藥型罩和藥柱不對稱對線型聚能射流侵徹性能的影響*

周 鵬，李如江，方志堅，王建波

(1中北大學化工與環境學院，太原 030051;2中國兵器工業第52研究所，山東煙臺 290014)

0 引言

線型聚能裝藥(linear shaped charge，LSC)被起爆后，高壓爆轟產物驅動藥型罩高速向其軸線匯聚形成片狀射流和杵體，廣泛用于船體切割、建筑石方開采、油氣開采和切割爆破等領域。在聚能裝藥的部件制造和組裝過程中由于受到工藝水平限制而產生不對稱，不對稱因素會導致射流形成過程中產生橫向速度，使聚能射流的侵徹性能降低。

近二十年來人們對非對稱錐形聚能裝藥射流的形成進行了大量的理論和試驗研究。Brown[1－2]使用X光照相技術研究了偏心起爆對聚能射流橫向速度的影響并給出了射流偏轉角計算模型。Kelly[3]假設非對稱條件下形成射流和杵體處于同一直線上，結合Randers-Pehrson的罩微元指數加速公式，給出了殼體和藥型罩幾何尺寸不對稱時聚能射流形成的分析模型。為改進直線型假設的不足，Curtis[4]基于“駐核”模型假設，給出了非對稱聚能射流的分析模型。姜劍生等[5]提出了一個非對稱修正模型用于求解非對稱二維平板碰撞問題，獲得了比直線假設和“駐核”假設更接近實際的結果，但還是未能很好的預測射流和杵體的偏折方向。秦承森等[6]從分析特殊射流的碰撞出發，分析了無限遠來流初始交匯位形和相互作用過程，建立了非對稱射流形成的方程封閉條件，提出了非對稱射流形成的幾何理論。石藝娜等[7]對有限遠來流對非對稱碰撞形成射流條件進行了研究，提出的模型涵蓋了目前已有的理論，但是僅適用于交匯點距離R約為8～10倍出流射流厚度情況。此外，Ayisit[8]使用AUTODYN軟件模擬了偏心起爆、藥柱與殼體間隙以及藥柱內氣泡等不對稱因素對喇叭形藥型罩錐形聚能裝藥射流性能的影響。寧強[9]對偏心起爆和非均勻藥型罩對線型聚能射流形成的影響進行了二維數值模擬。綜上所述可以看出理論上很難描述非對稱聚能裝藥射流的形成，對非對稱錐形聚能裝藥射流形成研究較多，而對非對稱線型聚能射流形成和侵徹研究偏少。

文中針對線型聚能裝藥制造過程中常見的藥型罩和藥柱不同軸情況，采用侵徹試驗，結合有限元軟件對非對稱線型聚能裝藥射流的形成和侵徹進行了三維數值模擬，研究結果有助于深入認識藥型罩和藥柱不對稱的影響。

1 試驗研究

非對稱原因按制造過程可分為部件制造以及總體裝配過程引起的不對稱，例如藥型罩和殼體壁厚不均勻、藥柱密度和形狀不對稱、起爆系統偏置以及藥型罩和藥柱不同軸等。文中將針對線型聚能裝藥制造過程中常見的藥型罩和藥柱不同軸情況，對其進行侵徹試驗研究。常見的藥型罩和藥柱不對稱情況分為三種:(a)藥型罩軸線偏離藥柱軸線;(b)藥型罩軸線偏離藥柱軸線，且有夾角;(c)藥型罩軸線與藥柱軸線存在夾角，如圖1所示。對于(b)，又可分為兩種情況，一種是藥型罩軸線偏離軸線后沿罩頂部中心線順時針旋轉，另一種情況是沿罩頂部中心線逆時針旋轉。實際生產中藥型罩口部和殼體接觸后會以接觸處為支點，一般按使藥型罩凹下的方向旋轉，即出現圖1(b)所示情況。圖2為生產中常見的不對稱線型聚能裝藥。由于實際生產中以(a)、(b)情況最為常見，以此為例研究其對線型聚能射流侵徹性能的影響。從所生產的線型聚能裝藥中選取典型的非對稱聚能裝藥。試驗裝置由線型聚能裝藥、炸高和靶板組成。通過測量線型聚能射流在靶板上的侵徹深度、開坑寬度等判斷非對稱條件下線型聚能射流的侵徹性能。

