速度、頭部直徑及射流長度的仿真值和實測值均吻合較好,說明在該時間跨度內,數值仿真具有真實性和可靠性。針對Zr基非晶合金射流圖像,=30 μs時,射流成型時間較短,邊緣粒子徑向行程較小,射流還沒有明顯發(fā)散。當=60 μs時,隨著粒子流的不斷運動,邊緣低密度粒子已產生了較大的位移。以上X光圖像特征符合前文關于Zr基非晶合金射流為集束高速粒子流的推論。

表3 射流成型數值仿真與試驗結果對比

4 結束語

本文針對Zr基非晶合金藥型罩射流成型情況展開研究,通過數值仿真方法對比了Zr基非晶合金藥型罩與銅藥型罩的射流成型差異,并通過脈沖X 射線成像技術對仿真結果的有效性進行了試驗驗證。得到如下結論:

①Zr基非晶合金射流與Cu射流有明顯差異,由于Zr基非晶合金材料屈服強度極高、塑性極低,藥型罩在壓垮時形成高速粒子流,頭部粒子碰撞后會產生明顯的發(fā)散效應,此現(xiàn)象適用于其他脆性材料。

②Zr基非晶合金射流具有良好的連續(xù)性,由于其本質是離散粒子,不會因頭尾速度差產生頸縮現(xiàn)象,射流成型穩(wěn)定后,密度基本不會隨時間變化,密度大小分布為軸心到表面逐漸遞減。

③基于脆性材料模型的數值仿真方法能夠在一定時間范圍內對Zr基非晶合金射流成型進行準確模擬,當射流因藥型罩破碎形成的高速粒子質量分布不對稱而造成的形貌改變不可忽略時,仿真與實際具有一定差距。