一種新型M形頂部結構藥型罩的設計及形成射流的侵徹能力分析

王鳳英，阮光光，劉天生，岳繼偉，柴艷軍，趙海平，吳 鵬，周 杰

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430205；3.安徽方圓機電股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

一種新型M形頂部結構藥型罩的設計及形成射流的侵徹能力分析

王鳳英1，阮光光1，劉天生1，岳繼偉2，柴艷軍3，趙海平1，吳 鵬1，周 杰1

(1.中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430205；3.安徽方圓機電股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

在錐角藥型罩結構基礎上通過改變其頂部結構設計了一種新型M形頂部結構藥型罩，并分析了其射流頭部的形成機理；采用有限元軟件ANSYS/LS-dyna對在爆轟波作用下M形頂部結構藥型罩射流的形成過程，以及對45號鋼板的侵徹過程進行了數值模擬，并與錐角藥型罩、平頂藥型罩形成射流的頭尾部速度、拉伸長度、杵體大小以及對45號鋼板的侵徹能力進行了對比。結果表明，M形頂部結構藥型罩的M形頂部結構在爆轟波作用下經二次匯聚形成了射流頭部，相同裝藥條件下，其形成射流的頭部速度相比錐角藥型罩形成射流的頭部速度提高約9.10%，比平頂藥型罩形成的射流頭部速度提高約 5.56%；其侵徹深度比錐角藥型罩提高約10.4%，比平頂藥型罩提高約7.28%。

爆炸力學；M形藥型罩；射流；爆轟波；聚能裝藥；侵徹

引 言

隨著武器裝備的不斷發展，對聚能裝藥的侵徹能力提出了更高的要求， 20世紀80年代，美國提出了超高速(HYJET)射流空心裝藥的新概念，所謂超高速射流是指將藥型罩設計成一種在爆炸載荷下可以產生二次碰撞的結構，壓垮后的藥型罩首先形成第一次射流，第一次射流經二次碰撞后產生速度更高、拉伸長度更長的的二次射流，這種現象也稱為射流的二次噴射[1]。

基于二次噴射的原理，國內外學者設計了各種新型藥型罩結構以提高聚能裝藥的侵徹能力。董永香、王志軍等[2-3]分別設計了一種新型環形裝藥結構和一種星錐形藥型罩，兩者都通過射流的二次噴射來提高射流的頭部速度，進而提高裝藥結構侵徹能力。藥型罩的頂部結構直接影響著射流的頭部速度進而影響聚能裝藥的侵徹能力。現有文獻對藥型罩的頂部結構報道較少。王德寶等[4]對平頂藥型罩射流的形成機理以及過程進行了研究；王建華等[5]采用數值模擬的方法對錐形藥型罩形成射流的過程進行了研究；顧文斌等[6]設計了以圓柱體代替錐角結構的柱錐結合藥型罩。

本研究根據產生二次噴射的星錐形藥型罩[1]、M形藥型罩[7]以及錐角藥型罩，通過將這3種藥型罩結合設計出一種新型M形頂部結構藥型罩，并采用有限元軟件ANSYS/LS-dyna在相同裝藥條件下對M形頂部結構藥型罩、錐角藥型罩以及平頂藥型罩射流的形成以及對45號鋼板的侵徹過程進行數值模擬，并對比分析3種藥型罩所形成射流的頭尾部速度、拉伸長度、杵體大小以及對45號鋼板的侵徹能力，以期為提高破甲戰斗部的侵徹能力和藥型罩的設計提供參考。

1 裝藥結構設計

M形頂部結構藥型罩聚能裝藥結構、錐角藥型罩裝藥結構以及平頂藥型罩裝藥結構物理模型剖面圖如圖1所示。

3種裝藥結構裝藥口徑均為80mm，藥型罩材料為紫銅，采用等壁厚藥型罩，藥型罩厚度為1mm。M形頂部結構藥型罩是在錐角為60°藥型罩的基礎上設計而成，裝藥高度為100mm，炸藥選用8701炸藥，裝藥結構采用船型裝藥結構。其中M形頂部結構藥型罩兩個錐角分別為60°，4條邊長度均為5mm。平頂藥型罩罩高為57.15mm，平頂直徑為10mm。