線型聚能裝藥參數:裝藥口徑和高度為20mm，長度為80mm，藥型罩壁厚為1mm，錐角為60°，裝藥為8701。其中一種是藥型罩偏離裝藥軸線1mm，另一種為藥型罩偏離裝藥軸線1mm，并與藥型罩軸線的夾角為5°，與對稱情況進行試驗結果比較，炸高為40mm，侵徹試驗結果分別如圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)所示，圖中白色粉筆線為聚能裝藥軸線。侵徹深度h、寬度b和開坑中心偏移聚能裝藥軸線x的測量結果如表1所示，其中表示平均值。

1 線型聚能裝藥藥型罩和裝藥的不對稱

圖2 生產中常見的不對稱情況

圖3 侵徹試驗結果比較

2 數值模擬

2.1 有限元模型

采用非線型有限元LS-DYNA3D軟件對線型聚能射流的形成和侵徹裝甲鋼靶的作用過程進行數值模擬計算。采用ALE算法，其中線型聚能裝藥、藥型罩、空氣采用歐拉法，裝甲鋼靶采用拉格朗日算法。在空氣邊界處施加無反射邊界條件以消除邊界效應。分別對藥型罩軸線與裝藥軸線不對稱的三種情況進行了數值模擬。有限元模型如圖4所示。

表1 侵徹測量結果(mm)

圖4 有限元模型

2.2 材料參數

線型聚能裝藥使用8701炸藥壓制，采用高能燃燒材料模型和JWL狀態方程來描述。其主要參數為:ρ0=1.685g/cm3，D=8130m/s，A=625.3，B=23.29，R1=5.25，R2=1.6，ω =0.28。

紫銅藥型罩、603裝甲鋼，使用Johnson-Cook模型和Grüneisen狀態方程來描述，其中本構參數為鋼:ρ =7.85g/cm3，A=1.1GPa，B=1.1GPa，n=0.26，C=0.014，m=1.03。紫銅:ρ =8.96g/cm3，A=0.09GPa，B=0.292GPa，n=0.31，C=0.025，m=1.09。

空氣采用空物質材料模型，狀態方程采用多項線型狀態方程描述。把空氣視為理想氣體，ρ=1.25×10－3g/cm3。

3 結果及討論

從表1試驗結果數據可以看出，當藥型罩軸線偏移裝藥軸線1mm時，射流在靶板上的開坑中心偏移裝藥軸線約為7.7mm，射流偏移垂直方向的角度為10.8°，其平均侵徹深度為 4.3mm，比標準情況少6mm，即侵徹深度降低了約58%。由于藥型罩軸線偏移了聚能裝藥軸線，起爆裝藥后，爆轟波到達同一截面的時間不同，且垂直藥型罩壁微元方向上藥厚比不同，根據Gurney公式，微元的拋擲速度也不相同，造成藥型罩微元在射流軸線上碰撞時，由于存在速度差，影響了射流的運動方向，偏離了對稱軸線，使射流侵徹性能降低。

當藥型罩與聚能裝藥軸線偏離1mm，且存在5°的夾角時，對穿深的影響更加嚴重，線型聚能裝藥在起爆后不能形成有效的侵徹射流，而是僅僅在靶板上留下大量的麻點，其侵徹寬度為17.4mm，平均穿深為2.7mm，比標準情況降低了74%，同時射流偏移垂直方向19.3°，可以看出當藥型罩軸線與線型聚能裝藥軸線不對稱時，會嚴重影響聚能射流的侵徹性能，特別是當軸線偏移與傾斜的耦合會使射流的侵徹性能進一步惡化。

圖5給出了藥型罩偏移裝藥軸線1mm時射流形成和侵徹的模擬結果。圖中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為 t=1.32μs、11.66μs、16.5μs、35.64μs 和89.32μs時刻的模擬結果。可以看出，當 t=1.32μs時爆轟波前沿到達線型藥型罩頂端，由于藥型罩偏離軸線，故爆轟波陣面相對于藥型罩軸線不對稱。

