V形頂部結構藥型罩射流成型及侵徹模擬*

安文同,高永宏,周 杰,尹楚藩,趙家駿

(中北大學環境與安全工程學院， 太原 030051)

0 引言

隨著高防護能力裝甲鋼的研制、反應裝甲的發展和非金屬、陶瓷等復合裝甲材料的應用，使裝甲車輛和坦克裝甲防護能力日益提高，對成型裝藥聚能侵徹體的毀傷性能提出更高要求，需要對此進行更加深入的研究[1]。

藥型罩結構對射流的拉伸性能、侵徹能力等有顯著的影響。陳興等[2]設計了球錐結合藥型罩，運用數值模擬和實驗驗證相結合的方法與半球形藥型罩進行對比，結果表明前驅罩對聚能裝藥結構形成射流的速度和直徑有較大影響。周方毅等[3]設想了一種組合藥型罩聚能戰斗部，分析了其作用機理，該戰斗部的破壞效應明顯強于普通聚能戰斗部。I.V.Minin等[4]以理論結合試驗的方法對超聚能裝藥結構進行了研究，證明了超聚能射流的速度高，且藥型罩利用率很高。王克波等[5]通過數值模擬設計了一種三錐形外錐的藥型罩，該裝藥結構形成的線性聚能射流沒有拉斷現象。童宗保等[6]對串聯戰斗部前級聚能裝藥開孔不大的問題開展了研究，提出了能夠形成直徑較大的環形射流的M型藥型罩。王建華等[7]采用數值模擬的方法對兩種錐角藥型罩的形成射流進行了研究，發現53°錐角藥型罩產生的射流短粗，43°錐角形成的射流細長。紀錄等[8]通過高斯曲線方程，設計了一種新型藥型罩——高斯曲線藥型罩的聚能裝藥結構。王超等[9]獲得了中心孔對橢圓形藥型罩的影響規律，護管可以改變侵徹體的形態。

運用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對V形頂部結構藥型罩的射流成型過程和射流侵徹靶板(45#鋼)過程進行數值模擬，分析該藥型罩形成射流的過程及對靶板的侵徹過程，并與錐角藥型罩形成的射流的侵徹能力進行比較，為聚能裝藥破甲戰斗部研究提供參考。

1 結構設計

基于射流的二次噴射現象[10]，在錐角藥型罩基礎上設計出一種V形頂部結構藥型罩。錐角藥型罩和V形頂部結構藥型罩的聚能裝藥結構示意圖如圖1所示。裝藥口徑均為80 mm，裝藥高度均為100 mm。藥型罩均為等壁厚藥型罩，壁厚均為1 mm，錐角藥型罩錐角為60°， V形頂部結構的錐角為60°。

圖1 聚能裝藥結構圖

2 數值模擬

2.1 建模分析

模擬射流形成過程的數值模型由炸藥、藥型罩和空氣組成，模擬射流侵徹靶板的數值模型由炸藥、藥型罩、空氣和靶板(45#鋼)組成，具體模型見圖2和圖3。數值模型具有軸對稱性，為減少模型單元數目、縮短計算時間，所以建立1/4三維結構有限元仿真模型[11]。模型均選用solid164八節點六面體單元類型，用映射方法對模型進行網格劃分，并在對稱面上施加對稱約束和空氣域的外表面施加邊界無反射約束來保證計算準確性。數值模型采用cm-g-μs單位制。

為解決網格畸變，模擬射流形成過程時，炸藥、藥型罩和空氣采用Euler網格建模，單元使用多物質ALE算法；模擬射流侵徹靶板時，炸藥、藥型罩和空氣采用Euler網格建模，單元使用多物質ALE算法，靶板采用Lagrange網格建模，靶板與空氣和藥型罩定義流固耦合算法求解。

圖2 射流形成數值模型

圖3 侵徹靶板數值模型

2.2 材料模型和狀態方程

炸藥選用B炸藥，采用高能炸藥模型(HIGH_EXPLOSIVE_BURN)和JWL狀態方程進行描述；藥型罩材料為紫銅，選用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態方程來描述；在多物質ALE算法中，要建立覆蓋射流的空氣域，空氣采用流體模型，狀態方程為線性多項式；在射流的高速沖擊下，鋼靶板顯示出較高的應變率效應，因此靶板采用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態方程來描述。具體參數見表1～表4[12]。

