玻璃射流對帶殼裝藥沖擊起爆的數值模擬

張 斐，周春桂，韓陽陽，張增軍

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051; 2.河北第二機械工業有限公司， 石家莊 050031)

【彈藥工程】

玻璃射流對帶殼裝藥沖擊起爆的數值模擬

張 斐1，周春桂1，韓陽陽1，張增軍2

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051; 2.河北第二機械工業有限公司， 石家莊 050031)

利用非線性動力學分析軟件AUTODYN-2D對玻璃射流沖擊起爆帶殼B炸藥進行了仿真研究，研究了不同裝藥參數對帶殼裝藥沖擊起爆的影響，實現了玻璃射流對帶殼B炸藥的穿而不爆。仿真結果表明，射流u2d值隨著藥型罩壁厚和錐角的增大逐漸減小，隨著裝藥長徑比的增大逐漸減??；玻璃射流沖擊起爆帶殼B炸藥的u2d閥值均在15.543 mm3/μs2左右，說明玻璃射流可以用于反爆炸式反應裝甲戰斗部。

玻璃射流；帶殼裝藥；起爆閥值；穿而不爆

爆炸反應裝甲(ERA)使傳統的反坦克武器面臨前所未有的挑戰。目前串聯戰斗部是應用廣泛且比較成熟的反ERA彈藥[1]。南京理工大學王健等的研究表明EFP可以對ERA實現穿而不爆，從而為主射流開辟道路[2]。但串聯戰斗部使用雙引信, 增加了延時機構，若坦克在該時間間隔內發生橫向偏移，前級裝藥所開辟的通道便失去了意義，且這種裝藥結構復雜導致破甲率和可靠性有所降低。射流能否引爆ERA夾層裝藥主要取決于透射沖擊波的強度。低聲抗材料聚合物形成的射流產生的壓力比高聲抗材料如銅射流產生的壓力低得多。Cauchetier，J提出了一種結構更為緊湊的戰斗部，用低密度射流侵徹ERA為后繼主射流開辟通道[3]。A. Helte等人對這種戰斗部的前級射流侵徹ERA進行了試驗研究，發現氧化鋁粉末和鋁粉以及低密度材料藥型罩形成的射流可以實現對反應裝甲的穿而不爆[4]。國內中北大學王志軍、董方棟等利用非線性動力學分析軟件AUTODYN-2D對特氟龍、尼龍等低密度材料射流沖擊起爆帶殼B炸藥進行了仿真研究，并分別實現了高速下對帶殼B炸藥的穿而不爆[5]。

本文用采用非線性動力學分析軟件AUTODYN-2D，對玻璃射流侵徹ERA進行了數值模擬，得出了浮法玻璃射流對帶殼裝藥沖擊起爆判據，以期對反ERA戰斗部設計提供一定理論依據。

1 數值仿真模型

1.1 有限元模型及算法

聚能裝藥中炸藥爆炸以及藥型罩的壓垮均屬于大變形問題，因此主裝藥、藥型罩均采用Euler算法；帶殼炸藥面板、夾層炸藥和背板采用Lagrange算法，帶殼裝藥與聚能裝藥、藥型罩以及空氣進行流固耦合，在歐拉域采用中心加密的漸變網格，并在空氣邊界上添加“Flow_out”邊界條件來消除邊界效應。聚能戰斗部有限元模型如圖1所示。裝藥口徑為36 mm，

圖1 有限元模型

裝藥高度為36 mm，藥型罩錐角為70°，且藥型罩內端圓角半徑為3 mm，藥型罩外部圓角半徑為藥型罩內端半徑與壁厚之和，壁厚為3 mm。帶殼裝藥的面板、夾層炸藥、背板厚度分別為2 mm、4 mm、2 mm[6]，在夾層炸藥中設置6個高斯點，以便觀察夾層炸藥各點的壓力。

1.2 材料模型及參數

藥型罩材料為浮法玻璃，用Polynomial狀態方程和Johnson-Holmquist強度模型來描述其本構關系。面板和背板材料為30CrMnSi，用Linear狀態方程和Johnson Cook強度模型來描述本構關系。主裝藥和被裝藥均為軍用B炸藥，分別用JWL和Lee-Tarver狀態方程來描述，所用材料參數均來自AUTODYN程序材料庫。

2 裝藥引爆判據

射流侵徹反應裝甲時，射流頭部撞擊前面板產生的沖擊波，射流沖擊波壓縮裝藥，裝藥受到比能

E=put

(1)

