乳化炸藥聚能射流侵徹靶板的數值仿真

吳紅波， 邢化島， 繆志軍， 顏事龍， 夏曼曼

(安徽理工大學 化學工程學院， 安徽淮南 232001)

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乳化炸藥聚能射流侵徹靶板的數值仿真

吳紅波， 邢化島， 繆志軍， 顏事龍， 夏曼曼

(安徽理工大學 化學工程學院， 安徽淮南 232001)

摘要：為了研究聚能射流侵徹靶板的過程，采用乳化炸藥對半球形藥型罩聚能射流侵徹靶板實驗，控制炸高為9cm，藥型罩采用銅質材料。利用AUTODYN軟件對聚能射流的形成、侵徹鋁板的過程進行數值仿真，并且對多物質EULER算法求解得到的模擬結果進行分析，仿真結果與實驗結果基本一致。

關鍵詞：AUTODYN； 數值仿真； 聚能射流； 藥型罩； 乳化炸藥； EULER算法

1引 言

聚能效應是在炸藥的一端添加空穴提高局部損壞作用的效應。在裝藥空穴底部增加藥型罩，則藥型罩在炸藥爆轟作用下形成高速、高溫的金屬射流，形成的杵體具有非常大的侵徹能力〔1〕。隨著社會的迅速發展，石油和礦山的開采不斷增加，在軍事領域，裝甲防護技術不斷地發展〔2〕，因此，聚能射流技術變得尤為重要，研究射流形成過程可以更好地提高侵徹能力。本文通過實驗和數值模擬研究乳化炸藥聚能射流形成機理，為乳化炸藥在特種爆破中得到廣泛應用提供一定的數據支持。

近年來，國內外學者研究動能毀傷對靶板的破壞，得出大量的實驗數據〔3-4〕。CURTIS J P研究了不同材料復合藥型罩的射流形成模型〔5〕，臧濤成等〔6〕對多層藥型罩提高射流速度進行了研究，由于計算機技術的迅猛發展，應用數值模擬的方法對射流的形成、侵徹過程進行仿真變為現實，采用仿真方法(有限單元法)分析侵徹靶板的全過程，不僅有利于了解射流形成、侵徹的整個機理，而且對提高破甲彈破甲的能力有一定的幫助。郭芳、龍源等〔7〕利用AUOTDYN-2D軟件研究彈藥聚能射流銷毀技術，任新建、李林等〔8〕采用LA-DYNA研究聚能射流侵徹的計算與模擬試驗研究，驗證了數值模擬與實驗結果的正確性，通過模擬節約實驗費用、耗時短〔9〕。

AUTODYN非線性動力學仿真軟件中，Lagrange方法主要應用于固體力學，EULER多物質耦合法在流體研究中應用廣泛，ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)是解決流體和固體耦合問題的算法。本文采用EULER算法對乳化炸藥爆炸產生的聚能射流進行數值仿真，通過實驗驗證ANSYS-AUTODYN軟件模擬結果的可行性、有效性、可靠性〔10〕。為研究乳化炸藥破甲以及穿孔設計提供參考。

2模型的建立與仿真

2.1假設

通常情況下，聚能射流是一個復雜的過程，將復雜的模型進行簡化并保證模型真實性，對于射流侵徹假設如下：①射流的全過程是一個絕熱過程；②忽略靶板運動和外界的干擾及摩擦產生的熱效應；③炸藥、藥型罩、空氣和鋼板為均勻連續介質。

2.2模型及材料參數

射流形成、侵徹模型主要有炸藥、藥型罩、裝藥管、空氣和靶板四部分組成。炸藥為乳化炸藥，藥型罩為半球形殼體，厚1mm，靶板為厚度18mm的鋁板，炸高為90mm，由于整個模型具有軸對稱性，為了節約計算時間，故采用二維平面1/2模型建模，采用mm-mg-ms單位制。其中炸藥、藥型罩、空氣材料采用EULER算法，靶板采用Lagrange方法，模型如圖1所示。

