發散形環形切割裝置的數值模擬仿真

李旭東，尹建平，陳 杰

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

【機械制造與檢測技術】

發散形環形切割裝置的數值模擬仿真

李旭東，尹建平，陳 杰

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

目前環形切割裝置產生的無論是射流還是EFP都不太穩定，在飛行過程中由于空氣動力都會導致侵徹體偏斜，靶板的侵徹達不到預期的穿孔效果。針對該問題，設計了一種發散形的環形切割裝置，利用AUTODYN軟件，對這種環形切割裝置在不同發散角下進行了數值模擬仿真。仿真結果表明，當發散角度在7°左右時，可以達到最佳開孔效果，且比現有環形切割裝置開孔直徑大；侵徹過程中也不存在內偏現象。

發散形裝置；環形切割；數值模擬；侵徹靶板本文引用格式：李旭東，尹建平，陳杰.發散形環形切割裝置的數值模擬仿真[J].兵器裝備工程學報，2017(5):126-129.

由于現代艦艇內有多個水密隔艙或其他艙室,單級即使能穿透艦艇的殼體,對艦艇整體的破壞能力有限。現有聚能串聯戰斗部的前級多使用相對較小的穿透孔徑能力的前級戰斗部,限制了隨進彈丸的口徑和裝藥量。所以為了提高串聯戰斗部的威力,需要設計一種能侵徹大圓孔的前級戰斗部[1]。

王成[2]采用內外壁微元及內外裝藥質量分別相等的方法設計了 W 型聚能裝藥戰斗部，吳成通過增加藥型罩內壁厚或減小外壁厚使內外壁質量相等的質量補償方法實現等動量原則的藥型罩。但是采用內外壁等動量的方法會導致內外壁壓垮不同步，對侵徹體成型造成不良影響。對靶板的侵徹也會隨著侵徹深度的加深侵徹孔徑越來越小。

段嘉慶[3]提出的綜合等動量與內外壁壓垮同步的方案在一定程度上可以解決環形射流內偏，但是形成的射流直徑偏小，容易斷裂和偏移。

本研究提出的發散形的環形切割裝置，對藥型罩和裝藥結構做了改進，當藥型罩受到爆轟作用時，藥型罩內外壁向中間壓垮，形成比較粗的射流，速度較大，在空氣動力的影響下不容易斷裂和偏移[4]，隨著侵徹深度的增加不出現內偏現象，而是周向擴寬，切割出更大的孔徑。

1 結構設計

如圖1所示為該結構的二維剖面圖,發散角δ指殼體與中垂線之間夾角。環形切割器頭部直徑為D=120 mm。

圖1 發散形環形切割裝置剖面圖

藥型罩的設計如圖2所示，采用錐角為β=60°環錐形罩,藥型罩底部開口為34 mm，由罩頂到罩底藥型罩厚度線性變窄。

裝藥結構的設計如圖2，裝藥直徑為40 mm，藥型罩直徑為34 mm，裝藥長徑比為1.5。采用次口裝藥結構，可以使藥型罩壓垮速度加快。與裝藥直徑和藥型罩直徑相等的裝藥結構相比，這種裝藥結構形成的侵徹體直徑更大，更加穩定，侵徹效果更好[5]。

圖2 藥型罩及裝藥結構的設計

起爆方式采用底部端面環形起爆，這樣設計的目地是因為環形起爆所產生的爆轟波陣面與罩壁的夾角減小，增大炸藥對罩體的作用效果使聚能罩獲得較大的壓垮速度和較小的壓垮角，在軸線上發生相互作用后產生了更高的壓力，使形成的桿式射流具有更大的軸向速度[6]。

2 計算模型及材料參數

2.1 計算模型

對這種發散環形裝藥結構使用AUTODYN軟件建立有限元模型。為簡化計算，計算模型中不考慮殼體對射流成型的影響，僅考慮藥型罩、主裝藥和空氣3個因素，并且均采用Euler單元算法。為消除邊界效應，在空氣邊界上添加“FLOW-OUT”邊界條件，其有限元模型如圖3所示。數值模擬中采用的單位制為mm-g-μs。

圖3 有限元模型圖

2.2 材料模型及參數的選擇

數值模型中的空氣狀態方程采用Ideal Gas描述;炸藥為B炸藥,采用JWL狀態方程描述;藥型罩材料為紫銅,靶板材料為45#鋼,狀態方程用Shock模型描述,強度方程用Johnson Cook模型描述,各模型的具體表達式如下:

deal Gas狀態方程

(1)

式中:V為理想氣體常數;d為密度；e為比內能；pshift為初始壓強。其中V=1.4;d=0.001 225 g/cm3；pshift=0；e=0；

JWL狀態方程

(2)

式中:A,B,R1,R2,k為試驗擬合參數;V為比容;E為炸藥單位體積內的內能。其中A=1.68 GPa；B=4.2 GPa；R1=1.1；R2=0.34；

Johnson Cook 模型定義屈服強度為

(5)

(6)

紫銅的材料參數：密度ρ=8.968 g/cm3，A=0.000 9；B=0.002 92；C=0.025; 4340鋼的材料參數：密度ρ=7.83 g/cm3，A=0.007 92；B=0.005 1；C=0.014。

3 計算結果及分析

使用AUTODYN軟件對上述結構在不同發散角下的環形射流成型以及對靶板的侵徹效果進行數值模擬仿真。

3.1 環形射流成型

發散角δ分別選取0°，3°，5°，7°，10°，15°，進行仿真模擬對比，藥型罩和裝藥的結構參數如圖2中標注。分別選取時間為0 μs，5 μs，9 μs，13 μs，17 μs，21 μs，25 μs 進行計算，將不同發散角成型的效果圖進行了對比，由于篇幅有限，僅對單側的二維圖形進行截圖對比，如圖4所示。

