結構參數對新型聚能裝藥性能影響的數值分析

王一凡，王志軍，袁毓雯，湯雪志

(1 中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.西北機電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

目前，成型裝藥領域發展的射流(ShapedChargeJet，簡稱JET)、桿式射流(JettingProjectileCharge，簡稱JPC)、爆炸成型彈丸(ExplosivelyFormedProjectile，簡稱EFP)各具特點。射流頭部速度高，但速度梯度大，藥型罩材料利用率低；爆炸成型彈丸藥型罩材料利用率高并且適合遠距離攻擊，但速度相對較低；桿式射流則兼具射流與EFP的優點，既可以保持較高的速度，又可以提升藥型罩的材料利用率。因此，桿式射流成為國內外戰斗部技術研究的熱點[1]。

基于此，眾多學者對聚能桿式射流的成型以及性能優化進行了研究。徐文龍等[2]提出了一種新型高速桿式聚能裝藥結構，解決了射流炸藥能量利用率低、速度小的缺點；黃松等[3]證明了改變起爆方式可以實現兩種毀傷元的轉換，中心點起爆時，得到三層串聯EFP，周向多點同時起爆時得到三層串聯JPC；張新等[4]研究了VESF板對聚能桿式射流成型的影響；劉亞昆等[5]研究分析了亞半球罩外曲率半徑、罩高等參數對桿式射流頭部速度以及頭尾速度差的影響規律；徐斌等[6]提出了一種新型聚能裝藥結構，通過添加直線型輔助裝置改變射流碰撞區域，揭示高速桿式射流的形成過程；胡曉敏等[7]研究了藥型罩結構對超聚能射流性能的影響，結果表明射流速度與長度隨著錐角的增加而增加；石軍磊等[8]研究了輔助藥型罩材料對超聚能射流性能的影響，證明了輔助藥型罩材料密度越大，射流形態和連續性越好。

本文通過對球缺藥型罩添加弧線型開口輔助裝置來改變射流運動方向，使得沿輔助裝置運動的射流方向與軸線方向的夾角不斷減小，實現EFP向JPC的轉化，通過改變輔助裝置水平厚度、開口直徑以及材料，實現對射流的優化。

1 建立模型

1.1 幾何模型

裝藥結構幾何模型如圖1所示，由殼體、B炸藥、藥型罩、輔助裝置組成。裝藥直徑D=60 mm，裝藥高度為80 mm，壁厚2 mm，罩高為19.8 mm，藥型罩外曲率半徑為35.29 mm，內曲率半徑為33.49 mm，輔助裝置外曲率半徑為69.08 mm，水平厚度為a，開口直徑為L。

圖1 裝藥結構幾何模型示意圖

1.2 有限元模型

有限元模型如圖2所示。該結構為軸對稱結構，只需建立1/2模型；其中殼體、裝藥、藥型罩、輔助裝置采用Euler算法，靶板采用Lagrange算法；空氣域邊界類型定義為Flow-Out，所有物質可以流出，模擬無限空間；為更好地觀察射流的成型過程，對射流經過的區域進行網格加密，如圖3所示；在輔助裝置出口處設置第一個高斯點，之后每隔一個裝藥直徑長添加一高斯點；起爆方式采用中心點起爆。

圖2 有限元模型示意圖

圖3 模型網格劃分示意圖

材料采用軟件自帶材料庫中的材料，其中炸藥選用B炸藥，密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980.001 m/s，爆壓為2.95×107kPa，藥型罩材料為銅、殼體材料為鋼、輔助裝置材料分別采用鋼和鉭，進一步研究輔助裝置材料密度的不同對射流速度的影響。具體材料參數如表1所示。

表1 材料參數

2 數值模擬結果與分析

2.1 侵徹體成型過程

當輔助裝置材料選用鋼，結構參數a取4.0 mm、L取7.5 mm 時，侵徹體成型過程如圖4所示。裝藥起爆后爆轟波開始向藥型罩運動，9 μs時爆轟波到達藥型罩頂部，藥型罩發生塑性變形而被壓垮，在16 μs時翻轉成平板，之后藥型罩頂部繼續沿著軸線方向運動，底部開始沿著輔助結構表面運動，此時，沿輔助裝置表面移動的藥型罩速度方向與軸線方向的夾角不斷減小，在21 μs時，藥型罩頂部到達輔助裝置出口處，隨后，藥型罩進一步被壓垮、射流進一步拉伸，最終形成JPC。

圖4 JPC成型過程示意圖

當去掉輔助裝置時，侵徹體成型過程如圖5所示，可以發現：侵徹體在成型初期與圖4中前16 μs相似，21 μs時藥型罩中部向前運動，邊部遲后并向對稱軸收縮成為尾部，最終形成EFP。