圖1　射流模型Fig.1　Jet model

聚能裝藥產生的爆轟產物采用JWL狀態方程：

(1)

式中：P為壓力； E為爆轟產物的內能； V為爆轟產物的相對體積；A， B， R1， R2， ω為實驗擬合參數〔11〕。

炸藥的具體材料參數如表1所示。

靶板和藥型罩材料模型采用金屬材料的Johnson-Cook本構模型，其狀態方程為Shock，材料發生斷裂的應變表達式為：

表1　乳化炸藥材料參數

ε=(D1+D2eD3σ*)(1+D4lnε*)(1+D5T*)

(2)

設損傷度為D，則有：

(3)

銅藥型罩材料的Johnson-Cook模型參數如表2所示。

表2　銅藥型罩Johnson-Cook模型參數

注：a-小應變條件下材料屈服應力常數;b-材料應變應化系數;n-材料應變硬化指數;c-材料應變率相關系數;m-材料溫度相關系數。

聚能射流模型相關材料參數如表3所示。

表3　材料參數

2.3監測點設置

為了能夠準確描述射流形成、侵徹過程以及速度的變化，數值模擬采用X軸對稱模型并設置了不同的固定觀察點，用于檢測射流頭部速度變化以及杵體長度變化，觀測點間距為5mm，共22個，第一個點坐標為(25，0)，如圖2所示。

圖2 　固定觀察點位置Fig.2　Fixed observation points position

2.4仿真結果及分析

將設計好的模型尺寸和相關參數輸入到AUOTODYN軟件內進行計算，通過大量的模擬仿真得到較好的射流及炸高，獲得最佳的侵徹效果。通過AUTODYN軟件將計算結果導出，得出射流杵體的形成、杵體到達靶板及侵徹靶板模擬圖，如圖3所示。

圖3　射流形成及侵徹過程Fig.3　Jet formation and penetration process

從圖3(a)可以看出炸藥爆炸產生爆生氣體和沖擊波，沖擊波傳播至藥型罩。圖3(a)～(b)為炸藥爆炸產生高溫、高壓氣體壓縮藥型罩，形成杵體的過程；圖3(b)～(d)為藥型罩杵體的形成、拉伸，圖3(c)中，銅藥型罩拉伸過程杵體發生斷裂；圖3(d)～(f)中，射流杵體頭部平穩運動并侵徹靶板，杵體尾部斷裂增加，形成破片。在侵徹靶板的過程中，杵體頭部隨著侵徹深度的增加，速度越來越小，造成這種現象的原因是杵體頭部與靶板接觸面積不斷增加，阻力越來越大，從而使速度逐漸減小，另外，靶板在杵體的侵徹作用下，出現凹坑，底部受沖擊力的影響，形成凸起變形現象。

2.5射流速度變化

采集各個固定觀測點的數據，通過AUTODYN軟件得出藥型罩射流速度分布曲線，如圖4所示。

圖4　固定觀察點速度-時間曲線 Fig.4　Velocity-time curves at fixed observation points

通過圖4可以看出，觀測點1測得炸藥爆炸時的速度接近5000m/s；觀測點2～10是藥型罩在爆炸產生高溫、高壓作用下的變形速度變化，杵體形成初期，藥型罩壓垮的過程速度不穩定；觀測點10～20，杵體形成的穩定期速度在2800m/s左右；觀測點20～22，杵體侵徹靶板過程中，杵體頭部速度逐漸下降。

通過AUTODYN軟件可以得到聚能射流侵徹靶板過程中藥型罩與靶板的動能變化曲線，如圖5所示。

圖5　藥型罩與靶板動能變化曲線Fig.5　Kinetic energy-time curves of shaped charge cover and target

