輔助藥型罩材料對組合罩射流成型特性研究

吉元峰，吳國東，王志軍，張小靜，王 琪

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

隨著復(fù)合裝甲、反應(yīng)裝甲、主動防御裝甲等新型裝甲不斷出現(xiàn)，為了提高常規(guī)彈藥的毀傷能力及應(yīng)對不同的裝甲目標(biāo)，研究者提出了許多不同的戰(zhàn)斗部方案，對藥型罩的改進(jìn)就是其中一個重要的方向。許多新型藥型罩結(jié)構(gòu)形式也被不斷設(shè)計出來，串聯(lián)藥型罩、復(fù)合藥型罩、星型藥型罩、多層藥型罩和各種組合藥型罩等都已經(jīng)出現(xiàn)，并且進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化研究[1-4]。

國內(nèi)外許多研究者對帶有輔助結(jié)構(gòu)的藥型罩做了大量研究，V.F.Minin[5]在傳統(tǒng)藥型罩結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過施加輔助藥型罩得到超高速射流，做了初步的仿真研究；徐文龍等[6]從理論和實驗的角度研究了超聚能射流的成型過程；石軍磊等[7]研究了超聚能結(jié)構(gòu)中，輔助結(jié)構(gòu)的材料對射流性能的影響；陳莉等[8-9]研究了截頂輔助藥型罩的材料對射流成型的影響和一種疊加輔助藥型罩的射流成型過程，指出鈦和鉭組合優(yōu)于其他組合，而且疊加輔助藥型罩結(jié)構(gòu)能提高主藥型罩材料的利用率，并可有效增加杵體的速度；何洋揚(yáng)等[10]對圓錐、球缺組合式戰(zhàn)斗部空氣中成型技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究；周方毅等[11]對圓錐-球缺藥型罩聚能戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究，采用了正交優(yōu)化設(shè)計方案。

帶有圓筒輔助結(jié)構(gòu)的半球藥型罩是一種新的組合藥型罩結(jié)構(gòu)，為提高桿式射流的侵徹能力，在半球罩的頂端加上一個圓筒形的輔助結(jié)構(gòu)，使得形成的桿式射流具有更高的頭部速度和射流長度。為了進(jìn)一步優(yōu)化，本文將研究圓筒輔助藥型罩材料不同時對藥型罩射流成型的影響。

1 數(shù)值仿真模型的建立

本文研究的結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，裝藥直徑d為100 mm，裝藥長度L為150 mm，長徑比為1.5，半球藥型罩半徑R2為50 mm，圓筒外徑Φ為30 mm，圓筒高度h為30 mm，圓筒底厚δ1為8 mm、圓筒側(cè)壁厚δ2為3 mm，半球罩壁δ3為3 mm。

圖1 幾何模型示意圖

圖2為在Autodyn-2D中創(chuàng)建的有限元模型。因為Lagrange算法在計算過程中，網(wǎng)格會隨材料產(chǎn)生變形，變形太大會使時間步長嚴(yán)重變小，導(dǎo)致計算時間大大加長，甚至使計算出錯，所以Lagrange算法適合小變形計算；而Euler算法在計算中，網(wǎng)格固定不動，材料在網(wǎng)格中流動，不會因為變形太大而出現(xiàn)畸變。在爆炸過程中，炸藥、藥型罩和殼體都會產(chǎn)生很大的變形，所以本文中炸藥、藥型罩和殼體都使用Euler算法，而靶板采用Lagrange算法。對射流侵徹靶板進(jìn)行仿真運(yùn)算時，采用Autodyn自帶的Euler-Lagrange耦合運(yùn)算。

圖2 有限元模型

空氣域邊界類型定義為Flow-Out，表示所有物質(zhì)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(jié)果出現(xiàn)較為嚴(yán)重的誤差，確保仿真的可靠性。在AUTODYN運(yùn)算環(huán)境中，選擇不同的單位制組合，系統(tǒng)會自動換算出其他參數(shù)對應(yīng)的單位，本文單位制采用mm、mg、ms，該單位制的優(yōu)點是會帶來較小的舍入誤差，提高計算精度。

2 材料模型

仿真模型中所用到的材料均是從Autodyn自帶材料庫中選取[12]，殼體用鋁合金AL 2024-T4，隔板材料選取尼龍，藥型罩材料用紫銅COPPER；炸藥用爆速和爆壓較高的B炸藥,密度為1.717 g/cm3，爆速為7980.001 m/s,爆壓為29.5 GPa；圓筒輔助結(jié)構(gòu)的材料分別取尼龍、鋁合金、4340鋼、紫銅、鉭和鎢6種，以上材料的狀態(tài)方程、強(qiáng)度模型和失效模型如表1所示。

表1 材料模型

尼龍、鉭、鎢和銅選用Shock狀態(tài)方程，用來描述密度、壓力、能量、粒子速度和沖擊速度之間的關(guān)系：

其中：up為粒子速度。

B炸藥選用JWL狀態(tài)方程，用來描述高能炸藥爆炸及爆轟產(chǎn)物膨脹到1 kbar壓力時的狀態(tài)：

其中：ρ為密度；η=ρ/ρ0為參考密度，ρ0為參考密度。其他參數(shù)是與動態(tài)試驗相關(guān)的定量值。

4340鋼選用linear狀態(tài)方程，Johnson Cook強(qiáng)度模型以及Plastic Strain失效模型來對其進(jìn)行描述。

linear狀態(tài)方程是用來定義一個線性的，密度變化小，與能量無關(guān)的狀態(tài)方程：

P(ρ)=Kμ

其中：μ為壓縮比，μ=(ρ/ρ0)-1，ρ為密度；K為體積模量。

Johnson Cook強(qiáng)度模型尤其用來描述金屬材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高溫的材料變形：

