錐罩材料對組合藥型罩射流成型的影響

張小靜，吳國東，王志軍，胡哲成，董方棟

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051; 2.瞬態沖擊技術重點實驗室, 北京 102202)

為了提高常規彈藥的毀傷能力及應對不同的裝甲目標，提出了許多不同的戰斗部方案，對藥型罩的改進就是其中一個重要方向。隨著復合裝甲、反應裝甲、主動防御裝甲等新型裝甲不斷出現并趨于成熟，許多新型戰斗部也被不斷設計出來，串聯藥型罩、復合藥型罩、匯聚式藥型罩、星型藥型罩、多層藥型罩和各種組合藥型罩等都已經出現，并且進行進一步優化研究[1-3]。

桿式射流幾乎不形成杵體，所有的藥型罩都形成了射流，但是速度相比較于聚能射流(JET)較低；聚能射流速度很高，但是具有侵徹能力的射流部分只占藥型罩的百分之十幾。錐形罩-球缺罩組合藥型罩結合了聚能射流和桿式射流的優點，聚能射流形成小射流對桿式射流起到加速作用，使形成的復合射流速度高于普通桿式射流。V.F.Minin提出并定義了超聚能射流的概念，做了初步的仿真研究[4]；徐文龍從理論和實驗的角度研究了超聚能射流的成型過程[5]；石軍磊研究了超聚能結構中，輔助結構的材料對射流性能的影響[6]；陳莉等研究了截頂輔助藥型罩的材料對射流成型的影響，得出鈦和鉭組合優于其他組合[7]；伊建亞對偏心亞半球鉬罩形成桿式射流進行結構優化[8]；劉亞昆等研究了F裝藥內外層密度和間距對形成包覆式復合侵徹體的影響[9]；何洋揚對圓錐、球缺組合式戰斗部空氣中成型技術進行數值模擬研究[10]；周方毅對圓錐-球缺藥型罩聚能戰斗部結構優化設計進行研究，采用了正交優化設計[11]。

本文將對錐形-球缺罩的成型過程進行具體研究，并通過改變錐罩的材料,得到不同材料組合的特點。

1 數值仿真模型與材料模型

1.1 建立數值仿真模型

為便于直觀地對戰斗部的結構和各尺寸進行觀察，在AutoCAD中繪制戰斗部的幾何模型，如圖1所示。各初始參數為：彈體直徑為D=100 mm，裝藥直徑為d=96 mm，殼體壁厚為t=2 mm，錐罩各部分厚度均勻且厚度為δ=3 mm，藥型罩高度h=86 mm，藥型罩錐角為2α=50°，球缺外徑為R1=51 mm，球缺內徑為R2=48 mm，長徑比為1.5,裝藥長度L=150。

在Autodyn-2D中創建二分之一有限元模型，如圖2所示。有限元模型中所有的結構均采用Euler算法，因為在爆炸中，藥型罩會發生翻轉等變形很大的情況，而Euler算法中，網格固定，材料在網格之間流動，不會引起網格的大變形，從而大大減小計算出錯的概率；而Lagrange算法是網格隨材料一起運動，所以只適用于小變形的靶板等結構。

空氣域邊界類型定義為Flow-Out，是所有物質可以流出，來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射使得仿真結果出現較為嚴重的誤差，確保仿真的可靠性。

圖1 幾何模型

圖2 有限元模型

1.2 建立材料模型

有限元仿真模型中所用到的材料均是從Autodyn自帶材料庫中選取[12]，材料參數是默認Autodyn給出的。殼體用硬鋁AL 2024-T4，藥型罩用紫銅COPPER；炸藥用COMP B,密度為1.717 g/cm3，爆速為7980.001 m/s,爆壓為2.95×107kPa。材料模型參數如表1所示。

表1 材料模型參數

從圖2中可以看出有COPPER1和COPPER兩種銅的編號，其實這兩種銅編號是一種材料，參數都一樣，這里采用不同編號是為了區分錐罩部分的射流和球缺藥型罩部分形成的桿式射流，為研究射流成型和分析射流參數等方面提供了方便。

2 仿真結果及其分析

2.1 錐罩材料對射流成型的影響

為研究錐罩材料對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型的影響，選擇硬鋁、鋼、紫銅、鉭和鎢作為錐罩材料，紫銅作為球缺罩材料進行數值仿真研究。

由圖3可以看到，錐罩形成的射流被球缺罩射流截成了兩段，為了便于敘述，將錐罩射流前面的那部分射流命名為射流1，尾部的射流命名為射流3，球缺罩射流命名為射流2。

1) 當錐罩材料依次為鋁合金時，錐罩射流形成的射流1最長；銅和鋼作為錐罩材料時射流1長度次之；鎢作為錐罩材料時，錐罩幾乎沒有形成射流1，都聚集在尾部，形成杵體(即射流3)。

