不同爆轟波形對串聯聚能射流影響的數值模擬?

閆玉鳳,陳智剛,周迪鋒,魯修國

(中北大學 機電工程學院,山西 太原 030051）

0 引 言

聚能裝藥作為一種產生高能量密度的技術,在軍事領域和民用領域得到了越來越廣泛的應用,特別是在軍事領域.近年來,隨著現代科技的發展,各種軍事目標的防護和抗打擊能力不斷提高,用傳統的穿、破甲彈藥摧毀目標的困難越來越大,這就對射流性能提出了更高的要求.針對上述問題,本文提出了一種新型的裝藥結構,即雙級串聯藥型罩.通過對此藥型罩結構設計來研究其射流成形及增效機理,從而達到大幅度提高穩定生成且相互加強的呈同軸分布的金屬射流量的目的.金屬射流在運動過程中,經連續拉長后,能夠顯著提高穿深,并提高效費比,具有極其重要的理論和工程應用價值.

1 串聯裝藥結構描述

本文所述的新型串聯聚能藥型罩方案如圖1所示.

它是在傳統聚能裝藥射流穩定技術的基礎上拓展引伸的一種裝藥結構,用于增大穿深或破孔孔徑.本結構基于同軸射流這一思路,當后級裝藥爆炸壓垮藥型罩形成金屬射流時,由于其屬小錐角藥型罩,頭部速度較高迅速通過兩級裝藥結合部的圓柱形通道,此時前級炸藥被引爆,爆轟產物推動藥形罩向軸線方向運動,形成的金屬射流在藥型罩軸線方向與后級射流發生匯聚,進一步加大金屬射流的長度及破孔直徑,并保持金屬射流的穩定性,實現了對目標的接力侵徹.兩級間為與藥型罩材料相同的隔板.

2 計算模型及材料模型

圖1 串聯成型裝藥結構示意圖Fig.1 Diag ram of tandem shaped charge jet structu re

2.1 計算模型

本文采用多物質 ALE[1]方法和運動網格法來進行模擬.因為聚能裝藥作用過程是一種包括裝藥爆炸、藥型罩壓垮、射流形成及拉伸等多物質相互作用的大變形運動,所以用 Lagrange[2]方法難以準確模擬.為了減少計算量,本文中全部采用 1/4模型進行數值模擬,有限元模型采用 Truegrid前處理軟件建立,為了使沖擊波在模型外表面不產生反射,在計算模型中空氣介質外表面施加透射壓力邊射條件.

2.2 材料模型

數值模擬中,炸藥采用狀態方程來描述爆轟產物的壓力-體積能量特性,其形式如式 (1)所示[3]

式中:p——壓力;

E——單位體積內能;

V——比容(單位體積裝藥產生的爆轟產物的體積);

狀態方程中的系數 A′,B′,R1,R2,k為描述 JW L方程必須的 5個獨立物理常數.

使用 Johnson-Cook材料模型與 Gruneison狀態方程合用定義藥型罩材料,采用具有高延展率的金屬材料紫銅,其材料參數[4]見表1.

采用 8701炸藥,其主要參數分別是[5]:炸藥密度為 1.787 g/cm3,爆速為 7.98 km/s,CJ壓力為29.5 GPa.表2給出了 8701炸藥 JW L狀態方程的主要參數.

表1 紫銅藥型罩材料參數 T meh(k)Tab.1 Material parameters forw ith line

表2 8701炸藥 JW L狀態方程參數表Tab.2 JW L equation of state param eters for ex plosives

3 計算結果分析

3.1 不同起爆方式下聚能射流形成的理論分析

點起爆方式與正向環形起爆方式下所產生的爆轟波形和藥型罩表面母線所成的夾角如圖2所示,正向環形起爆對應的夾角為U1,點起爆對應的夾角為U2.從圖2所示U1＜U2,由此可知,正向環形起爆所形成的爆轟波形與藥型罩外表面更為貼近,罩微元獲得的爆轟載荷大,壓垮速度也大,因而產生的射流速度大.另外,正向環形起爆所產生的軸對稱爆轟波在裝藥軸線處發生碰撞,根據 B.Dunne所提出的爆轟波碰撞模型[6],此時將在爆轟波碰撞處形成高壓區,也有利于提高射流的速度.隨著起爆直徑的增加,爆轟時的壓垮角小,有利于形成高速射流,隨著起爆直徑的增加,爆轟波形與藥型罩母線的夾角也逐漸減小,對藥型罩的作用力逐漸增大,藥型罩微元的壓垮速度逐漸增大,導致射流速度越來越大.

圖2 爆轟波形與藥型罩母線夾角示意圖Fig.2 Diag ram of angular section betw een detonation w ave and generatrix of outside liner

3.2 數值模擬結果及分析

圖3為不同起爆方式下 t=2μs,4μs,6μs,8μs時的爆轟波波形.圖3中可以看到:逆向環形起爆產生倒置的凹錐形爆轟波.正向環形起爆后,產生軸對稱收斂的喇叭形[7]爆轟波;中心點起爆后,波陣面呈球面;根據理論分析表明,通過起爆方式可以來控制裝藥中的爆轟波形,不同的爆轟波形導致藥型罩上的爆轟載荷分布規律和藥型罩的壓垮變形趨勢不同,最終導致射流性能產生差異.

從表3可知,逆向環形起爆形成的射流頭部速度最高,正向環形起爆高于點起爆.理論與模擬結果都表明:作用于藥型罩表面的初始壓力與爆轟波陣面和罩表面母線的夾角U有很大關系,U角減小,作用于罩內的爆轟載荷將會增加,從而使罩微元的壓垮速度增加,導致射流速度增大.逆向環形起爆時其爆轟波從裝藥底端向上傳播,使藥型罩從底部開始被壓垮,藥型罩各微元的壓垮角比正向起爆時的壓垮角小[8],因而形成了高速的射流.t=22μs時所形成的速度分布和速度云圖如圖4,圖5所示.

圖3 不同起爆方式下的爆轟波形Fig.3 Detonationwaveforms under differen t initiation ways

表3 t=22μs時各種起爆方式下所對應的射流速度Tab.3 Speed of shaped charge jet under different initiation w ays at t=22μs

圖4 t=22μs時的射流長度與速度的關系Fig.4 The relation curves of jet leng th and velocity at 22μs

圖5 t=22μs時速度云圖Fig.5 Velocity nephogram at 22μs

4 結 論

1)應用 LS-DYNA3D數值仿真軟件模擬了主裝藥在中心點起爆、正向環形起爆和逆向環形起爆等不同方式下射流的形成過程,通過對比其爆轟波形可看出:正向環形起爆形成的凹錐形爆轟波具有聚心效果;中心點起爆形成的球面爆轟波具有散心效應.

2)逆向環形起爆形成高速細長的射流.當采用上薄下厚的藥型罩和裝藥外殼時,針對其爆轟波傳播機理,可以極大地改善射流性能.從而延長射流斷裂的時間.

3)在相同裝藥及藥型罩結構下,起爆方式對聚能射流的形成有及其重要的影響.通過起爆方式來控制裝藥中的爆轟波形,可以決定藥型罩上的爆轟載荷分布規律和藥型罩的壓垮變形趨勢.

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