桿式鉭射流侵徹水介質(zhì)的數(shù)值模擬

劉亞昆，吳國(guó)東，王志軍，尹建平，張 沖

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

【彈道工程和火藥工程】

桿式鉭射流侵徹水介質(zhì)的數(shù)值模擬

劉亞昆，吳國(guó)東，王志軍，尹建平，張 沖

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

為研究鉭在水下聚能效應(yīng)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種亞半球聚能裝藥結(jié)構(gòu)，運(yùn)用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D對(duì)其形成的桿式射流進(jìn)行侵徹水介質(zhì)數(shù)值模擬。分析鉭射流侵徹?zé)o限水域的空腔效應(yīng)和經(jīng)過(guò)300 mm水介質(zhì)對(duì)靶板的侵徹性能，結(jié)果表明：在相同結(jié)構(gòu)條件下，鉭射流侵徹水介質(zhì)各項(xiàng)性能參數(shù)均優(yōu)于銅射流。

鉭；水下聚能效應(yīng)；桿式射流；空腔效應(yīng)

桿式射流(JPC)是基于聚能效應(yīng)發(fā)展的一種新型侵徹體結(jié)構(gòu)形式，它是利用一定的起爆方式，與裝藥和藥型罩的匹配關(guān)系得到的一種介于射流(JET)和爆炸成型彈丸(EFP)之間的聚能侵徹體[1-2]。與聚能射流相比，具有攻擊距離遠(yuǎn)、藥型罩利用率高、侵徹孔徑大等優(yōu)點(diǎn)，與爆炸成型彈丸相比，具有速度較高、侵徹深度更大等優(yōu)點(diǎn)[3]。鉭的密度是銅的1.86倍，其硬度適中，富有延展性，熱膨脹系數(shù)很小，且具有出色的化學(xué)性質(zhì)，具有極高的抗腐蝕性。鉭由于其具有高密度，高動(dòng)態(tài)延展率等優(yōu)良特性，目前已成功應(yīng)用于破甲彈的藥型罩材料[4]。

目前各國(guó)大型水面艦船舷側(cè)采用多層裝甲加液艙防御結(jié)構(gòu)，對(duì)于含水防護(hù)艙，普通的水下爆破戰(zhàn)斗部難以對(duì)艦船形成致命毀傷，而聚能戰(zhàn)斗部不但能利用聚能效應(yīng)將目標(biāo)貫穿，而且侵徹體貫穿目標(biāo)后彈后水介質(zhì)沖量會(huì)對(duì)破孔造成二次毀傷[5]。聚能效應(yīng)在水下的應(yīng)用要比在空氣中復(fù)雜，由聚能效應(yīng)產(chǎn)生的JET、JPC和EFP等入水后會(huì)迅速與水發(fā)生發(fā)應(yīng)，被水介質(zhì)侵蝕掉大量能量，導(dǎo)致毀傷效能顯著減弱，同時(shí)聚能效應(yīng)與水作用時(shí)會(huì)在水中形成瞬時(shí)空腔。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)聚能效應(yīng)的水下應(yīng)用，提出了隨進(jìn)串聯(lián)裝藥和單裝藥雙罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。其毀傷機(jī)理為：聚能裝藥水下作用時(shí)產(chǎn)生兩部分以上侵徹體，利用前侵徹體水中侵徹形成的瞬時(shí)空腔為隨進(jìn)主侵徹體提供無(wú)能耗通道，以顯著提高主侵徹體的毀傷效能[6]。

本文設(shè)計(jì)一種亞半球聚能裝藥結(jié)構(gòu)，對(duì)所形成的桿式鉭射流進(jìn)行侵徹水介質(zhì)數(shù)值模擬，與銅射流作比較，分析鉭作為藥型罩材料用于水下聚能效應(yīng)時(shí)的優(yōu)異性能，所得結(jié)論可為水下聚能效應(yīng)研究提供參考價(jià)值。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)模型

