夾層聚能裝藥形成桿式射流數(shù)值模擬*

徐全振，尹建平

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

0 引言

夾層裝藥技術(shù)是爆轟波形控制技術(shù)之一，其原理是通過不同爆速的炸藥內(nèi)外搭配實現(xiàn)對爆轟波形的調(diào)節(jié)。國外對夾層裝藥的作用原理有著較為活躍的研究[1-4]。國內(nèi)李福金、張先鋒等[5-6]研究了夾層裝藥爆轟波形傳播過程及對射流的影響。桿式射流(以下簡稱JPC)集合了射流和爆炸成型彈丸的優(yōu)點，在侵深和侵徹孔徑方面均有較好表現(xiàn)，因此廣泛應(yīng)由于串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級或反機(jī)場跑道、混凝土工事等戰(zhàn)斗部上。Funston、Mattson[7-8]等研究了JPC的成型及侵徹性能。黃正祥、李偉兵、樊菲等[9-13]學(xué)者對JPC成型機(jī)理、JPC與射流雙模轉(zhuǎn)換等做了較為詳細(xì)的研究。但上述研究中，其基本裝藥結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的單一裝藥加隔板的結(jié)構(gòu)(或稱之為K裝藥)，而對于夾層裝藥結(jié)構(gòu)下JPC成型及侵徹能力的研究還不曾報道。

文中設(shè)計了4種夾層聚能裝藥組合方案，利用數(shù)值模擬研究了每種夾層裝藥結(jié)構(gòu)下JPC成型特性，得出了不同炸藥組合對JPC參數(shù)的影響規(guī)律；通過侵徹裝甲鋼，研究了夾層裝藥下JPC的侵徹性能。

1 計算模型

1.1 裝藥幾何結(jié)構(gòu)

裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。藥型罩為變壁厚大錐角罩，外曲面(靠近炸藥)錐角為140°，中心處厚度δ為3.2 mm，邊緣處厚度為1.5 mm，藥型罩口徑為90 mm。內(nèi)層裝藥口徑為90 mm，裝藥高度為45 mm。外層裝藥厚度為5 mm，裝藥總高度為70 mm。隔板為圓柱加截錐結(jié)構(gòu)，隔板直徑為90 mm，中心厚度20 mm，邊緣厚度10 mm。起爆方式為端面中心點起爆。

1.2 有限元模型及材料參數(shù)

利用Autodyn-2D建立仿真模型，如圖2。炸藥、藥型罩、隔板都采用Euler算法以適應(yīng)其在爆轟過程中的大變形特點，Euler域設(shè)定Flow-out邊界。靶板采用Lagrange算法，與Euler域的連接方式為自動流固耦合。藥型罩材料為高導(dǎo)無氧銅，狀態(tài)方程為Shock，強(qiáng)度模型為Steinberg-Guinan；隔板材料為聚橡膠，狀態(tài)方程為Shock；靶板材料為裝甲鋼(RHA)，模型具體參數(shù)見表1。炸藥有3種，分別是軍用B炸藥、TNT和PBX9404炸藥，外層裝藥選擇JWL狀態(tài)方程，內(nèi)層裝藥選擇沖擊起爆的Lee-Tarver模型，其主要模型參數(shù)如表2。

圖1 裝藥幾何結(jié)構(gòu)

圖2 有限元模型

材料參數(shù)ρ/(g/cm3)G/GPaσY/GPaγ高導(dǎo)無氧銅8.9347.70.122.02聚橡膠1.01--1.5RHA7.8664.11.51.67

表2 炸藥模型及主要參數(shù)

2 JPC成型模擬及分析

2.1 方案設(shè)計

夾層聚能裝藥作用原理是利用不同爆速炸藥組合以獲得更加匹配藥型罩的爆轟波形，提高爆轟產(chǎn)物對藥型罩的做功從而提高破甲能力。根據(jù)爆速不同，夾層聚能裝藥一般分兩種：外層高爆速炸藥內(nèi)層低爆速炸藥(下文簡稱外高內(nèi)低)，外層低爆速炸藥內(nèi)層高爆速炸藥(下文簡稱外低內(nèi)高)。為研究不同爆速炸藥搭配下爆轟波的傳播過程和對藥型罩成型的影響，設(shè)計了4種夾層聚能裝藥方案，如表3，并與單一裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比研究。

表3 夾層聚能裝藥方案

2.2 爆轟波傳播過程

裝藥采用端面中心點起爆，并通過隔板獲得環(huán)形爆轟波。隔板要保證完全隔爆。外層裝藥厚度為5 mm，遠(yuǎn)大于爆轟波正常傳播時裝藥的臨界直徑。單一裝藥結(jié)構(gòu)及夾層裝藥結(jié)構(gòu)(方案3、4分別代表外高內(nèi)低和外低內(nèi)高的爆速組合)爆轟波傳播過程如圖3所示。

