罩頂過渡弧半徑對特氟龍射流沖擊起爆夾層裝藥的數值研究

吳迪，張渝，張文超

（中北大學機電工程學院，山西太原，030051）

0 引言

爆炸反應裝甲（Explosive Reaction Armor， ERA）能夠導致金屬射流喪失侵徹主裝甲的能力，使傳統反裝甲武器面臨巨大的沖擊。目前反ERA主用彈藥為串聯戰斗部[1]，其中最為典型的是破-破型串聯戰斗部，為了避免采用延時機構，使戰斗部結構更為緊湊，串聯型戰斗部前級裝藥藥型罩多采用特氟龍、尼龍等低密度、低聲抗特點的高分子材料，爆炸產生的射流對ERA的破壞效果為穿而不爆，為主裝藥射流開辟侵徹通道，實現戰斗部威力最大化[2-3]。在對低密度射流穿而不爆的影響因素研究中，多針對藥型罩錐角、壁厚和裝藥長徑比展開分析。董方棟等[4]通過改變特氟龍藥型罩的錐角和壁厚，實現了對ERA的穿而不爆。崔斌等[5]分析了藥型罩錐角、壁厚及裝藥長徑比對尼龍射流侵徹夾層裝藥穿而不爆的影響情況，并得出了沖擊引爆夾層B炸藥的閾值。整體來看，在現有研究中，藥型罩罩頂過渡弧對沖擊起爆ERA的影響情況分析相對較為少。

文中采用非線性動力學軟件AUTODYN，對特氟龍射流侵徹ERA的過程進行數值模擬，得到了罩頂過渡弧半徑對沖擊起爆ERA的影響情況，證明了通過改變罩頂過渡弧半徑可實現對ERA的穿而不爆，旨在為反ERA戰斗部的設計提供一定的理論支撐。

1 計算模型

■1.1 幾何和有限元模型

圖1 聚能戰斗部幾何模型

聚能戰斗部幾何模型如圖1所示，裝藥口徑為30mm，1.5倍口徑裝藥高度，藥型罩壁厚為2mm，錐角為60°，藥型罩罩頂過渡弧半徑為R3，起爆方式為中心起爆。

由于該聚能戰斗部為軸對稱結構，故采用AUTODYN-2D軟件來建立1/2有限元模型，如圖2所示，仿真過程中不考慮殼體的影響情況。由于裝藥爆炸、藥型罩壓垮和閉合以及聚能射流的形成都是大變形問題，為了避免網格畸變，聚能戰斗部采用Eular算法。將爆炸式反應裝甲等效為帶殼裝藥結構，帶殼裝藥的面板、夾層裝藥及背板厚度分別為2mm、4mm和2mm[6]，采用Lagrange算法，在夾層裝藥中每隔5mm設置一個高斯點，共設置6個高斯點，如圖3所示，以便于觀察夾層裝藥中各點的壓力及反應度。夾層裝藥與聚能戰斗部及空氣之間采用流固耦合算法。為更好的模擬射流成型過程，在歐拉域射流成型的中心通道上采用加密網格的方式建立有限元模型，并在邊界上添加“Flow-out”邊界條件，用以消除邊界效應。數值模擬過程中采用cm-gμs單位制。

圖2 聚能戰斗部1/2有限元模型

圖3 夾層裝藥模型

■1.2 材料模型及參數

模型中，空氣采用Ideal Gas狀態方程描述；主裝藥為B炸藥，采用JWL狀態方程描述；藥型罩材料為特氟龍，采用Shock狀態方程和von-Mises強度模型進行描述；夾層裝藥的面板和背板均為4340鋼，用Linear狀態方程和Johnson Cook強度模型進行描述；帶殼裝藥的夾層裝藥也選用B炸藥，采用Lee-Tarver狀態方程和von-Mises強度模型進行描述。各材料參數具體如表1-4所示[3]。