圖1 3種聚能裝藥藥型罩的結構剖面圖Fig.1 Profiles of three kinds of shaped charge liner structure

2 數值模擬

2.1 數值模型的建立

在建模過程中選用3Dsolid164實體單元，由于數值模型的對稱性，為了降低建立模型的復雜性和提高計算效率，建立射流的形成以及侵徹靶板數值模型時均建立四分之一模型，通過施加合適的約束以保證計算的準確性；模擬射流成形的數值模型為：炸藥、藥型罩、空氣域；模擬侵徹靶板的數值模型為：炸藥、藥型罩、空氣域和鋼靶。在網格劃分過程中，炸藥、藥型罩、空氣采用共點歐拉網格模型，鋼板獨立建模并采用拉格朗日網格模型。3種裝藥結構數值模型如圖2所示。

圖2 3種藥型罩裝藥結構的數值模型Fig.2 Numerical model of three kinds of liner shaped charge structure

2.2 材料模型的確定

本研究涉及的材料本構模型和狀態方程為：炸藥選用HIGH-EXPLOSIVE-BURN 模型，狀態方程為JWL；藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態方程采用Gruneisen方程；空氣域采用無偏應力流體動力模型(NULL) ，狀態方程采用Gruneisen方程；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態方程采用Gruneisen方程。模型及狀態方程具體參數見表1～4。

表1 炸藥材料模型及其JWL狀態方程參數

表2 藥型罩材料模型及其Gruneisen狀態方程參數

表3 空氣材料模型及其線性多項式狀態方程參數

表4 靶板材料模型及Gruneisen狀態方程參數

2.3 計算方法

本研究對射流的形成過程進行數值模擬時采用ALE算法，在對45號鋼板進行侵徹過程的數值模擬過程采用流固耦合算法。起爆方式均為炸藥頂端中心點起爆，并使用后處理軟件Lsprepost觀察射流的形成過程以及對45號鋼板侵徹過程的數值模擬結果。

3 數值模擬結果分析

3.1 3種藥型罩形成射流頭部的機理分析

錐角、平頂藥型罩形成射流頭部的機理在文獻中已有報道[4,8]。本研究通過Lsprepost后處理軟件觀察炸藥爆炸后爆轟波作用于M形頂部結構的方式以研究M形頂部藥型罩形成射流頭部的機理。根據后處理軟件觀察炸藥在裝藥頂端中心點起爆后5μs時爆轟波到達M形頂部結構，數值模型圖如圖3(a)所示,根據數值模型圖畫出爆轟波與M形頂部結構作用的剖面圖如圖3(b)所示。

圖3 爆轟波作用于M形頂部結構形態圖Fig.3 Morphology of detonation wave act on M-shaped top structure

根據爆轟波作用于M形頂部結構方式可分析出M形頂部結構所受的爆轟作用力，其所受爆轟作用力剖面圖如圖4所示。

圖4 M形頂部結構所受爆轟作用力剖面圖Fig. 4 Profile of the detonation acting force of the M-shaped top structure

由圖3和圖4可知，M形頂部結構爆轟波作用下將形成環形線性射流，環形線性射流在圖4所示F區域經過二次匯聚再次形成射流頭部，經二次匯聚形成的射流相比普通射流具有更高的速度以及更好的拉伸性能[1]；不僅如此，M形頂部結構在一定程度上也改變了爆轟波與藥型罩母線部分的作用角度，進而影響所形成射流的尾部速度。

3.2 3種藥型罩射流形成的模擬結果對比分析

藥型罩頂部結構形成射流頭部后其母線部分陸續被壓垮，并在軸線處碰撞后補充到射流中去，由于3種藥型罩頂部結構不同從而造成爆轟波作用于藥型罩母線的角度發生變化，其形成射流的參數如頭尾部速度、拉伸長度等也將發生變化，通過Lsprepost后處理軟件觀察100μs內3種藥型罩形成射流的形狀并測量100μs時3種藥型罩形成射流的參數如表5所示，100μs時3種藥型罩形成的射流形態如圖5所示。