Plastic Strain失效模型主要用來模擬材料的塑性破壞。

鋁合金采用Steinberg Guinan強(qiáng)度模型，用來定義材料高應(yīng)變率下的剪切模量與屈服應(yīng)力：

剪切模量

屈服應(yīng)力

其中：ε為有效應(yīng)變率；T為溫度(K)；η=v0/v為壓縮比；β為硬化常數(shù)；n為硬化指數(shù)；P為壓力。

圖2中COPPER1和COPPER均為紫銅，COPPER1指的是半球形藥型罩，COPPER指的是圓筒形輔助藥型罩。

3 仿真結(jié)果及其分析

3.1 圓筒材料對半球罩射流成型的影響

為研究圓筒形輔助藥型罩材料對組合藥型罩射流成型的影響，取圓筒形輔助藥型罩的材料為尼龍、鋁合金、4340鋼、紫銅、鉭和鎢6種情況進(jìn)行研究，80 μs時射流成型如圖3所示。為便于表述，對射流的各個部分進(jìn)行了標(biāo)號。將半球罩形成的桿式射流命名為射流2；圓筒罩形成的射流，有一部分由于速度快，到了射流2前面形成射流1，有一部分由于速度慢，留在射流2尾部形成射流3。

圖3 圓筒材料不同時的射流成型

由圖3可以看出，尼龍作為圓筒材料時，射流頭部有明顯的膨脹效應(yīng)，射流2頭部呈中空狀，這是由于尼龍圓筒罩壓垮速度快，半球罩還未來得及壓合，炸藥就從連接處泄露出來。鋁合金作為圓筒罩材料時，由于鋁合金密度低，相同體積的圓筒結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對較小，使得壓垮速度快，射流1的射流量最大，射流2完整，幾乎沒有斷裂。鋼作為圓筒材料時，射流1較少，且斷裂嚴(yán)重，射流2頭部也有部分?jǐn)嗔选Ｗ香~作為圓筒材料時，形成的射流較長，但射流1也較少，且斷裂嚴(yán)重，射流2頭部也有部分?jǐn)嗔选ｃg和鎢作為圓筒材料時，圓筒罩都形成了射流3，射流2頭部有輕微斷裂。

根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，圓筒罩材料不同所形成的射流2頭部速度有一定差異，圖4(a)為隨著圓筒罩材料的變化所形成射流2頭部速度的變化曲線。由圖4(a)可以看出，隨著圓筒材料由尼龍、鋁合金、鋼、紫銅、鉭、鎢此順序變化，射流2頭部速度先緩慢增大，在圓筒材料為鉭時達(dá)到最大值，后緩慢減小。

由圖4( b)可以看出，隨著圓筒材料由尼龍、鋁合金、鋼、紫銅、鉭、鎢此順序變化，射流2長度先以較快的速度增大，在圓筒材料為紫銅時達(dá)到最大值，后以較快速度減小。

圖4 圓筒材料對射流成型的影響

綜上所述，當(dāng)圓筒輔助藥型罩的材料為鉭時，射流2的頭部速度最大，當(dāng)圓筒輔助藥型罩的材料為鋼和紫銅時，射流2的頭部速度次之；當(dāng)圓筒輔助藥型罩的材料為紫銅時，射流2的長度最大，當(dāng)圓筒輔助藥型罩的材料為鋼和鉭時，射流2的長度次之。

3.2 圓筒材料對侵徹能力的影響

為了進(jìn)一步研究射流的侵徹能力，用圓筒材料不同的6種組合以及單獨的半球罩分別對400 mm 4340鋼靶進(jìn)行侵徹，侵徹情況如圖5，有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

由圖5可以看出，當(dāng)圓筒材料為鋁合金、鋼和銅時，400 mm厚的4340鋼被完全擊穿；當(dāng)圓筒材料為尼龍、鉭和鎢以及單獨的半球罩時，400 mm厚的4340鋼沒被擊穿，其中圓筒材料為尼龍時，侵徹深度最小。

圖5 圓筒材料不同時的侵徹情況

表2列出了半球罩射流和不同圓筒材料時組合藥型罩射流的侵徹深度、侵徹孔徑以及射流剩余速度。當(dāng)圓筒材料是鋼時，400 mm 4340鋼被完全擊穿，射流的剩余速度最大，圓筒材料為紫銅時，射流剩余速度次之；圓筒材料為尼龍時，射流侵徹深度最小，但是侵徹孔徑最大。

表2 圓筒材料不同時的測量數(shù)據(jù)

由圖5和表2可知，半球罩射流侵徹深度大于圓筒罩為尼龍的組合藥型罩射流，小于其他圓筒材料的組合藥型罩射流；半球罩射流侵徹孔徑小于圓筒罩為尼龍的組合藥型罩射流，大于其他圓筒材料的組合藥型罩射流。

綜上所述，圓筒材料為鋼和紫銅時，對靶板的侵徹深度最大，比單純半球罩至少提高了55.04%；圓筒材料為尼龍時，侵徹孔徑最大，比單純半球罩提高了7.90%。

4 結(jié)論

1) 結(jié)合考慮使射流2頭部速度和射流長度盡量達(dá)到最大，在所選的6種輔助罩材料中圓筒材料為紫銅效果最優(yōu)，圓筒材料為鋼和鉭時，效果次之。

2) 當(dāng)圓筒材料為鋼時，射流對靶板的侵徹深度最大，圓筒材料為紫銅時，效果次之，適用于侵徹大厚度裝甲；當(dāng)圓筒材料為尼龍時，射流侵徹孔徑最大，適用于對侵徹深度要求不高，對侵徹孔徑要求高的情況。