中心孔護管對橢圓形藥型罩的數值模擬

王　超，吳國東，王志軍，許俊祥，孫加肖

(中北大學 機電工程學院，太原　030051)

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中心孔護管對橢圓形藥型罩的數值模擬

王超，吳國東，王志軍，許俊祥，孫加肖

(中北大學 機電工程學院，太原030051)

摘要：為了獲得中心孔對橢圓形藥型罩的影響規律，采用動力學有限元軟件AUTODYN-2D對不同中心孔直徑、護管厚度及起爆方式的橢圓形藥型罩成型裝藥進行數值模擬研究；結果表明：當中心孔直徑與橢圓形藥型罩直徑之比λ=0.25時，形成的侵徹體頭部速度最高、成型效果最佳；護管可以改變侵徹體的形態，但護管厚度d的變化對侵徹體的成型效果影響不大；中心孔橢圓形藥型罩的最佳起爆方式為正向環起爆。

關鍵詞：中心孔；護管；橢圓形藥型罩；侵徹體

本文引用格式：王超，吳國東，王志軍，等.中心孔護管對橢圓形藥型罩的數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2016(7):60-62.

Citation format:WANG Chao, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, et al.Numerical Simulation of Oval Shaped Liners with A Center-Hole Protective Pipe[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):60-62.

中心帶孔聚能裝藥[1]是一種為了滿足在藥型罩開孔工程上的需要同時能保證戰斗部威力的技術。中心開孔并帶有護管的聚能裝藥通常作為逆序起爆串聯戰斗部二級裝藥，作為單獨使用的戰斗部的研究國內外還很少見。國內雖有關于中心孔的文獻，但僅僅是關于中心孔直徑[2]對圓錐形藥型罩及球缺罩的研究，對護管厚度研究不多，同時沒有在相關文獻中查到有關起爆方式對中心孔藥型罩的研究。

對橢圓形藥型罩，研究其線性聚能裝藥[3]的研究比較多。但橢圓形藥型罩形成桿式侵徹體，頭部最大速度有限，通過改變中心孔的大小及護管的厚度，探討中心孔對其形成的侵徹體的頭部速度以及侵徹體形態的影響，為將來組合藥型罩以及多模戰斗部的研究提供理論依據。

1建立模型

1.1幾何模型和有限元模型

本文所研究的聚能裝藥結構模型如圖1所示，藥型罩直徑為D=80 mm，裝藥高度為H=96 mm，殼體壁厚為2 mm，中心孔直徑為h，護管厚度為d，中心孔直徑與藥型罩直徑之比為λ。

圖1　聚能裝藥結構模型

由于炸藥爆炸及藥型罩在壓垮過程中，材料變形比較大，因此主裝藥和藥型罩均采用Euler網格，計算模型中不考慮殼體對侵徹體形成的影響。由于該聚能裝藥結構具有軸對稱性，本文采用有限元軟件AUTODYN-2D建立1/2有限元模型來模擬中心孔對藥型罩的影響，鏡像后的有限元模型如圖2所示。通過在空氣邊界上添加“Flow-out”邊界條件，消除邊界應力影響，數值模擬中采用的單位制為mm-mg-ms。

圖2　鏡像后的有限元模型

1.2材料模型及參數

本文藥型罩和護管材料均選用紫銅，均采用Shock狀態方程和Piecewise JC強度模型描述本構關系。炸藥選用B炸藥，用JWL狀態方程描述，所有材料參數均來自AUTODYN軟件材料庫的內置參數。

2中心孔橢圓形藥型罩侵徹體的形成過程

以λ=0.1為例，采用中心點起爆，分析侵徹體形成過程，如圖3所示。

首先護管被壓垮、變形，在t=10 μs時可以看出，護管形成的侵徹體被軸向擠出，隨著爆轟波的持續，橢圓形藥型罩頂部開始被擠壓變形，開始形成侵徹體，隨著時間的不斷增加，由于存在速度梯度，侵徹體頭部發生頸縮、拉斷，逐漸形成頭部速度較大的侵徹體，并且最終在侵徹體頭部形成少量的速度較高的粒子流，在t=60 μs時形成效果比較好，而在t=70 μs時整個侵徹體出現不同程度的頸縮。

3數值模擬結果及分析

3.1中心孔直徑對藥型罩的影響

分別取λ為0、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35，來研究中心孔直徑對橢圓形藥型罩所形成的侵徹體頭部速度、有效射流長度等的影響。

圖3　侵徹體形成過程

由圖4可以看出，在裝藥結構一定的情況下，中心孔直徑對形成的侵徹體的影響較大。當λ≤0.25時，射流的頭部速度隨λ的增大不斷增加，在λ=0.25時，侵徹體頭部速度提升最大，最高可達4 382 m/s，提升幅度達到28.3%。當λ>0.25時，隨著中心孔的不斷增大，藥型罩的質量不斷減少，裝藥量也越來越少，造成射流的頭部速度不斷減小，同時也使得射流頭部形成少量的高速粒子流，速度最高可達6 000 m/s以上，但由于粒子的數量太少，忽略不計。侵徹體尾部速度變化不大，大致在400 m/s左右。

