粉末藥型罩軸向密度分布對射孔性能影響

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116018）

0.引言

藥型罩作為聚能裝藥戰斗部的核心部件，其在爆炸載荷作用下形成射流的質量和終點效應備受關注，為了更好發揮聚能效果，目前國內外研究人員已將目光投向于新材料與新工藝在藥型罩成型中的應用。粉末冶金藥型罩以其材料配比靈活，加工工藝簡單，高射流穿深和孔道表面積大，且在很大程度上避免了杵堵現象等優點被廣泛關注[1-3]，但經壓制等工藝制備的藥型罩，在其軸向普遍存在密度分布不均等問題[4-5]。

本文進行了不同軸向密度藥型罩的聚能裝藥對鋼靶的侵徹試驗，利用LS-DYNA仿真軟件還原試驗工況，從而驗證數值仿真模型及參數的準確性，最后利用數值仿真研究藥型罩軸向密度不均勻對射流的形態、速度梯度和侵徹性能的影響，進而為藥型罩制造工藝和密度分布控制提供理論參考。

1.試驗研究

聚能裝藥主要由殼體、金屬藥型罩和炸藥組成，采用具有44°錐形藥型罩的聚能射孔彈研究射流的沖擊性能，三維結構圖、尺寸圖和實物照片如圖1所示。其中殼體由45＃鋼制成，炸藥為Comp B，裝在套管與金屬藥型罩之間，通過粉末冶金技術制造的三種具有軸向密度的鎢銅襯里如圖1（c）所示，三種藥型罩的密度分布如表1所示。

圖1 尺寸和照片

表1 三種工況的仿真模型及藥型罩密度分布表

分別利用含有以上三種軸向密度分布藥型罩的聚能裝藥進行侵徹45＃鋼試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 鋼靶毀傷情況

從圖2中可以看出高速射流撞擊鋼靶的上表面，并在該表面上產生高溫，高壓和高應變區域,在該區域中，高強度的鋼靶在強烈的射流沖擊下沿徑向被壓縮，并沿軸向被穿透，最后射孔形成花瓣狀。觀察射孔軸向輪廓可以看出，射孔通道相對較平滑，沒有鋼靶材料散裂的跡象，并且通道從頂部到底部逐漸變細。在三種工況中，射孔的直徑基本相同，均為1.3cm，比較每種工況的穿透深度和形狀，可以看出工況2和工況1之間的一致性更好，通道筆直且規則，射流的穿透深度分別為123mm和96.3mm，相比較與工況3通道的一致性較差，其通道略微彎曲，穿透深度為119mm。

2.數值仿真研究

模擬試驗工況，采用LS-DYNA軟件進行數值仿真計算。由于工況1～3中均為軸對稱模型，因此為簡化計算建立1/4模型，為了顯示藥型罩的特定結構和密度分布，截取了藥型罩的1/2結構如表1所示，除工況1外，粉末藥型罩分為3部分，每部分的密度不同，但三種粉末藥型罩的總質量相同。對于工況2和3的藥型罩，通過＊SET-PART-LIST關鍵字設置新的模型，進而將它們變成一個整體。

利用ALE算法進行數值仿真計算，其中采用拉格朗日算法處理套管和鋼靶模型，其余模型采用歐拉算法，拉格朗日和歐拉算法的材料模型網格尺寸分別定義為0.5mm和0.3mm，爆炸和聚能裝藥之間的相互作用由＊ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP關鍵字定義。在數值仿真計算中，聚能裝藥使用的材料模型[6]和狀態方程如表2所示。

表2 聚能裝藥的材料模型和狀態方程表

3.結果分析

3.1 驗證仿真模型及參數

通過數值仿真計算，得到了三種工況下穿透深度的變化規律如圖3、圖4所示。

圖3 射流穿透深度

圖4 射孔應變率云圖

對比試驗與數值仿真結果，可以看出相同工況下試驗和數值仿真計算中鋼靶被穿透的深度和孔徑數據吻合良好，誤差在10%范圍內，因此建立的數值仿真模型及采用的仿真參數具有一定的可信性。

從圖4中可以看出，高速運動的射流侵徹靶板時，會在射流與靶板間的交界處建立起高強度的應力場，高強度應力場一方面消蝕射流頭部，另一方面使接觸面處的鋼靶迅速變形，被開坑擠掉的鋼靶材料一部分隨消蝕射流流出，另一部分擠壓孔道周圍的材料，留在孔道內，在相同爆炸載荷下，射流穿透能力工況2＞工況3＞工況1。

3.2 射流速度分布

射流速度分布不僅影響射流的質量，還影響射流的穿透深度，因此，采用驗證后的數值仿真模型及參數進行數值仿真計算，分析粉末藥型罩的密度分布對射流速度分布的影響，以工況1中射流斷裂時間作為計算終止時間，分別得到三種工況下的射流形狀和射流速度分布情況如圖5所示。

從圖5中可以看出，工況1在30us時射流杵體及射流中部出現徑縮現象，在40us時射流中部被拉斷，射流質量不佳。工況2、工況3的射流在自由拉伸的整個過程中，軸徑一致性較好，射流速度梯度較為合理，能夠保持射流軸徑沿軸變化平緩，在整個拉伸過程未出現射流徑縮的現象，射流質量較高，與工況3相比，工況2射流頭部速度更大，射流拉伸長度更長，侵徹效果更好。

圖5 三種工況的射流形狀和速度分布

4.結論

本文采用理論分析、試驗及數值仿真相結合的方法，研究軸向密度不同的藥型罩對射孔性能的影響情況，取得的主要研究成果如下：

（1）與等密度藥型罩相比，軸向密度分布不均的藥型罩具有延緩射流的斷裂時間，射流質量較好，射流頭部速度大，侵徹深度性能優等特點。軸向密度從罩頂到罩口遞增的藥型罩，射流質量、射流頭部速度和侵徹深度等性能最優，軸向密度從罩頂至罩口遞減的藥型罩次之，密度均勻分布的藥型罩射孔性能最差。

（2）利用試驗驗證了數值仿真模型的準確性，從而為分析含有不同軸向密度藥性罩的聚能裝藥侵徹鋼靶的研究提供了一種仿真方法，對粉末藥型罩制造工藝和密度分布控制研究具有重大參考價值。