高斯曲線藥型罩起爆方式研究

紀 錄，吳國東，王 超，劉亞昆

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

【彈藥工程】

高斯曲線藥型罩起爆方式研究

紀 錄，吳國東，王 超，劉亞昆

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

本文在對國內外聚能裝藥形成毀傷元研究基礎上，通過高斯曲線方程，設計了一種新型藥型罩-高斯曲線藥型罩的聚能裝藥結構，利用非線性動力學軟件AUTODYN-2D對高斯曲線藥型罩形成毀傷元的過程進行數值仿真研究，分析了高斯曲線作為藥型罩母線幾何形狀的優勢，并對起爆方式對高斯曲線藥型罩的射流成型的影響進行了研究，研究結果表明：就點起爆而言，采用頂部中心點起爆射流的成型效果和速度最好；而對于環起爆，環起爆半徑不宜過小，在環起爆半徑為40 mm時射流的成型最好。

聚能裝藥；高斯曲線；藥型罩壁厚；射流

藥型罩形成射流的主要能量來源于炸藥，而炸藥可以通過引爆后形成的爆轟波來使藥型罩壓垮變形形成射流，爆轟波的波形會直徑影響到藥型罩形成侵徹體的效果。起爆方式可以調節爆轟波波形，以及爆轟波到達藥型罩頂部的時間和作用在藥型罩頂部的爆轟壓力的大小，因此，起爆方式在聚能裝藥研究中具有重要的現實意義。在起爆方式中，聚能裝藥通常采用點起爆、面起爆、正向環起爆、逆向環起爆等方式。合適的起爆方式能增加炸藥能量的利用率，提高聚能裝藥的爆炸作用性能，獲得更好的侵徹體[1-2]。

本文對本文中采用以上四種起爆方式對聚能裝藥進行研究，藥型罩壁厚采用變壁厚，選取σ1=7.78，σ2=18.74，裝藥長徑比取1.8。

1 高斯曲線藥型罩

高斯分布曲線方程為：

圖1 高斯方程曲線因素變化圖

在σ2一定的情況下，改變σ1的值，可以看到變化的只是曲線頂端開口的大小，對于下端變化不大，并且σ1越大，上端開口越大，也即頂端曲線之間的夾角越大，再參照圖1(c)，當σ1一定時，σ2越大，下端開口越大，由圖1可以發現，高斯疊加能很好的控制曲線上端和下端的開口大小，即錐角的大小。所以要生成頭部錐角比較小，并且斜率變化比較平緩，底部形成的錐角又不會太大的曲線，既要保證侵徹體的頭部速度，又要保證侵徹體的成型效果，設計了高斯疊加的曲線。高斯疊加的方程式為：

式中A+B=H(H為藥型罩的高度)，A≤B，σ1≤σ2，σ1可以用來調節曲線頂部形成的錐角的大小，因此σ1的值不宜過大。而σ2可以用來調節曲線底部開口的大小，此種方法可以對高斯曲線形成的藥型罩進行變壁厚設計，而不僅僅局限于等壁厚設計，拓寬設計思路。

高斯曲線藥型罩的母線長度相比其他曲線藥型罩要長[4-5]。從裝藥情況來看，母線向里凹的要比母線向外凸的裝藥量大，而高斯分布曲線是向里凹的，裝藥效果更好。而通過喇叭形藥型罩可知，射流頭部速度和速度分布可以通過連續變化錐角來控制，因此結合喇叭形藥型罩的形狀[6]，可以設計出高速高延伸率的射流，而通過觀察可以看出，利用高斯疊加通過修改高斯分布方程中的σ可以出現類似于喇叭形藥型罩的曲線。綜合所述，高斯曲線藥型罩能形成形態較好、頭部速度較大、侵徹效果更好的射流。

3 計算模型

3.1 結構模型

經過大量的嘗試、分析與仿真，并經過Matlab曲線擬合，最終確定出的藥型罩的結構形狀如圖2所示。

圖2 高斯曲線藥型罩結構

3.2 有限元模型

利用非線性動力學軟件AUTODYN-2D建立有限元模型，進行二維計算，模型具有軸對稱型，只需建立1/2模型。有限元模型如圖3所示。

炸藥、殼體和藥型罩均采用歐拉算法。材料選用AUTODYN軟件庫中材料[7-10]，其中炸藥為octol，密度ρ=1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，爆壓34.2 GPa，藥型罩為紫銅，密度ρ=8.93 g/cm3，殼體為鋁，密度ρ=2.77 g/cm3，所選材料狀態方程和強度模型如表1所示。

圖3 有限元模型圖

材料狀態方程強度模型炸藥OctolJWL藥型罩CopperShockPiewiseJC殼體AL7039ShockJ-C

4 點起爆對曲線藥型罩射流成型的影響

結合優化后的結構對其進行起爆方式的研究，起爆方式為中心點起爆，設置了(如圖4)五個不同的起爆點，每兩個起爆點之間的距離為17 mm[11]。研究起爆點位置對爆轟波傳播和射流成型的影響。

圖4 起爆點位置圖

起爆方式對聚能射流成型的影響主要體現在爆轟波形的傳播和控制上，單點起爆位置的改變主要是通過改變爆轟波對藥型罩的作用過程，不同起爆點位置時，爆轟波傳播路徑及毀傷元成型過程如圖5所示，分別是。