亞半球聚能結(jié)構(gòu)如圖1所示，藥型罩直徑D=100 mm，罩高H=45 mm，藥型罩外曲率半徑為R=70 mm，內(nèi)曲率半徑為R1=68 mm，壁厚為δ=2 mm，裝藥長(zhǎng)度為L(zhǎng)=100 mm，即裝藥長(zhǎng)徑比為1，殼體厚度為h=2.5 mm。中心點(diǎn)起爆，起爆點(diǎn)在裝藥頂端面。

圖1 聚能裝藥簡(jiǎn)圖

1.2 材料模型

利用非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN-2D建立有限元模型，為充分模擬桿式射流水下侵徹空腔形成閉合過(guò)程，采用大水域計(jì)算，并在水域邊界施加“FLOW-OUT”邊界，避免反射波干擾。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將成型桿式射流采用映射技術(shù)映射到大水域計(jì)算模型中，并添加高斯點(diǎn)A，模型具有軸對(duì)稱(chēng)型，只需建立1/2模型，如圖2所示。

圖2 大水域計(jì)算模型

炸藥、殼體、藥型罩和水均采用歐拉算法。材料選用AUTODYN軟件庫(kù)中材料[7]，其中炸藥為Octol，密度ρ=1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，爆壓34.2 GPa，殼體為鋁，密度ρ=2.77 g/cm3，所選材料狀態(tài)方程和強(qiáng)度模型如表1所示。

表1 材料模型

Autodyn中水的狀態(tài)方程有沖擊方程和多項(xiàng)式方程，沖擊方程無(wú)法通過(guò)設(shè)置比內(nèi)能來(lái)改變水的靜水壓力，固選用多項(xiàng)式方程。μ為水的壓縮比，μ=ρ/ρ0-1，ρ為水壓縮或膨脹后的密度，ρ0為水的初始密度，大水域中忽略密度在深度方向的變化，即認(rèn)為水的初始密度ρ0=1.0 g/cm3。

當(dāng)水壓縮時(shí)(μ>0)時(shí)，狀態(tài)方程為：

P=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e

當(dāng)水膨脹時(shí)(μ<0)時(shí)，狀態(tài)方程為：

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e

水面處大氣壓Po=1.013×105Pa，單位質(zhì)量水的內(nèi)能：e=(P0+ρ0gh)/(B0ρ0)，P為水中壓力，式中A1、A2、A3、B0、B1、T1和T2為常數(shù)，如表2所示。

表2 狀態(tài)方程參數(shù)

2 桿式射流侵徹水介質(zhì)

空腔效應(yīng)[8]是高速投射物(彈丸、破片等)侵徹組織時(shí)所發(fā)生的一種變化迅速的物理現(xiàn)象。桿式侵徹體撞擊水面瞬間，形成幅值很高的沖擊波，并以球形壓力波的形式傳播，其持續(xù)時(shí)間很短。撞擊水面后，臨近的水質(zhì)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生徑向擴(kuò)張而形成圓錐形空腔，空腔慣性膨脹到內(nèi)部壓力小于環(huán)境大氣壓時(shí)，外部氣體進(jìn)入空腔，隨著侵徹距離的增加，水質(zhì)點(diǎn)徑向出現(xiàn)反向速度，空腔開(kāi)始閉合。研究中所使用的藥型罩材料如表3所示。

表3 藥型罩材料參數(shù)

由高斯點(diǎn)A得到A質(zhì)點(diǎn)徑向速度在400 μs左右時(shí)出現(xiàn)反向速度，空腔開(kāi)始閉合，400 μs時(shí)兩種材料的桿式射流水中侵徹空腔效應(yīng)如圖3所示。

圖3 桿式射流水中侵徹空腔效應(yīng)

由圖3可知，鉭射流水中侵徹形成的空腔較為連續(xù)，而銅射流形成的空腔中間發(fā)生斷裂，空腔過(guò)早的閉合。針對(duì)聚能效應(yīng)的水下應(yīng)用，與銅相比，將鉭作為前級(jí)侵徹體材料，可以形成連續(xù)的瞬時(shí)空腔為隨進(jìn)主侵徹體提供無(wú)能耗通道。