圖5 藥型罩偏移裝藥軸線1mm時射流形成過程和侵徹

當t=11.66μs時，形成的射流已經偏離了聚能裝藥軸線，特別是射流前部偏折比較嚴重，藥型罩兩翼在碰撞軸線上呈典型的非對稱狀態。由于右側藥層厚度較大，故右側的藥型罩微元相對于左側微元運動速度快，因而先行到達碰撞軸線。由于藥型罩兩翼存在速度差，在碰撞軸線上匯聚后具有橫向速度，對已形成的射流形成剪切作用，使射流斷裂成3截，如圖5(d)所示，斷裂射流在外界空氣動力學作用下翻轉、漂移，造成在靶板上的開坑寬度增加，穿深降低，由于射流杵體和射流后段侵徹靶板時幾乎重疊，最終在侵徹靶板上形成兩個主體切槽，如圖5(e)所示。這也可從圖3(b)試驗結果照片上證實，見圖上的兩條黑線。模擬結果開坑寬度為13mm，切槽深度為4mm，處于試驗結果范圍內，模擬結果和試驗結果符合良好。

圖6給出了藥型罩偏移裝藥軸線1mm、夾角為5°時射流的形成和侵徹模擬結果。可以看出，當t=1.1μs時爆轟波前沿到達線型藥型罩頂端，爆轟波陣面相對于藥型罩軸線不對稱。當t=11.66μs時，形成的射流已經偏離了聚能裝藥軸線，特別是射流前部偏折更加嚴重，右側的藥型罩微元相對于左側微元運動速度快，先行到達碰撞軸線。與藥型罩偏離裝藥軸線情況相似，由于藥型罩兩翼存在速度差，在碰撞軸線上匯聚后具有橫向的速度，所以會對已形成的射流形成剪切作用，使射流斷裂成3截，如圖6(c)所示。射流在運動過程中進一步斷裂，呈 S形，見圖6(d)，在侵徹靶板時形成3條主體切槽，如圖6(e)所示。這也可從圖3(c)試驗結果照片上可以證實，見圖3(c)上的黑線1、2、3，其中黑線1所示切槽由射流頭部侵徹而成，由于射流頭部速度最大，侵徹深度最大。中間切槽由杵體侵徹形成，深度較淺，最右邊切槽由射流尾部侵徹而成。模擬結果顯示侵徹寬度為17mm，最大切槽深度為2.5mm。

圖6 藥型罩偏移裝藥軸線1mm、夾角5°時射流的形成和侵徹

圖7(a)、圖7(b)分別給出了藥型罩軸線與藥柱軸線夾角分別為2.5°和5°時的模擬結果，圖7(c)為藥型罩軸線偏離藥柱軸線0.5mm，圖7(d)藥型罩軸線偏離藥柱軸線1mm、且夾角為2.5°的侵徹模擬結果。對比以上結果可以看出隨著藥型罩和裝藥不對稱程度的增加，射流在靶板上的侵徹寬度以及開坑中心線與裝藥軸線的距離也在增加，而穿深卻在急劇降低。

圖7 不同偏離程度的模擬結果比較

4 結論

文中對線型聚能裝藥制造過程中常見的藥型罩和藥柱不同稱情況，采用侵徹試驗和數值模擬，得出如下結論:

1)對于此結構和尺寸的線型聚能裝藥，當藥型罩軸線與裝藥軸線偏移距離為1mm時，侵徹寬度為11.9mm，侵徹深度相比對稱情況降低了約58%。

2)當藥型罩與聚能裝藥的偏離距離為1mm，且同時存在5°的夾角時，對射流的侵徹性能影響更加嚴重，射流侵徹形成 3個主體切槽，侵徹寬度為17.4mm，侵徹深度比標準情況降低了74%。

3)模擬結果顯示隨著藥型罩和裝藥不對稱程度的增加，射流在靶板上的開坑寬度以及開坑中心線偏離裝藥軸線的距離增加，穿深降低。

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