式中:p為沖擊波后壓力;u為波后質點速度;t為沖擊波作用時間。沖擊波作用時間為：

t=dj/2c

(2)

式中:dj為射流直徑;c為聲速。沖擊波后壓力P可以表示為

p=ρ0uD

(3)

式中:ρ0為裝藥密度;D為沖擊波傳播速度。故裝藥受到比能為：

E=ρ0u2Dd/(2c)

(4)

由于u與沖擊波強度有關，沖擊波強度又與射流速度有關，因此有：

u=Avj

(5)

此外，聲速與沖擊波速度關系為：

c=BD

(6)

因此有：

其中K為常數，是裝藥起爆判據，當達到臨界值時，裝藥會被引爆。對于不同材料的射流，K值不同[7]。

對于聚能裝藥射流的密度對起爆閥值的影響， Held則定義了u2d，它對應于坑底的駐點壓力，其中u是高能炸藥中的開坑速度，對于流體動力學的侵徹過程，開坑速度用Bernoulli方程給出

故

對于B炸藥，K=23 mm3/μs2。其中ρH和ρp分別是炸藥及射流的密度。因此，本文將采用這一起爆判據。

3 數值仿真模擬結果及分析

3.1 射流成型過程

浮法玻璃射流在不同時刻的成型狀態如圖2所示。從圖2可知，低密度藥型罩在主裝藥爆轟的情況下，可以形成高速射流。浮法玻璃藥型罩在被壓垮閉合過程中具有射流成型各階段的的典型特征。主裝藥起爆約8 μs后，爆轟產物將以很高的壓力沖量作用于藥型罩頂部，引起藥型罩頂部的高速變形，藥型罩開始被壓垮、并在軸線上閉合，在中心發生相互碰撞、擠壓，13 μs時已完成匯聚，形成高速侵徹體。由于藥型罩頂部的有效裝藥量大，因而壓垮速度大，形成的射流速度高；而在藥型罩底部，有效裝藥量少，壓垮速度和相應的射流速度較低。由于頭尾速度差的存在，侵徹體在運動中逐漸拉伸，出現頸縮現象，當運動到一定炸高時射流被拉斷。

3.2 數值仿真結果分析

本文對裝藥口徑為36 mm，采用不同錐角及壁厚的玻璃藥型罩沖擊起爆位于3倍口徑炸高的帶殼裝藥進行了數值模擬。分析討論了射流的u2d隨不同藥型罩壁厚δ，不同藥型罩錐角2α，不同裝藥長徑比λ的變化情況。

聚能裝藥的裝藥長徑比λ為0.9、藥型罩錐角2α為90°時，浮法玻璃藥型罩形成的射流的u2d值隨藥型罩壁厚δ變化曲線如圖3所示，夾層炸藥的沖擊起爆結果如表1所示。由圖3和表1可知：當長徑比λ和藥型罩的錐角2α一定時，浮法玻璃藥型罩形成的射流的u2d值隨著藥型罩壁厚δ的增大而逐漸減少，夾層裝藥的狀態由爆炸逐漸過渡到未爆，即其沖擊起爆能力在逐漸遞減，而穿而不爆的能力在逐漸遞增。

圖2 射流成型過程

圖3 u2d值隨壁厚δ的變化曲線

δ/mm2．02．53．03．54．0結果爆爆爆燃未爆未爆

聚能裝藥的裝藥長徑比λ為0.9、藥型罩壁厚δ為3 mm時，浮法玻璃藥型罩形成的射流的u2d值隨藥型罩錐角2α的變化曲線如圖4所示，夾層炸藥的沖擊起爆結果如表2所示。由圖4和表2可知：當長徑比λ和藥型罩的壁厚δ一定時，隨著藥型罩錐角2α的增大，射流的著靶速度在減小，起爆系數K=u2d也在減小，沖擊起爆能力在逐漸遞增，而穿而不爆的能力在逐漸遞減。

藥型罩壁厚δ為3 mm，錐角2α為90°時，浮法玻璃藥型罩形成的射流的u2d值隨裝藥長徑比λ的變化曲線如圖5所示，夾層炸藥的沖擊起爆結果如表3所示。由圖5和表3可知：當藥型罩的壁厚δ和錐角2α一定時，隨著裝藥長徑比λ的增大，射流的著靶速度在增大，夾層裝藥的狀態由未爆逐漸過渡到爆炸，即其沖擊起爆能力在逐漸增強，而穿而不爆的能力在逐漸減弱。