2) 當錐罩材料依次為鎢時，球缺罩形成的桿式射流(即射流2)最長；鉭作為錐罩材料時射流2長度次之；銅、鋼、鋁作為錐罩材料時，射流2的長度逐漸減小。

3) 當鋁合金作為錐罩材料時，射流直徑最大；鋼作為錐罩材料時，射流直徑最小。

圖3 80 μs時錐罩材料不同的射流成型

2.2 數值結果分析

2.1節中詳細分析了錐罩材料不同時，對組合藥型罩射流成型效果的影響，可以看出，錐罩材料不同時，組合藥型罩的射流形態有很大的不同。接下來，將通過采集各組合在80 μs時錐罩射流與球缺罩射流的頭部速度、尾部速度、射流長度以及射流質量進行直觀研究。

圖4通過對射流長度和射流速度對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型進行了繪圖分析，可以看出：

1)從圖4 (a)可以發現：鋁作為錐罩材料時，射流1頭部速度最大，射流2頭部速度最小；坦和鎢作為錐罩材料時，,射流1頭部速度最小；鎢作為錐罩材料時，,射流2頭部速度最大。

2)從圖4(b)可以發現：錐罩材料不同，對射流2尾部速度影響不大；錐罩材料為鋼時，射流3頭部速度最大；錐罩材料為鋁時，射流3頭部速度最小。

3)從圖4 (c)可以發現：鎢作為錐罩材料時，射流2最長，其次是鉭，最小的是鋁；鋁作為錐罩材料時，射流1最長，其次是鋼和銅，最小的是鎢。

圖4 錐罩材料對射流速度和長度的影響

圖5通過對射流1的質量和有效射流有效質量對錐罩-球缺組合藥型罩射流成型進行了繪圖分析，可以看出：

1)從圖4 (c)中可以知道，錐罩材料不同時，射流1的長度也不同。錐罩材料不同，密度也不同，所以射流1的質量也不同。圖5 (a)可以看出：銅作為錐罩材料時，射流1的質量最大；鎢作為錐罩材料時，射流1的質量最小。

2)圖5 (b)可以看出：銅作為錐罩材料時的組合藥型罩有效射流質量最大；鎢作為錐罩材料時的組合藥型罩有效射流質量最大。

圖5 錐罩材料對射流質量的影響

2.3 錐罩材料不同對無限靶板的侵徹

組合藥型罩錐罩材料的不同，射流形態與頭部速度也不同。為研究錐罩材料不同對組合藥型罩形成射流的侵徹能力，將5組不同組合藥型罩的戰斗部對無限靶進行侵徹。

由圖6、圖7和圖8可以發現：

1) 鋁作為錐罩時，戰斗部對無限靶的侵徹孔呈現外寬內窄的喇叭形，侵徹孔徑最大，結合圖3可以知道，這是由于錐罩射流使得球缺罩射流外徑變大，對侵徹孔有擴孔作用；鋼、銅、鉭和鎢作為錐罩材料時，侵徹孔徑較為均勻。

2) 銅作為錐罩時，戰斗部對無限靶侵徹深度最大；鋁作為錐罩時，戰斗部對無限靶版侵徹深度最小。

3) 圖7表示：錐罩材料不同時，戰斗部對無限靶侵徹孔徑也不同(其中孔徑的數據是取侵徹孔徑最大處)。可以知道，當錐罩材料為鋁時，孔徑最大；錐罩材料為鋼時，孔徑最小。

4) 圖8表示：錐罩材料不同時，戰斗部對無限靶侵徹孔深也不同。可以看出，當錐罩材料為銅時，孔深最大，這是由于錐罩材料為銅時的組合藥型罩形成的有效射流質量最大；錐罩材料為鋁時，孔深最小，這是由于球缺罩射流主要作用于擴孔，導致侵徹孔徑大而孔深小。

綜上所述，可以知道，對薄裝甲侵徹時，選擇鋁作為錐罩材料較好，可以獲得較大的侵徹孔徑，從而增大毀傷能力；銅作為錐罩材料時，對靶板的穿深最大，打穿靶板后射流離子的剩余速度最大，適合侵徹厚靶板。

圖6 錐罩材料不同時的侵徹深度

圖7 孔徑隨錐罩材料不同的變化

圖8 孔深隨錐罩材料不同的變化

3 結論

1) 鋁最為錐罩材料時，射流直徑最大，侵徹無限靶板的孔徑最大，擴孔能力最好。

2) 錐罩材料為銅時，射流有效質量最大，侵徹無限靶板的孔深最大，侵徹能力最好。

綜合對比分析發現：錐罩材料會直接影響射流成型的形態和射流速度、長度、質量。可以根據不同需要來選擇相應的組合。

本研究內容對優化組合藥型罩的材料搭配，提高戰斗部的毀傷能力有一定的研究意義。