隔板參數對雙層藥型罩形成聚能射流的影響

賈曉玲,袁曉彤,惠巧鴿,賀浩鋒

(1.武警工程大學裝備管理與保障學院， 西安 710086； 2.中北大學機電工程學院， 太原 030051)

自19世紀發現帶有凹槽裝藥的聚能效應以來，裝藥所產生的破甲威力得到了極大的增強，自此帶有聚能效應的破甲彈得到了廣泛應用。根據聚能射流準定常侵徹理論，當射流對靶板中高溫、高壓、高應變率的區域進行侵徹破孔時，提高射流的頭部速度對于射流的侵徹性能具有重要意義。在炸藥裝藥中置入隔板，能夠有效改變爆轟波在藥柱中傳播的波形，而隔板對爆轟波形的影響，又與隔板的形狀、材料以及隔板的幾何尺寸有關。對此，國內外的眾多學者相繼進行了探索和研究。李如江等[1]對隔板作用的原理進行分析并且進行了數值模擬。Sachdeva等[2]使用狹縫照相技術研究了隔板對爆轟波形的影響，并比較了有無隔板時射流的侵徹性能。吉慶等[3]設計了一種外層為鋁內層為銅的截頂形復合藥型罩，并分析了隔板對其形成聚能射流的影響。周游等[4]研究了隔板寬度對線型聚能射流成型的影響，得出了當隔板寬度相對值為0.9時，線型聚能射流速度顯著提高。段聰慧等[5]研究了隔板直徑對雙層藥型罩結構形成聚能射流的影響，并進行了優化設計。

為進一步探究各項隔板參數對雙層藥型罩形成聚能射流威力及速度的影響，在眾學者研究的基礎上，作者選取戰斗部裝藥中隔板的三項主要參數，即隔板形狀、幾何尺寸、材料，運用AUTODYN-2D有限元仿真軟件進行數值仿真模擬。

1 隔板作用原理

爆轟波在裝藥之中的傳播示意圖如圖1所示。當裝藥中無隔板時，裝藥的爆轟波為起爆點發出的球面波，其中，波陣面與藥型罩母線的夾角為θ1。當裝藥中加入隔板后，爆轟波的傳播分成兩路：一路是從起爆點開始，經過隔板后向藥型罩傳播；另一路則是繞過隔板向藥型罩傳播。多種爆轟波作用于藥型罩母線，其夾角為θ2。其初始壓力的近似表達式[6]為

pi=pcj(cosθ+C)

(1)

其中：pcj為爆轟波陣面壓力;θ為波陣面與罩母線的夾角;C為常數。

圖1 爆轟波傳播示意圖

當裝藥中加入隔板后，θ的數值將會隨之減小，相應的，作用于藥型罩上的初始壓力會隨之增加。所以隔板的形狀、材料及幾何參數會影響爆轟波對藥型罩的沖擊，從而影響聚能射流的形成。

2 計算模型

運用AUTODYN-2D軟件建立有限元模型。由于聚能裝藥戰斗部屬于軸對稱結構，在進行數值仿真時，建立1/2模型，裝藥，雙層藥型罩，隔板及殼體均采用歐拉算法。本文所采用的材料均選自于AUTODYN自帶的軟件庫中的材料。其中：炸藥為B炸藥，密度為1.717 g/cm3，爆速為7 980 m/s，爆壓為29.5 GPa；殼體及外層藥型罩為7039鋁，密度為2.77 g/cm3；內層藥型罩材料為銅，密度為8.9 g/cm3。所選材料的狀態方程和材料模型如表1所示。

表1 狀態方程和材料模型

3 數值計算結果及分析

3.1 隔板形狀對雙層藥型罩形成聚能射流的影響

隔板形狀大致分為圓柱形、截錐形等，為進一步研究隔板形狀對爆轟波波形和傳播機理的影響，分別設計3種仿真方案：方案1無隔板，為有隔板裝藥仿真結果提供參照；方案2隔板形狀為圓柱形；方案3在圓柱隔板基礎上組合圓錐形隔板，且圓錐部分靠近藥型罩一側，如圖2所示。裝藥結構模型的主要幾何參數分別為：裝藥直徑90 mm，裝藥長度130 mm，藥型罩錐角72°，等壁厚雙層藥型罩內層為紫銅，厚度1.5 mm，外層為鋁，厚度2.5 mm。起爆點置于裝藥頂端，采用中心點起爆，其結構如圖2所示。