由圖5可得，0～0.006ms內，藥型罩和靶板動能為0；0.006ms～0.036ms內，藥型罩動能瞬間升高，出現最高點，藥型罩動能隨時間的增加逐漸降低，由于藥型罩被壓垮形成杵體的過程消耗部分能量，形成的杵體未侵徹靶板，所以靶板動能為0；大于0.036ms時，杵體動能隨著時間的增加迅速降低，靶板動能逐漸增加，由于杵體侵徹靶板過程中，杵體能量逐漸傳遞給靶板，靶板獲得能量，靶板動能增加。

比較圖4和圖5，可以看出，在0.036ms后，杵體速度隨著時間的增加而減少，根據動能公式Ep=mv2/2可得杵體動能減少；圖5得出杵體在侵徹靶板過程動能逐漸的減少，與理論相一致；根據能量守恒定律可得，靶板的動能增加，與模擬結果相同。

3實驗部分

3.1材料與儀器

儀器：爆炸容器；電子天平。

材料：8號電雷管；裝藥直徑為32.0mm乳化炸藥；規格為25.0mm×1.5mm、32.0mm×1.0mm PVC水管；銅板壁厚各為1.0mm；靶板厚度為25mm鋁板。

3.2 實驗過程

用藥型罩模具制作半球形藥型罩，如圖6所示。

圖6　藥型罩Fig.6　The shaped charge cover

截取規格為25.0mm×1.5mm的PVC水管長度為60mm作為裝藥管，截取規格為32.0mm×1.0mm PVC水管長度為120mm作為炸高，每次稱取乳化炸藥30g，炸高均控制在90mm。完整的實驗裝置如圖7所示。

圖7　實驗裝置Fig.7　Experimental device

最后，將實驗裝置放入爆炸容器內，進行實驗。實驗結束后，使用游標卡尺測量侵徹深度，記錄數據，進行兩次平行實驗，求其平均值。

3.3實驗結果

實驗結果如表4所示。

表4　靶板侵徹深度

4仿真與實驗的比較

實驗結果與模擬結果如圖8所示。

圖8　仿真與實驗的比較Fig.8　Comparison of simulation with experiment

由圖8可以看出，仿真侵徹深度為16mm左右；而實驗結果為16.7mm，仿真結果與實驗結果基本相同，驗證了仿真結果的正確性。

從圖8(b)中可看出，靶板表面出現了許多小坑，這是由于炸藥爆炸壓縮藥型罩閉合形成杵體的過程中，杵體頭部和尾部速度變化差異較大，隨著拉伸的增加，逐漸達到銅材質的抗拉強度，杵體出現斷裂。杵體在斷裂過程中，形成許多徑向飛散破片，破片在慣性的作用下，撞擊靶板形成了許多小坑，由于斷裂的大小不同，因此開坑的大小也不一樣，模擬過程也出現杵體斷裂現象，與實驗結果現象基本一致。

5結 論

(1)乳化炸藥聚能射流的侵徹深度為9cm，模擬聚能射流侵徹結果與實驗結果非常吻合，驗證了模擬結果的準確性。

(2)射流仿真的結果符合實驗過程中的物理現象和一般規律，通過數值模擬可以節約實驗成本,有利于進一步了解射流侵徹靶板的全過程及原理。

參考文獻(References)：

〔1〕北京理工大學八系． 爆炸及其作用(下冊)[M]． 北京：國防工業出版社,1979.

Eighth department of Beijing institute of technology． Explosion and its effects (Volume two)[M]． Beijing: National defense industry press,1979.

〔2〕 王儒策,趙國志. 彈丸終點效應[M]. 北京：北京理工大學出版社,1993:200-201.

WANG Ru-ce, ZHAO Guo-zhi. Terminal effect of projectile[M]. Beijing: National defense industry press,1993:200-201.

〔3〕 YARIN A L, ROISMA I V, WEBER K, et al. Model for ballistic fragmentation and behind-armor debris[J]. International Journal of Impact Engineering,2000,24(2):171-201.

〔4〕 MAYSELESS M,SELA N,STILP A J,et al. Behind thearmor debris distribution function[C]∥PERSSON A. 13th Internationall Symposium on Ballistics. Stock-holm，Sweden:National Defence Research Establisment,1992.