圖4 相同時間不同發散角下侵徹體成型效果對比

由圖4可以看到，在5 μs時爆轟波傳到了罩頂，使藥型罩內外壁同時沿著藥型罩的角分線壓垮。最后在21 μs的時候形成基本穩定的侵徹體。不同發散角的環形切割裝置形成的環形侵徹體的頭部直徑和尾部直徑都不相同，在裝藥直徑相同的情況下，形成的環形侵徹體直徑逐漸增大。

下面通過對比不同發散角的環形切割裝置在21 μs時形成侵徹體的特性參數分析發散角對環形侵徹體的影響效果，如表1所示，長度單位為mm，速度單位為m/s。

表1 21 μs時不同發散角形成的侵徹體的特性參數

從表1可以得到，當發散角為0°時，侵徹體頭部直徑小于尾部直徑，說明侵徹體出現了內偏現象。從圖5可以明顯看到當發散角從0°增大到7°時，環形侵徹體的頭部速度先減小后增大，當發散角繼續增大時，頭部速度逐漸減小。頭部和尾部的速度差隨發散角的變化沒有明顯的規律。侵徹體頭部直徑和尾部直徑也隨著發散角的增大而增大，但是發散角由10°增大到15°時，頭部直徑和尾部直徑反而又減小。說明15°時射流穩定性能相對較差。

圖5 21 μs射流頭部速度

3.2 環形射流侵徹靶板

環形切割裝置侵徹靶板三維有限元模型如圖6所示。

圖6 環形切割裝置侵徹靶板有限元模型

本研究選用10 mm的鋼板進行數值模擬仿真。炸高定為30 mm。由于篇幅有限本文僅對發散角為7°時環形射流侵徹靶板過程和侵徹完成后靶板圖進行展示。圖7為發散角為7°時環形射流侵徹靶板剖面圖，圖8為侵徹完成后靶板結果圖。

圖7 環形射流侵徹靶板剖面圖

圖8 侵徹完成靶板模型

表2記錄了發散角為0°，3°，5°，7°，10°，15°下的穿靶用時以及穿孔直徑D1和穿孔直徑與環形切割器裝置的頭部直徑的比值，時間單位為μs，長度單位為mm。

表2 不同發散角侵徹靶板的參數

從圖9可以明顯看到，隨著發散角度的增大穿孔直徑D1逐漸增大，10°時達到了最大穿孔直徑，可見發散角在一定范圍內增大，形成的環形射流對靶板的切割孔徑也會逐漸增大。由圖7可以明顯看出穿孔直徑D1與環形裝置頭部直徑D的比值也是逐漸增大，10°時最大比值達到了0.92。而0°時比值僅有0.78。可見帶有發散角的環形切割裝置比普通環形切割裝置侵徹出更大的孔徑。

圖9 開孔直徑D1和裝置頭部直徑D比值曲線

由圖7也可看到射流侵徹靶板時不會隨著侵徹深度的增加而內偏斜，而是向外擴張，侵徹孔徑變大。

4 結論

當發散角為7°時，形成的射流頭部速度最大，達到5 397 m/s。穿孔直徑達到108.06 mm，穿孔直徑與環形切割裝置的頭部直徑的比值達到0.9。與發散角為0°的現有環形切割裝置相比，這種帶有發散形的環形切割裝置具有以下優點: ① 環形射流速度梯度小，不容易被拉斷；② 侵徹靶板時環形射流不存在內偏現象；③ 開孔效果比普通環形射流開孔效果好很多，且發散角為7°時開孔效果最佳。

[1] 李鵬飛，肖川，王利俠.環形EFP的形成和侵徹效應[J]火炸藥學報，2008,31(3)：6-9.

[2] 王成，惲壽榕，黃風雷.W型聚能裝藥射流形成及侵徹的實驗和數值仿真研究[J].兵工學報，2003,24(4)：451-454.

[3] 段嘉慶,王志軍,賈耀魯,等.環形射流成型的設計改進及數值模擬[J].彈箭與制導學報,2013,33(1):103-106.

[4] 荀揚，晏麓暉，曾首義.聚能裝藥技術研究進展綜述[J].科學技術與工程， 2008,18(15)：50-56.

[5] 李成兵,裴明敬,沈兆武,等.起爆方式對桿式彈丸成型和穿甲的影響[J].火炸藥學報,2006,29(3):47-51.

[6] 吳晗玲.桿式射流形成的數值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2008，28(1)：17-21.

(責任編輯 唐定國)

Numerical Simulation of Divergent Shaped Annular Cutting Device

LI Xu-dong, YIN Jian-ping, CHEN Jie

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

At present, either the jet or the EFP is produced by this kind of combat that is not quite stable. In the course of flight due to aerodynamics, it will lead to deviations occur, so that the penetration of the target plate does not achieve the desired perforation effect. This paper designs a divergent shaped ring cutting device, using the AUTODYN software, and the numerical simulation of the circular cutting device under different divergence angle is carried out. The simulation results show that when the divergence angle is about 7 °, the best opening effect can be achieved and is larger than that of the existing ring cutting device. Penalization process will not exist within the bias phenomenon.

divergence form；annular cutting；simulation；penetration target plate

2016-12-29；

2017-01-25 基金項目：國家自然科學基金項目(11572291)

李旭東(1991—)，男，碩士研究生，主要從事戰斗部設計與高效毀傷技術研究。

10.11809/scbgxb2017.05.029

format:LI Xu-dong, YIN Jian-ping, CHEN Jie.Numerical Simulation of Divergent Shaped Annular Cutting Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):126-129.

TG413

A

2096-2304(2017)05-0126-04