圖4　60 μs時不同λ值速度變化曲線

圖5　60 μs時不同λ值的射流長度

中心孔也會影響所形成的侵徹體射流長度。以45鋼為靶板，在侵徹過程中，侵徹截止速度大約為2 000 m/s，在此速度以上的射流為有效射流，從圖5可以看出，侵徹體的總長度和有效長度均在λ=0.25時最長，分別為188.5 mm和117.5 mm，漲幅可達34.2%和57.5%。由以上兩點可以看出，中心孔直徑對橢圓形藥型罩形成的侵徹體頭部速度、有效射流長度等都有明顯的影響。

3.2護管的厚度d對藥型罩的影響

改變護管厚度d的大小，分別取d為1，1.5，2，2.5，3，在60 μs時速度云圖如圖6所示。

隨著d的不斷增大，侵徹體的有效長度增加，但是速度梯度相差不大，除去高速粒子流，有效射流頭部速度相近，侵徹體前端的高速粒子流隨著d的增加，數量越來越多，并且頭部侵徹能力越來越強。生成的侵徹體的形態由橢圓形藥型罩時的桿式侵徹體變為聚能射流。

3.3起爆方式對侵徹體形成的影響

由圖7可知，藥型罩起爆方式采用面起爆與正向環起爆時所形成的侵徹體的有效長度最長，由于速度梯度大，侵徹體頭部有少量的高速粒子流，而逆向環起爆，不形成高速粒子流，頭部形成微小的蘑菇頭，但起爆方式對侵徹體的形態沒有影響。

圖7　60 μs時不同起爆方式侵徹體形成圖

由于形成的高速粒子流太少，侵徹性能有限，因此頭部速度不考慮粒子流部分，侵徹體頭部與尾部速度如表1所示，正向環起爆下，藥型罩形成侵徹體頭部速度最高，相比點起爆，速度提升34.1%，尾部速度變化不大。綜合射流有效長度及其頭部速度可知，藥型罩聚能裝藥起爆方式采用正向環起爆效果最佳。

表1　不同起爆方式下侵徹體速度　m·s-1

4正交設計分析

通過正交設計方法對侵徹體速度在不同水平組合下進行數值模擬，然后通過數據處理得出各因素的主次關系。

4.1因素水平標的確定

以侵徹體的速度v為考察指標，選取因素為起爆方式，中心孔直徑與藥型罩之比λ，護管厚度d，水平為3水平，經前面討論，起爆方式選面起爆，正向環起爆，分別用1,2代替；λ選取 0.25,0.3；d選取2.5,3。因素水平如表2所示。

表2　因素水平

4.2標頭設計與分析

選用正交表L4(23)安排計算，將3個因素依次放在L4(23) 的1、2、3列，根據正交表安排的4種方案依次進行計算，并將結果填入右側，如表3所示。

表3　方案與結果

從極差排列出各因素對侵徹體速度影響的大小順序是：起爆方式、中心孔直徑h、護管厚度d，其中起爆方式是最主要的影響因素，不同的起爆方式對侵徹體速度的影響很大。

5結論

對橢圓形藥型罩而言，當中心孔直徑與藥型罩直徑之比λ=0.25時，藥型罩形成的侵徹體頭部速度最高、有效射流長度最長、成型效果最好。

在λ=0.25時，隨著護管厚度d的變化，侵徹體頭部速度(除高速粒子流外)變化不大，但侵徹體的形態發生變化，由桿式侵徹體變為聚能射流。

起爆方式不僅影響侵徹體的有效長度，還影響侵徹體頭部速度，采用正向環起爆時，侵徹體成型效果最佳。起爆方式是影響侵徹體速度的最主要因素。

參考文獻：

[1]高靖.一種新型聚能裝藥數值模擬與實驗研究 [D].太原:中北大學,2011.

[2]高靖.中心孔對聚能裝藥成形的影響[J].彈箭與制導學報,2011,31(1)：110-112.

[3]武雙章，顧文彬.橢圓形罩線型聚能裝藥射流成型過程數值模擬研究[J].工程爆破,2013,19(5)：5-9.

[4]王成、付曉磊等.起爆方式對聚能射流性能影響的數值分析[J].北京理工大學學報,2006,26(5)：401-404.

[5]王志軍,尹建平.彈藥學[M].2版.北京:北京理工大學出版社,2005.

(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-29；修回日期：2016-02-29

作者簡介：王超(1988—)，男，碩士研究生，主要從事裝備理論與裝備技術研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.014

中圖分類號：TJ413

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0060-04

Numerical Simulation of Oval Shaped Liners with A Center-Hole Protective Pipe

WANG Chao, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, XU Jun-xiang, SUN Jia-xiao

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:In order to obtain the influence of the oval shaped liners with a center-hole, adopting the dynamic finite element software AUTODYN-2D, numerical simulation research with different central-hole diameter, protecting pipe thickness and the initiation of elliptic type medicine cover molding charge were processed. The results show that when lambda which the ratio of the diameter between the center-hole and the oval shaped liners is 0.25, the head speed of the penetration is highest, forming effect of the penetration is best; But the change of the thickness of the enlarge tube d had a little effect for shaping effect on penetration; The best way to detonation of oval shaped liners with a center-hole is positive ring initiation.

Key words:center-hole; protective pipe; oval shaped liner; penetration

【裝備理論與裝備技術】