由圖5和表5可知，相同裝藥條件下，M形頂部結構藥型罩形成射流的頭尾部速度最高、動能最大、抗拉伸性最好；平頂藥型罩形成的射流頭尾部速度、動能、抗拉伸性能次之；錐角藥型罩形成的射流頭尾部速度、動能、抗拉伸性能最差。

表5 100μs時3種藥型罩形成射流的參數

圖5 100μs時3種藥型罩裝藥結構形成的射流形態圖Fig.5 Morphology of three kinds of liner shaped charge structure jet formation at 100 μs

3.3 侵徹鋼板的模擬結果分析

在相同裝藥條件下，使用有限元軟件ANSYS/ls-dyna對M形頂部結構藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩所形成的射流在200mm炸高下對尺寸為400mm×20mm×20mm的45號鋼板進行侵徹穿深的數值模擬；并使用后處理軟件Lsprepost觀察數值模擬過程，3種藥型罩失去侵徹能力時靶板效果圖如圖6所示，并測量了3種藥型罩所形成的射流失去侵徹能力時靶板的相關參數，見表6。

表6 3種藥型罩侵徹靶板后的相關參數

注：H為侵徹深度；d為侵徹孔直徑；H′為H的相對增量。

由圖5及表6可知，在相同裝藥條件下，M形頂部結構藥型罩形成射流的侵徹能力最強，比平頂藥型罩對45號鋼板的侵徹深度提高約7.28%，比錐角藥型罩所形成的射流對45號鋼板的侵徹深度提高約10.40%。

圖6 3種藥型罩裝藥結構失去侵徹能力時的靶板效果圖Fig.6 Target impression drawing after loss of penetration ability for three kinds of liner shaped charge structure

為了驗證模擬結果的可靠性，在與數值模型相同裝藥條件下進行侵徹試驗，平頂藥型罩裝藥結構在200mm炸高下對45號鋼板的侵徹能力侵徹效果圖如圖7所示，測得3組試驗靶板相關參數如表7所示。

圖7 試驗靶板效果圖Fig.7 Impression drawing of experimental target

實驗編號H/mmd/mm第一發彈316.212.9第二發彈318.613.1第三發彈320.313.3平均值318.413.1

將平頂藥型罩裝藥結構對45號鋼板的侵徹數值模擬結果與試驗結果對比，其侵徹深度結果誤差為4.3%，侵徹孔直徑誤差為4.6%，在合理誤差范圍內，驗證了本研究數值模擬結果的可靠性。

4 結 論

(1)采用數值模擬方法對M形、錐角、平頂3種藥型罩射流的形成過程以及對45號鋼板的侵徹過程進行了研究。藥型罩的M形頂部結構在爆炸載荷下可形成環形線性射流經過二次匯聚可形成聚能射流，且形成射流頭部。

(2)M形頂部結構藥型罩比錐角藥型罩形成射流的頭部速度提高約9.10%，比平頂藥型罩裝藥結構頭部速度提高約5.56%，且射流的抗拉伸性以及拉伸長度均有明顯的提升。

(3)對比了3種藥型罩對45號鋼板的侵徹深度，M形頂部結構藥型罩裝藥結構的侵徹深度比錐角藥型罩裝藥結構提高了約10.40%，比平頂藥型罩裝藥結構提高了約7.28%。

[1] 朱麗華. 國外反坦克武器戰斗部空心裝藥[J]. 現代兵器,1986(8):25-34.ZHULi-hua.Hollowchargeofforeignantitankweaponwarhead[J].ModernArmament,1986(8):25-34.

[2] 董永香,陳國光,辛長范,等. 一種新型裝藥結構的探討[J]. 華北工學院學報,1999(3):233-235.DONGYong-xiang,CHENGuo-guang,XINChang-fan,etal.Analysisonthestructureofanewtypeofshapedcharge[J].JournalofNorthChinaInstituteofTechnology,1999(3):233-235.