圖2 裝藥結構示意圖

隔板距離藥型罩頂端距離c為15 mm，隔板高度d為23 mm，隔板直徑e為35 mm，隔板材料為尼龍。分別截取時間50 μs時的仿真結果，如圖3所示。

圖3 3種方案仿真結果示意圖

由仿真結果可得：三方案的外層藥型罩銅均形成杵體，其中方案3所形成的杵體更為密實，侵徹效果更佳；方案2和方案3的頭部射流均發生分散現象，但其頭部射流的速度較大，其中方案3的射流頭部速度為12 530 m/s，是方案1的2.19倍，方案2的1.18倍。這是由于方案3的圓柱圓錐組合型隔板不僅能使爆轟波在藥型罩的頂端凝聚，還可有效減少馬赫波干擾，使得雙層藥型罩能夠更快的形成聚能射流且具備更高的速度。

3.2 隔板的幾何參數對雙層藥型罩形成聚能射流的影響

在分析隔板的幾何參數對雙層藥型罩形成聚能射流的影響中，改變隔板的高度d，保持隔板的直徑e和隔板距藥型罩頂端的距離c不變，分別取隔板高度d為23 mm、28 mm、33 mm、38 mm進行仿真研究，且在其射流中心路徑上設置13個觀測點，各觀測點時間與速度曲線如圖4所示。

上述計算結果可知：當隔板高度取值在33 mm時，雙層藥型罩所形成的聚能射流的速度會達到一個峰值12 454 m/s，繼續增加隔板高度，將會對射流速度的增加起到反作用，從而影響到聚能射流對靶板的侵徹效果。在后文的數值仿真計算中，隔板高度選擇最優值33 mm進行討論。

在研究隔板直徑對雙層藥型罩形成聚能射流的影響中，選擇隔板高度d=33 mm，隔板距藥型罩頂端距離c=15 mm，分別取隔板半徑e的值為40 mm、35 mm、30 mm、25 mm、20 mm、15 mm進行仿真計算，截取40 μs時的計算結果如圖5所示。

圖5 計算結果

由圖6所示的仿真計算結果可知：隨著隔板直徑的減小，雙層藥型罩形成的聚能射流頭部速度也隨之減小，當隔板半徑e為 25 mm時，射流頭部發生斷裂，且頭尾速度偏差較大。當e大于35 mm時，形成的聚能射流頭部速度增幅下降，當e繼續增大時，射流的頭部速度雖然仍在增長，但相同的時間內，射流被迅速拉長，射流頭部會發生斷裂。隨著e的增長，爆轟波陣面越靠近藥型罩頂端，杵體增大，射流總動能減小，不利于對目標的侵徹。

圖6 速度隨直徑變化曲線

3.3 隔板材料對雙層藥型罩形成聚能射流的影響

隔板要選用材料聲速低，隔爆性能好的惰性材料。考慮隔板材料的影響時，固定隔板的幾何參數，選擇隔板直徑e為35 mm，隔板高度d為33 mm，隔板距藥型罩頂端距離c為15 mm，時間t為40 μs。選用AUTODYN-2D本身自帶材料庫中的尼龍、聚苯乙烯、環氧樹脂、有機玻璃4種材料進行對比，其中，尼龍的密度為1.14 g/cm3，Gruneisen系數為0.87；聚苯乙烯的密度為1.044 g/cm3，Gruneisen系數為1.18，環氧樹脂的密度為1.186 g/cm3，Gruneisen系數為1.13；有機玻璃的密度1.181 g/cm3，Gruneisen系數為0.75。仿真計算結果如圖7所示。

對比分析圖7的仿真結果可得：4種材料所形成的射流頭部速度均為12 000 m/s左右，最高為有機玻璃12 231 m/s，最低為尼龍11 870 m/s，相差3%，區別較小；除尼龍外其余3種材料所形成的聚能射流的中部均發生斷裂的現象，相較于尼龍，不能達到預期的侵徹效果；對比4種惰性材料本身特性，可知尼龍具有較小的密度和較好的強度，從而保持了良好的隔爆性能。因此尼龍較其他材料而言更能保證爆轟波傳播的穩定性。

4 結論

1) 3種隔板形狀方案中，圓柱圓錐組合型隔板裝藥使雙層藥型罩形成的聚能射流侵徹效果更加理想，其射流頭部速度為12 530 m/s，是無隔板裝藥的2.19倍，圓柱隔板裝藥的1.18倍；

2) 隔板高度在33 mm時，射流頭部速度達到峰值 12 454 m/s，且射流的侵徹效果最優；隔板直徑大于70 mm時，射流頭部速度雖仍在增加，但射流頭部斷裂嚴重，將不利于對目標的侵徹；

3) 4種材料所形成的射流頭部速度最高的是有機玻璃，最低的是尼龍，兩者相差3%，區別較小。但選用尼龍材料所獲得的射流連續性更好，能保證爆轟波傳播的穩定性。