表1 炸藥材料模型及其JWL狀態方程參數

表2 藥型罩材料模型及其GRUNEISEN狀態方程參數

表3 空氣材料模型及其LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程參數

表4 靶板材料模型及其GRUNEISEN狀態方程參數

3 數值模擬結果分析

3.1 倒V藥型罩射流形成過程分析

由圖4(a)可知，爆轟波在起爆后5 μs到達錐角藥型罩。5～23 μs時，隨著爆轟波繼續傳播，藥型罩在爆轟壓力作用下被擠壓、壓合，形成射流；23 μs時，藥型罩被壓合完畢，因射流存在速度梯度，射流不斷拉伸，在158 μs時射流初次拉斷為兩段，在187 μs時射流被拉斷成多段。

由圖4(b)可知，主裝藥起爆后，爆轟波經過5 μs到達V形頂部結構藥型罩。在5～13 μs時，藥型罩受力圖如圖5所示，藥型罩在爆轟壓力作用下，a和b、c和d分別相互擠壓、閉合形成環形射流，匯聚到藥型罩軸線方向后，相互碰撞形成速度更高的射流頭部。在13～23 μs時，a、d不斷被擠壓、壓合，在軸線處碰撞后形成主射流補充到射流頭部，形成完整的射流。23 μs后，射流不斷拉伸，187 μs射流被拉斷，但斷裂處位于杵體部分，不影響射流的侵徹能力。

圖4 射流形成過程

圖5 藥型罩受力圖

3.2 射流形態分析

由表5可知，主裝藥起爆后，187 μs時V形頂部結構藥型罩形成的射流頭部速度更高，速度為6 391 m/s，頭部速度提高約7.2%，射流長度提高約12.9%。V形頂部藥型罩形成的射流的頭部速度高是因為射流頭部是經過二次匯聚形成的，而錐角藥型罩是直接被壓合、碰撞形成的。由圖6可知，V形頂部藥型罩形成的射流連續性較好，錐角藥型罩形成的射流在187 μs射流已經斷裂成多段，而V形頂部藥型罩的射流雖然斷裂，但斷裂位于杵體部分，射流有效部分沒有斷裂，不影響侵徹能力，且杵體較小。

表5 187 μs時不同藥型罩形成的射流的參數

注：V1為射流頭部速度；V2為射流尾部速度；ΔV1為射流頭部速度相對增量；L1為射流長度；ΔL1為射流長度相對增量。

圖6 187 μs時不同藥型罩形成的射流形態圖

3.3 射流侵徹能力分析

兩種裝藥結構在200 mm炸高下，對靶板(400 mm×20 mm×20 mm)進行侵徹穿靶數值模擬，射流破甲圖和侵徹效果見圖7和表6。

圖7 射流破甲圖

表6 不同藥型罩形成的射流的侵徹性能

類型h/mmd/mmΔh/%Δd/%錐角291.811.5V形341.213.216.914.7

注：h為侵徹深度；d為破孔直徑；Δh為h的相對增量；Δd為d的相對增量。

由圖7知，V形頂部藥型罩和錐角藥型罩形成的射流都在侵徹靶板末期出現堆積現象，致使靶板末端侵徹孔徑變大。由表6可知，V形頂部藥型罩形成的射流的侵徹能力更強，侵徹深度為341.2 mm，比錐角藥型罩提高約16.9%，擴孔能力提高14.7%。

4 結論

通過對兩種裝藥結構的研究，發現：

1)V形頂部藥型罩形成的射流頭部速度比錐角藥型罩提高約7.2%，射流長度提高約12.9%。

2)錐角藥型罩形成的射流斷裂成多段時，V形頂部藥型罩形成的射流沒有斷裂，延展性好，且杵體較小。

3)V形頂部結構藥型罩形成的射流的侵徹深度比錐角藥型罩提高約16.9%，侵徹能力更強。