[3] 王志軍,吳國東. 一種新型星錐狀藥型罩形成射流的數值模擬[J]. 兵工學報,2007，28(11):1397-1400.WANGZhi-jun,WUGuo-dong.Numericalsimulationonjetformationofanewstarshapedliner[J].ActaArmamentarii,2007，28(11):1397-1400.

[4] 王德寶,馬宏昊,沈兆武,等. 平頂藥型罩聚能射流形成過程研究[J]. 工程爆破,2016(2):51-55,64.WANGDe-bao,MAHong-hao,SHENZhao-wu,etal.Studyofshapedchargejetformatiomprocesswithflat-topliner[J].EngineeringBlasting,2016(2):51-55,64.

[5] 王建華,張會鎖. 錐形裝藥形成射流的數值模擬[J]. 火炸藥學報,2006，29(5):25-28.WANGJian-hua,ZHANGHui-suo.Numericalsimulationofshapedchargejet[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants(HuozhayaoXuebao),2006，29(5):25-28.

[6] 顧文彬,瞿洪榮,唐勇. 柱錐結合罩射流成型過程試驗研究[J]. 含能材料,2009，17(4):470-474.GUWen-bin,ZHAHong-rong,TANGYong.Experimentalinvestigationofjetformationofcylinder-coneshapedcharge[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials,2009，17(4):470-474.

[7] 童宗保,王小春,程劍,等. 一種M型藥型罩形成環形射流的數值模擬研究[J]. 兵器裝備工程學報,2016，37 (3):143-145,170.DONGZong-bao,WANGXiao-chun,CHENGJian,etal.StudyonnumericalsimulationofMshapedchargedlinerformannularjet[J].JournalofOrdnanceEngineering,2016，37(3):143-145,170.

[8] 梁德壽. 聚能破甲效應(一)[J]. 爆炸與沖擊,1988,(3):281-288.LIANGDe-shou.Shapedchargeanditspenetration(one)[J].ExplosionandShockWaves,1988(3):281-288.

DesignofANewM-shapedTopStructrueLinerandAnalysisofPenetrationAbilityofItsJetFormation

WANGFeng-ying1，RUANGuang-guang1，LIUTian-sheng1，YUEJi-wei2，CHAIYan-jun3,ZHAOHai-ping1,WUPeng1,ZHOUJie1

(1.SchoolofEnvironmentandChemicalEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyaun030051,China;2.WuhanGuideInfraredCo.,Ltd.,Wuhan430205,China;3.AnhuiFangyuanMechanicalandElectricalCo.,Ltd.,BengbuAnhui233010,China)

Based on the liner structrues of the cone angle, a new liner structure with M-shaped top structure was designed by changing its top structure, and the formation mechanism of its jet head was analyzed. The numerical simulation of jet formationin process of liner with M-shaped top structrue under the action of detonation wave and the penetration process of No.45 steel plate was performed by using the finite element software ANSYS/LS-dyna, and comparison with the head and end velocity, stretching length, slug size and the penetration ability of No.45 steel plate of the jet formed by the cone angle liner and the flat-top liner was performed. The results show that the top structure of the liner with M-shaped top structure forms jet head at two times convergence under the action of detonation wave. Under the same loading condition, compared with the cone angle liner jet-forming head speed, the M-shaped liner jet-forming head speed is increased by about 9.10% and the flat-top liner jet-forming head speed is increased by about 5.56%, its penetration depth is improved by about 10.40% compared with the cone angle liner, its penetration depth is improved by about 7.28% compared with the flat-top liner liner.

explosion mechanics; M-shape liner; jet; detonation wave;shaped charge;penetration

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.014

2017-02-23；

2017-06-01

國家自然科學基金(No.11572292)

王鳳英(1955-)，女，教授，從事彈藥工程及武器系統防護工程研究。E-mail:wfyts8271@163.com

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1007-7812(2017)04-0076-05