圖5 EFP成型過程示意圖

2.2 兩種侵徹體對比分析

2.2.1速度對比與分析

對于裝藥直徑為60 mm，裝藥高度為80 mm這一裝藥結構，輔助裝置的添加可以實現EFP向JPC的轉化。兩種侵徹體在各高斯點處的軸向速度如圖6所示。

圖6 兩種毀傷元高斯點處軸向速度曲線

由圖6分析可得，通過對球缺藥型罩添加輔助裝置，使得新成型的桿式射流在軸線上的碰撞速度以及頭部速度均有了明顯的提升，同時還保留了EFP藥型罩利用率高，速度梯度小的優點。具體比較45 μs時兩種毀傷元的參數，此處直徑為密實處直徑，基本參數如表2所示。由表可知：添加輔助裝置后，JPC的長度是EFP長度的1.77倍，射流頭部速度由原先的3 243.7 m/s提高到4 763.5 m/s，提高了46.85%。

表2 45 μs時EFP和JPC的基本參數

2.2.2侵徹效果對比

為了研究同一裝藥結構下EFP和JPC對靶板的侵徹效果，在2D炸高處，設置了200 mm×80 mm的靶板，材料為鋼。兩種毀傷元在70 μs時對鋼板的侵徹情況如圖7所示。

對比可得：EFP侵徹靶板最大孔徑為9.5 mm，孔深為23 mm，此時剩余頭部速度為1 044.6 m/s；JPC侵徹靶板最大孔徑相對于EFP較小，為4.6 mm，孔深為29 mm，剩余頭部速度為1 634.7 m/s。

2.3 輔助裝置參數a對JPC的影響

為了討論輔助裝置軸向寬度a對JPC成型的影響，選取裝藥尺寸、輔助裝置材料為鋼以及開口直徑L=7.5 mm不變，設計了輔助裝置軸向寬度a分別為4.0 mm、5.0 mm、6.0 mm三種情況進行數值模擬，得到JPC在45 μs時的基本參數如表3所示。

表3 45 μs時JPC的基本參數

對比分析可得：輔助裝置水平寬度的改變對射流的連續性有影響，當a=4.0 mm時，射流連續性較好，隨著a的增加，射流出現斷裂情況，當a=6.0 mm時，射流出現兩處斷裂；同時隨著a的增加，射流頭部速度不斷增大，尾部速度不斷減小，頭尾速度差增大。這是因為水平寬度a的增加，使得射流在經過輔助裝置水平段時受徑向壓力作用的時間更長，從而造成射流出現斷裂的現象。

2.4 輔助裝置參數L對JPC的影響

為了討論輔助裝置開口直徑L對JPC成型的影響，選取裝藥尺寸、輔助裝置材料為鋼以及水平寬度a=5.0 mm不變，設計了輔助裝置開口直徑L分別為6.5 mm、7.0 mm、7.5 mm、8.0 mm四種情況進行數值模擬，得到JPC在45 μs時成型情況與速度大小如表4所示。

表4 45 μs時JPC的基本參數

對比分析可得：輔助裝置開口直徑的改變對射流成型有很大的影響，隨著開口直徑的增加，射流在輔助裝置出口處直徑增大，使得射流頭部直徑逐漸增大，同時射流長度在逐漸減小；開口直徑的變化對射流速度也有影響，開口直徑的減小導致射流頭部速度增加，尾部速度減小，頭尾速度差增大，當L減小到7 mm時，射流頭部速度保持在5 158.2 m/s，此時繼續減小L，速度增加不再明顯。

2.5 輔助裝置材料對JPC的影響

為了討論輔助裝置材料對JPC成型的影響，選取結構參數為a=5.0 mm，L=7.5 mm的輔助裝置，將材料換為密度更大的鉭。兩種材料在100 μs時射流速度分布如圖8所示。

圖8 100 μs時射流速度分布曲線

對比分析可得：當輔助裝置材料換為密度更大的材料時，JPC長度以及速度均有很大的提升，頭部速度由原先的4 824 m/s變為5 173 m/s，提高了7.2%；但隨著密度的增大，射流尾部速度降低，速度梯度增大，射流頭尾速度差是材料為鋼時的1.4倍。

3 結論

通過對球缺藥型罩添加弧形輔助裝置改變射流運動方向，可以實現EFP向JPC的轉化；轉化后的JPC頭部速度相對于EFP提高了46.85%，長度是EFP長度的1.77倍，在侵徹鋼板后，JPC剩余頭部速度是EFP的1.56倍；輔助裝置水平寬度a增加，射流頭部速度明顯增大；速度最大可達5 318 m/s；輔助裝置開口直徑L增加，使得射流長度和速度均減小，當L減小到7 mm時，射流頭部速度保持在5 158.2 m/s，此時繼續減小L，速度增加不再明顯；輔助裝置材料的改變對射流成型也有影響，選用密度更大的材料時，射流速度明顯提升，材料選用鉭相對于鋼，速度提高了7.2%。