從不同位置點起爆的爆轟波傳播路徑可以看出，起爆點離藥型罩頂部越近，對罩頂的作用時間越早，但是對罩頂的爆轟壓力偏小，僅有6.634 4×106kPa，而頂部中心點起爆，罩頂的爆轟壓力可達3.382×107kPa。在頂點處，起爆點起爆后，形成球面波，爆轟波時不斷往罩頂方向移動，而起爆點越靠近藥型罩，起爆后，容易形成球形波，向四周擴散，會影響爆轟波的集中性，因此而影響射流的成型效果。

圖5 點起爆爆轟波傳播路徑及毀傷元成型過程

圖6 67 μs時不同起爆點位置速度云圖

結合頭部速度以及罩頂部爆轟波壓力圖可以看出，當起爆點設置在2位置時，罩頂部的爆轟壓力最小，而此時形成的射流的頭部速度相比其他位置也要低，因此改變起爆點的位置時，不能僅僅考慮爆轟波的傳播路徑，也要考慮爆轟波對罩頂的壓力，若壓力過小，不僅會影響侵徹體頭部速度，還會影響到侵徹體的侵徹性能。

圖7 不同起爆點位置相關折線圖

5 環起爆對曲線藥型罩射流成型的影響

由于點起爆并沒有達到理想的效果，因此考慮在裝藥結構不變的情況下，使用環起爆，讓兩股爆轟波在相遇時相互疊加，形成超壓爆轟波，由于起爆環半徑不同，造成爆轟波疊加時的入射角不同，其產生超壓也不同；在入射角達到一定角度，會引起碰撞點附近材料堆積，使反射后的沖擊波上移，在距起爆點對稱平面一定距離處與入射爆轟波形成馬赫波，如圖8所示。

圖8 兩點對稱起爆產生的馬赫波示意圖

在裝藥頂部，通過改變起爆環半徑，來調整兩股爆轟波的匯聚時間以及爆轟波的波形和對罩頂的爆轟壓力。起爆環位置的設置如圖9所示，起爆環半徑分別為8 mm、16 mm、24 mm、32 mm和40 mm五種，對其進行仿真，仿真后的爆轟波傳播路徑如圖10所示。

圖9 環起爆位置圖

圖10 環起爆爆轟波傳播路徑及毀傷元成型過程

環起爆會形成兩個球面波，隨著環起爆半徑的增加，兩個球面波匯聚的時間延長，由此匯聚時形成的爆轟波的壓力也不相同，起爆環半徑如果太小，就會類似于中心點起爆，匯聚后依舊形成球面波，而大的起爆環半徑，在匯聚后卻可以形成錐形爆轟波，對于射流來說，錐形爆轟波更有利，通過環起爆半徑的一系列折線圖可以看出，環起爆半徑越大，射流頭部速度越高，侵徹體的杵體質量越小，射流的長度也越長。而就能量來說，雖然能量差值基本一致，但是起爆環半徑越大，總能量越大，轉化成的射流的動能也越大。

圖11 68 μs時，曲線藥型罩成型參數隨環起爆半徑變化曲線

從射流成型效果圖可以看出，起爆環越大，射流長度越長，在環半徑為24 mm時，射流前部出現連續性頸縮、拉斷。在除環半徑40 mm之外，其他幾種情況射流頭部都有一定的凸起。比較侵徹體后半部分可以看出，環起爆半徑越大，杵體直徑會相對越小、越短。

圖12 79 μs時射流成型效果圖

隨著環起爆半徑的增大，速度梯度越來越大，但變化幅度不很明顯，并且起爆環半徑越大，射流頭部直徑越小，射流相對來說更加細長，高速的頭部對侵徹來說，更有利。

起爆環半徑

5 結論

本文設計了一種高斯曲線藥型罩，通過理論分析可知高斯曲線藥型罩的母線長度相比其他曲線藥型罩要長，高斯曲線藥型罩能形成形態較好、頭部速度較大、侵徹效果更好的射流。通過數值模擬的方法對起爆方式中，不同點起爆位置以及不同環起爆半徑對高斯曲線藥型罩成型的影響進行研究。結果表明對于點起爆來說，無論是從射流的成型效果還是射流的頭部速度，頂部中心點起爆效果最好；而對于環起爆來說，環起爆半徑對射流的成型效果以及射流的頭部速度影響很大，并且環起爆半徑對爆轟波波形有一定的影響，環起爆半徑偏大時，爆轟波會形成錐形爆轟波，此時，射流的頭部速度更高，射流的長度更長，射流的成型效果相對更好。

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StudyonDetonationMethodofGaussianCurve

JI Lu， WU Guodong， WANG Chao， LIU Yakun

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

On the basis of the domestic and overseas research on the destroying elements from shaped charge, in this paper, the payload loaded constitution using Gauss curve liners is developed. Firstly, the forming process of destroying elements is simulated using AUTODYN-2D software, and the influences of different factors on the Gaussian curve liners molding are researched including the wall thickness (variable wall thickness and iso-wall thickness) and the charge major axis.Results: for point initiation, molding effect and speed is better adapting the top center point initiation; for annular initiation, the diameter of the initiation should not be too small, and the molding effect is best when the diameter is 40 mm.

shaped charge; Gaussian curve; drug cover wall thickness; jet

2017-09-06；

2017-09-30

國家自然科學基金資助項目 (11572291)；山西省研究生聯合培養基地人才培養資助項目(20160033)；中北大學第十四屆科技立項項目(20171404)

紀錄(1993—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.019

本文引用格式：紀錄，吳國東，王超，等.高斯曲線藥型罩起爆方式研究[J].兵器裝備工程學報，2017(12):80-85.

formatJI Lu，WU Guodong，WANG Chao， et al.Study on Detonation Method of Gaussian Curve[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):80-85.

TJ430

A

2096-2304(2017)12-0080-06

(責任編輯周江川)