圖4 u2d值隨錐角2α的變化曲線

2α60708090結果爆爆燃爆燃爆燃

圖5 u2d值隨裝藥長徑比λ的變化曲線

λ0．60．70．80．91．0結果未爆未爆未爆爆燃爆燃

3.3 夾層裝藥分析

夾層裝藥反應度云圖如圖6，圖6從左到右B炸藥狀態依次為未爆、爆燃和爆炸。圖7為夾層裝藥爆燃時，觀測點的壓力隨時間的變化曲線。從圖7可以看出夾層裝藥為B炸藥時，其爆燃時的最大壓力為5.48GPa，而B炸藥的臨界起爆壓力為5.63 GPa，仿真結果與試驗結果值的誤差為2.66%。

圖6 夾層裝藥反應度云圖

圖7 夾層裝藥觀測點壓力變化曲線

4 結論

本文通過對浮法玻璃射流對夾層炸藥沖擊起爆的數值仿真，得到以下結論：

1) 浮法玻璃射流沖擊引爆ERA的u2d閥值為15.543 mm3/μs2，說明了數值仿真研究射流沖擊起爆的可行性；

2) 在一定條件下，浮法玻璃射流沖擊引爆ERA的u2d閾值與藥型罩壁厚和錐角成正相關，與裝藥長徑比成負相關，但其起爆閥值基本不變。

3) 浮法玻璃射流可對ERA實現穿而不爆，可以作為穿破型串聯戰斗部的前級裝藥，為后級主射流開辟通道，可應用于反ERA的戰斗部中。

[1] 郎明群,徐學華.多級串聯聚能裝藥隔爆時間的計算與測試[J].南京理工大學學報,2002,26(6):625-628.

[2] 王健,曹紅根,周箭隆. EFP侵徹爆炸反應裝甲過程研究[J].南京理工大學學報,2008,32(1):9-12.

[3] CAUCHETIER J. Explosive Device with a Hollow Charge,Designed for Penetrating Armor Protected by Active Primary Armor[P]. US Patent 5394804.1995-7-3.

[4] Non-inttiating Precursor Charge Technology Against Era[C]// 26thInternational Sympositum on Ballistics Miami,FL,2011:12-16.

[5] 董方棟,王志軍,尹建平,等.低密度射流沖擊帶殼裝藥起爆閾值的數值仿真[J].兵器材料科學與工程,2013,36(4):15-19.

[6] 劉宏偉.爆炸反應裝甲飛板變形及干擾射流模型[D]南京:南京理工大學.2007.

[7] HELD M. Discussion of the experiment findings from the initiation of covered but unconfined high explosive charge with shaped charge jets[J].Propellants, Explosive, Pyrotechnics, 1987, 12: 167-174.

NumericalSimulationonGlassJetInitiatingExplosivewithShell

ZHANG Fei1， ZHOU Chungui1， HANG Yangyang1， ZHANG Zengjun2

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Hebei Second Industrial Machinery Co.,LTD.， Shijiazhuang 050031， China)

In order to eliminate the interference of the reaction armor to the main jet, to achieve the glass jet on the shell with the penetration-but-not-detonated, numerical simulations by AUTODYN-2D software was carried out to emulate that glass jet initiate B explosive with shell. The effect of different charge parameters on the impact initiation of shell loading was studied, and the effect of glass jet on the shell B explosive was realized. The results indicate that theu2ddecreases as the thickness and taper angle of liner increases,but the value of the jetu2ddecreases as the charge-to-length ratio increases. The initiating valueu2dof glass jet to B explosive with shell is about 15.543 mm3/μs2. The results show that glass jets can be used for Anti-Explosive Reaction Armor warhead.

glass jet; explosive with shell; initiating value; penetration-but-not-detonated

2017-10-20；

2017-11-02

國家自然科學基金(11572291);中北大學第14屆研究生科技立項項目資助(20171403)

張斐,碩士研究生,主要從事高效毀傷戰斗部設計及數值仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.12.020

本文引用格式：張斐，周春桂，韓陽陽，等.玻璃射流對帶殼裝藥沖擊起爆的數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(12):86-89.

formatZHANG Fei，ZHOU Chungui，HANG Yangyang, et al.Numerical Simulation on Glass Jet Initiating Explosive with Shell[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):86-89.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0086-04

(責任編輯周江川)