表1 B炸藥JWL狀態方程主要參數

表2 特氟龍Shock狀態方程主要參數

表3 4340鋼主要參數

表4 夾層裝藥Lee-Tarver狀態方程主要參數

2 數值模擬結果及分析

■2.1 射流成型過程

以藥型罩罩頂過渡弧半徑R3=3mm為例，特氟龍射流成型過程如圖4所示。

圖4 特氟龍射流成型過程

如圖4所示，特氟龍藥型罩的成型過程與傳統金屬射流藥型罩成型過程基本一致。裝藥起爆后，藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產物的沖擊，罩頂微元首先出現壓垮變形，隨著爆轟波的向前傳播，這種變化由上到下相繼發生，各罩壁微元互相碰撞、擠壓，并在軸線上匯合后沿軸線方向運動。由于存在頭尾速度差，導致射流在運動中逐漸拉伸伸長，出現頸縮現象，最終在一定炸高處射流被拉斷。

■2.2 罩頂過渡弧半徑對射流頭部速度的影響

為探究藥型罩過渡弧半徑對特氟龍射流頭部速度的影響情況，在聚能裝藥其他參數不變的情況下，僅改變過渡弧半徑R3的大小進行仿真分析，過渡弧半徑R3分別為3mm、5mm、7mm、9mm和11mm。分別在1-6倍炸高處設置高斯點，記錄特氟龍射流頭部速度。射流頭部速度隨藥型罩罩頂過渡弧半徑變化情況如圖5所示。

由圖5可知，特氟龍射流在前向流動的過程中，射流頭部速度會隨著炸高的增加逐漸降低，即射流頭部速度與炸高成反比。

圖5 射流頭部速度隨過渡弧半徑變化情況

■2.3 沖擊起爆分析

根據M.Held等[7]提出的u2d值作為起爆判據，即：

其中K為常數，當K值達到閾值時，裝藥就會發生爆轟，是裝藥起爆的判據。對于不同材料的射流，K值也不同，B炸藥的K值為23mm3/μs2；u為高能炸藥中的開坑速度；d為射流直徑；v為聚能射流的速度；ρH為裝藥的密度；ρp為射流的密度。

文獻[4]中認為，在對u2d進行計算時，因特氟龍藥型罩在壓垮形成射流的過程中，特氟龍密度存在變化，密度已經不再是2.153g/cm3，應該取射流侵徹ERA前的密度，密度取值在1.34g/cm3-1.4g/cm3之間。

當藥型罩壁厚、錐角及裝藥長徑比確定時，隨著罩頂過渡弧半徑的逐漸增大，特氟龍藥型罩形成射流的u2d值會單調減小，二者呈線性關系，擬合所得公式為：

由此可見，隨著特氟龍藥型罩罩頂過渡弧半徑的增大，形成的射流對ERA侵徹過程中，夾層裝藥會逐漸由起爆轉為未爆，可實現對ERA的穿而不爆。

3 結論

文中對不同罩頂過渡弧半徑所形成的特氟龍射流沖擊起爆夾層裝藥進行了數值模擬，分析了罩頂過渡弧對夾層裝藥沖擊起爆的影響情況，得到如下結論：

（1）改變特氟龍藥型罩罩頂過渡弧半徑，將會影響射流頭部速度，隨著藥型罩罩頂過渡弧半徑增大，在相同炸高處射流速度減小，裝藥過渡弧半徑大小與射流頭部速度成反比關系。

（2）當藥型罩壁厚、錐角及裝藥長徑比確定時，隨著特氟龍藥型罩罩頂過渡弧半徑的增大，形成射流的u2d值呈持續下降的狀態。

（3）當藥型罩壁厚、錐角及裝藥長徑比確定時，隨著罩頂過渡弧半徑增大，射流可實現對夾層裝藥的穿而不爆。證明了增大藥型罩罩頂過渡弧半徑是實現穿而不爆的一種方法，為后續研究提供思路。