桿式射流侵徹水介質(zhì)的過(guò)程中，由于水介質(zhì)的阻礙作用，射流頭部會(huì)受到極大的侵徹阻力，使射流的速度不斷衰減，當(dāng)水介質(zhì)作用在射流頭部的壓力遠(yuǎn)超過(guò)射流材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成射流質(zhì)量的損耗。射流侵徹水介質(zhì)過(guò)程中，速度和質(zhì)量都在變化，固取射流動(dòng)能為研究指標(biāo)。研究中將桿式射流對(duì)無(wú)限水域進(jìn)行侵徹，得到兩種材料對(duì)水介質(zhì)的極限侵徹深度為：鉭(1 566 mm)和銅(1 413 mm)。動(dòng)能衰減曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 動(dòng)能衰減曲線(xiàn)

由圖4可知，銅射流入水后，動(dòng)能在700 μs時(shí)衰減為0，其動(dòng)能衰減速度大于鉭射流，鉭射流入水時(shí)動(dòng)能小于銅射流，但是由于鉭的高密度，耐腐蝕等特性，鉭射流受水介質(zhì)的侵蝕程度小于銅射流，使得最終鉭射流對(duì)水介質(zhì)的侵徹深度大于銅射流。

3 桿式射流水中侵徹靶板

將成型桿式射流映射到計(jì)算模型中，經(jīng)過(guò)300 mm水介質(zhì)后侵徹?zé)o限靶，有限元模型如圖5所示。

圖5 侵徹靶板有限元模型

靶板采用拉格朗日算法，并在靶板邊界施加“Transmit”邊界，消除應(yīng)力波干擾。靶板材料為AUTODYN材料庫(kù)中4340鋼，材料參數(shù)如表4所示：

表4 4340鋼參數(shù)

銅射流對(duì)靶板侵徹深度為291 mm，孔徑為17 mm，鉭射流對(duì)靶板侵徹深度為429 mm，孔徑為20 mm，射流的動(dòng)能衰減曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 侵徹靶板動(dòng)能衰減曲線(xiàn)

由圖6可知，射流在100 μs時(shí)穿過(guò)300 mm水介質(zhì)，由于銅射流受水侵蝕較為嚴(yán)重，此時(shí)其動(dòng)能小于鉭射流，在400 μs時(shí)喪失侵徹能力。綜上，在經(jīng)過(guò)300 mm水介質(zhì)侵徹靶板鉭射流相比銅射流，侵徹深度提高47%，孔徑提高17.6%。

4 結(jié)論

在相同聚能裝藥結(jié)構(gòu)下，鉭射流侵徹水介質(zhì)各項(xiàng)性能參數(shù)均優(yōu)于銅射流。鉭在水介質(zhì)中動(dòng)能衰減速度和質(zhì)量損耗率均小于銅。侵徹大水域，鉭相比銅形成的空腔更連續(xù)，且侵徹深度比銅提高了10.8%。經(jīng)過(guò)300 mm水介質(zhì)侵徹鋼靶，鉭相比銅侵徹深度提高了47%，孔徑提高了17.6%。

[1] 王志軍, 尹建平.彈藥學(xué)[M].北京： 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

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NumericalSimulationofRodShapedTantalumJetPenetratingintoWaterMedium

LIU Yakun， WU Guodong， WANG Zhijun， YIN Jianping， ZHANG Chong

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

In order to study the application of tantalum in underwater mohaupteffect,design a sub hemispherical shaped charge structure, the use of rod jetnonlinear dynamics software AUTODYN-2D to simulate the formation of the penetration of water medium. The cavity effect of tantalum jet penetration into infinite water and the penetration performance of 300 mm water medium on target plate are analyzed.The results show that under the same structural conditions, tantalum jet penetration water medium performance parameters are better than the copper jet.

tantalum； underwater mohaupt effect； cavity effect

2017-09-06；

2017-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11572291);山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助項(xiàng)目(20160033)

劉亞昆(1993—)，男，碩士研究生，主要從事彈藥毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.026

本文引用格式：劉亞昆，吳國(guó)東，王志軍，等.桿式鉭射流侵徹水介質(zhì)的數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):112-114,123.

formatLIU Yakun，WU Guodong，WANG Zhijun，et al.Numerical Simulation of Rod Shaped Tantalum Jet Penetrating into Water Medium[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):112-114,123.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0112-03

(責(zé)任編輯唐定國(guó))