圖3 不同裝藥爆轟波傳播過程

由圖3(a)可以看出，7 μs時，外側(cè)裝藥繞過隔板并引爆內(nèi)層裝藥。在爆轟波到達(dá)藥型罩之前，外層炸藥中爆轟波陣面始終領(lǐng)先于內(nèi)層炸藥，形成了與藥型罩外形更為匹配的爆轟波形，可有效提高炸藥對藥型罩做功。圖3(b)中，外層低爆速炸藥中爆轟波陣面最初領(lǐng)先于內(nèi)層炸藥，14 μs后，內(nèi)層炸藥爆轟波已趕超外層炸藥中爆轟波，這之后外層炸藥已不再具有調(diào)節(jié)爆轟波的作用。對比單一裝藥爆轟波傳播過程可以看出，外高內(nèi)低的夾層裝藥對爆轟波形的調(diào)節(jié)作用更為明顯。

2.3 JPC成型及參數(shù)分析

100μs時4種夾層聚能裝藥及單一裝藥下JPC成型如圖4所示，并根據(jù)計算數(shù)據(jù)繪制了該時刻JPC速度分布曲線，如圖5。

圖4 JPC成型形態(tài)

圖5 JPC速度分布曲線

JPC特性參數(shù)如表4，其中Vh為JPC頭部速度(未斷裂部分)，Vt為JPC尾部速度，L為JPC長度(為斷裂部分)，Ek為射流動能，η為高速段(≥3 000 m/s)射流質(zhì)量比例。

表4 模擬結(jié)果

由圖4可以看出，夾層裝藥對JPC形態(tài)的影響主要體現(xiàn)在頭部的拉伸斷裂上。相比于方案1，方案2中JPC頭部更為完整；方案3相比于方案4和同單一裝藥，JPC更為細(xì)長；而后兩者區(qū)別不大。從圖5JPC速度分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，4種夾層裝藥方案及單一結(jié)構(gòu)形成的JPC速度沿軸向成線性關(guān)系，說明速度梯度較為均勻。

分析表4中數(shù)據(jù)，4種夾層聚能裝藥和單一裝藥所形成的JPC尾部速度均大于2 000 m/s，可以認(rèn)為藥型罩的全部質(zhì)量均轉(zhuǎn)化為有效射流，說明藥型罩和裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。相比于方案1，2號方案JPC頭、尾速度的提升并不明顯，但長度提高了10 mm(約6%)，動能提高了23 kJ(約7.1%)，高速段射流質(zhì)量比例提高了3.04%。方案3相比于單一裝藥，JPC頭部速度得到顯著提升(提高了428 m/s，約10%)，尾部速度提高約5.1%，JPC長度增加了32 mm(約17.8%)，動能提高了20 kJ(約4.8%)，高速段射流質(zhì)量比例提高約4.63%。方案4相比于單一裝藥，JPC頭、尾速度和長度稍有提升，但動能下降了33 kJ(約8%)，高速段射流質(zhì)量比例下降了2.63%。

通過對上述數(shù)據(jù)的分析可以看出，外高內(nèi)低的夾層聚能裝藥比單一裝藥結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，且外層炸藥爆速越高，成型的JPC性能越好；外低內(nèi)高的夾層裝藥結(jié)構(gòu)對JPC頭、尾速度和長度幾乎沒有提升，反而會降低JPC的動能和高速段射流質(zhì)量，不利于破甲。

3 侵徹性能分析

分別對方案3、4和單一裝藥進(jìn)行侵徹鋼靶的數(shù)值模擬，以比較JPC的侵徹性能。靶板為400 mm厚裝甲鋼，侵徹起始時間為起爆后100 μs，約4.4倍炸高。圖6為侵徹結(jié)束后靶板開孔結(jié)果。表5為開孔特征參數(shù)，其中Dp是侵徹深度，d1是入孔直徑，d2是孔底直徑。

由圖6可以看出，方案3在侵徹深度方面具有明顯優(yōu)勢，方案4侵徹深度比單一裝藥稍低，這與表4中的數(shù)據(jù)分析結(jié)果是一致的。從開孔形狀來看，方案3入孔直徑較小，且孔徑變化平穩(wěn)；方案4和單一裝藥入孔直徑較大，到達(dá)一定侵深時形成了明顯的縮口，形成“漏斗”狀孔型。根據(jù)表5的具體數(shù)據(jù)，方案3相比于單一裝藥，侵徹深度方面增加了28%，孔底直徑也稍有增加。方案4不論在侵徹深度、入口孔徑、孔底直徑方面都稍低于單一裝藥結(jié)構(gòu)。

圖6 侵徹模擬

方案開孔特征參數(shù)Dp/mmd1/mmd2/mm3243.640.410.94183.252.910.2單一裝藥190.354.110.5

4 結(jié)論

利用Autodyn對夾層聚能裝藥結(jié)構(gòu)下JPC的成型和侵徹性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過不同方案及單一裝藥間的對比研究，得到如下結(jié)論：

1)外高內(nèi)低的夾層裝藥結(jié)構(gòu)具有更為顯著的調(diào)節(jié)爆轟波形的作用，且外層炸藥爆速越高，調(diào)節(jié)效果越明顯。

2)外高內(nèi)低的夾層裝藥結(jié)構(gòu)能顯著提高JPC的頭部速度、長度、動能和高速段射流質(zhì)量，從而提高破甲效果。

3)在文中裝藥結(jié)構(gòu)及炸藥參數(shù)下，外高內(nèi)低的夾層裝藥JPC對裝甲鋼的侵徹深度能夠提高28%，開孔更為均勻；而外低內(nèi)高的夾層裝藥JPC的侵徹效果要稍差于單一裝藥。