〔5〕 CURTIS J P ,CORNISH R. Formation model for shaped charged liners comprising multiple layers of different materials[C]∥18thInternational symposium on Ballistics. San Antonio: Technomic Publishing Company Inc.,1999:458-465.

〔6〕 臧濤成,賈建新,黃麗宏. 用聚能裝藥多層藥型罩提高射流速度的研究[J]. 彈道學報,1995,7(2):78-82.

ZANG Tao-cheng, JIA Jian-xin, HUANG Li-hong. Researches on improving shaped charge jet velocity used by multilayer shaped charge cover[J] . Journal of Ballistics, 1995,7(2):78-82.

〔7〕 郭方,龍源,郭濤,等. 薄殼工程彈藥聚能射流銷毀技術[J]. 工程爆破, 2015, 21(2):43-47.

GUO Fang, LONG Yuan, GUO Tao, et al. Destruction technology of ammunition with thin shell by shaped charge jet[J]. Engineering Blasting, 2015, 21(2):43-47.

〔8〕 任新見,李林,李世民. 聚能射流侵徹的計算與模擬試驗研究[J]. 工程爆破, 2008, 14(4):13-15.

REN Xin-jian,LI Lin, LI Shi-min. Calculation and simulation experiment research on penetration of cumulative jet[J]. Engineering Blasting, 2008, 14(4):13-15.

〔9〕 黃俊卿,李光輝,趙建勛,等. 基于ALE方法實現射流侵徹靶板的數值仿真[C]∥ 2012年第14屆中國系統仿真技術及其應用學術年會(CCSSTA′2012). 三亞：科研出版社，2012:128-132.

HUANG Jun-qing, LI Guang-hui, ZHAO Jian-xun, et al. Numerical simulation of the jet penetration the target base on ALE[C]∥ Proceedings of 14th Chinese Conference on System Simulation Technology & Application (CCSSTA′2012). Sanya: Scientific Research Publishing, 2012:128-132.

〔10〕李世民,李曉軍,郭彥朋. 基于AUTODYN對彈丸高速碰撞靶體的數值模擬[J]. 系統仿真學報,2013,25(4):621-625.

LI Shi-min, LI Xiao-jun, GUO Yan-peng. Numerical simulation of projectile high-velocity impacting target with AUTODYN[J]. Journal of System Simulation,2013,25(4):621-625.

〔11〕 孟超群,楊崇倡,劉娜娜. 高速卷繞機筒管夾頭的仿真分析[J]. 合成纖維工業,2012,35(2):57.

MENG Chao-qun, YANG Chong-chang, LIU Na-na. Simulation analysis of bobbin chuck of high-speed winder[J]. China Synthetic Fiber Industry,2012,35(2):57.

Numerical simulation of shaped charge jet penetrating on target by emulsion explosive

WU Hong-bo, XING Hua-dao, MIAO Zhi-jun, YAN Shi-long, XIA Man-man

(School of Chemical Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， Anhui， China)

ABSTRACT：In order to study the process of the shaped charge jet penetrating on target, the hemispherical shaped charge cover was employed in the experiment of shaped charge jet penetrating target by using emulsion explosive. Experimental blasting height was 9cm. The material of shaped charge cover was copper. The AUTODYN software was used to simulate shaped charge jet formation and the process of penetrating on target. The result was analyzed by using multi-materials EULER method and was proved basically consistent with experimental results.

KEY WORDS:AUTODYN; Numerical simulation; Shaped charge jet; Shaped charge cover; Emulsion explosive； EULER method

中圖分類號：TD235； TJ410.3+33

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.015

作者簡介：吳紅波(1975-)，男，博士、副教授，從事乳化炸藥性能研究及爆炸安全技術與管理的教學與科研工作。E-mail： hbwu@aust.edu.cn

基金項目：高等學校博士學科點基金資助項目(20123415110004)

收稿日期：2015-11-16

文章編號：1006-7051(2016)01-0068-05