爆轟載荷下三層藥型罩射流成型影響研究

李 昊，尹建平，王志軍，畢廣劍，陳 赟，崔海林

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.中國南方工業研究院， 北京 100089； 3.瞬態沖擊技術重點實驗室， 北京 102202)

1 引言

隨著各種裝甲防護技術的不斷提升，裝甲防護性能顯著增加，繼而對破甲彈藥的毀傷性能要求也隨之提高。聚能裝藥戰斗部作為反裝甲的主要毀傷部件，是靠聚能效應壓垮藥型罩，形成高速金屬射流對目標形成毀傷[1]。單層藥型罩形成射流能量利用率低，侵徹效果較差。在藥型罩上增加不同材料的藥型罩，形成雙層或多層藥型罩，可增強破甲能力[2]。

藥型罩的內層金屬是形成射流的主要部分，而杵體則主要由外層金屬組成。內層采用密度大、塑性好、易于形成射流的材料，而外層采用密度小、阻抗低的材料，在保證內層金屬質量足夠形成侵徹射流的前提下，可降低藥型罩的整體密度，并使外層材料起到傳遞及增大壓力的作用[3]。

與傳統的單層藥型罩相比，雙層藥型罩能夠充分發揮難溶金屬的高密度優勢和易溶金屬的高延展性優勢。通過合理匹配不同材料，雙層藥型罩的戰斗部相比單層同一材料的藥型罩，質量較小、射流頭部速度大[4-5]。合理匹配藥型罩各層材料的聲阻抗，可減少或消除材料各層界面處沖擊波的反射，促使炸藥能量通過材料界面時最大限度地將藥型罩壓垮形成高速射流[6]。科學合理地匹配藥型罩每層的厚度，能夠使其內、外罩分別形成射流和杵體，形成頭部速度更高的射流，改善射流的侵徹性能，同時還能提高藥型罩昂貴金屬材料的利用率[7]。

鄭宇等[8]通過對雙層藥型罩內外罩的聲阻抗匹配，尺寸和起爆過程對應力波傳遞的影響研究，建立雙層藥型罩射流形成的理論模型；臧濤成[9]對多層藥型罩的特性進行了理論分析，并通過試驗證明鋁銅雙層藥型罩射流頭部速度及速度梯度均優于單銅罩；沈慧銘[10]通過數值計算與實驗驗證結合的方法，驗證了變壁厚雙層藥型罩的性能優于等壁厚雙層藥型罩。

本文主要通過數值模擬，在雙層藥型罩的基礎上，設計一種三層藥型罩，研究鋁、銅、鎳3種材料組合下藥型罩的最優排列組合，在此組合基礎上研究不同材料厚度比對射流成型的影響，并找出侵徹性能最好的三層藥型罩厚度比。

2 計算模型

三層藥型罩的基本結構參數為：戰斗部裝藥直徑80 mm，裝藥高度120 mm，錐角60°，殼體厚度2 mm，三層藥型罩總厚度為3 mm，起爆方式采用底部中心點起爆，聚能裝藥的幾何結構如圖1所示。

利用AUTODYN軟件進行數值建模與模擬計算，聚能裝藥為軸對稱結構，為了減少計算量，建立二維軸對稱模型。射流成型過程用Euler算法進行計算，建立一個空氣域，模擬真實狀況下的環境，劃分Euler網格大小為0.25 mm×0.25 mm，在空氣域邊界添加“FLOW OUT”邊界條件，消除爆轟產物反射的影響，計算單位選取mm-mg-ms。聚能裝藥及空氣域有限元模型如圖2所示。

圖1 聚能裝藥結構示意圖

圖2 有限元模型示意圖

聚能裝藥數值模擬模型涉及的材料主要有炸藥、殼體、空氣、藥型罩，采用AUTODYN材料庫中的材料模型及參數，裝藥使用COMP B炸藥，殼體使用4340鋼，藥型罩材料為鋁、銅、鎳，具體材料模型及參數如表1所示。

表1 材料模型及參數

為了能更好的分析對比不同厚度比組合下的射流成型過程，更加精準地獲取射流的威力參數，在射流軸向方向設置10個高斯點，每個高斯點間隔20 mm，用于觀測射流狀態，如圖3所示。

圖3 高斯點分布示意圖

3 數值模擬

三層藥型罩采用外、中、內三層藥型罩均為1 mm厚度來進行射流成型分析。同時，設置壁厚相同的一組銅藥型罩和一組雙層藥型罩為對照組，將三層藥型罩與單層藥型罩、雙層藥型罩進行分析對比。

1) 單層銅藥型罩。單層壁厚3 mm藥型罩的射流成型過程如圖4所示。

圖4 單層藥型罩射流成型過程示意圖

2) 雙層藥型罩。外層藥型罩鋁1.5 mm，內層藥型罩銅1.5 mm的雙層藥型罩射流成型過程如圖5所示。

圖5 雙層藥型罩射流成型過程示意圖

3) 三層藥型罩。外層藥型罩鋁1 mm，中層藥型罩銅1 mm，內層藥型罩鎳1 mm的三層藥型罩射流成型過程如圖6所示。

圖6 三層藥型罩射流成型過程示意圖

由從3種射流的成型過程可知，鋁-銅雙層藥型罩和鋁-銅-鎳三層藥型罩明顯比單層銅藥型罩成型性要好，拉伸長度大。雙層藥型罩的射流主要由內層銅組成，外層鋁形成杵體；三層藥型罩的射流主要由內層鎳形成，也有少部分銅形成射流，大都集中在射流末尾，外層鋁形成杵體，射流成型較好，有效提高外層材料的利用率，對侵徹目標更加有利。

三層藥型罩在炸藥起爆后，爆轟波首先作用于炸藥相近且聲阻抗較小的外層罩上，然后再依次傳到聲阻抗較大的中、內層罩上，作用在內層罩上的壓力值大于作用在外層罩上的壓力值，因此增大了內層罩的壓垮速度，進而增大射流速度[11]。

4 射流成型結果分析

4.1 三層藥型罩材料組合對射流性能影響

為了研究3種材料排列組合對射流的影響，在保持聚能裝藥參數結構一致，藥型罩的外罩、中罩、內罩厚度均為 1 mm的厚度比的情況下，設計6組材料排列組合方案，具體方案如表2所示。

表2 材料組合方案

1) 射流速度分析。對于每組方案射流速度的對比分析，可通過觀察同一時刻射流的速度云圖進行分析，可觀察到射流整體的速度分布[12]。6組不同材料組合50 μs射流成型速度云圖如圖7。

圖7 射流速度云圖

為獲取更準確的速度數據，可通過設置的高斯點進行觀察。以方案A為例，調取AUTODYN中的高斯點歷史數據作圖，如圖8。

圖8 高斯點速度圖

圖8表示不同高斯點在不同時刻的速度。選取50 μs時刻的射流作為不同方案的成型射流進行對比分析，此時的射流頭部成型于第10個高斯點附近，因此選取每組方案10號高斯點的速度進行對比。10組不同方案的射流頭部速度具體數據如表3所示。

表3 不同方案下射流頭部速度(m/s)

由表中射流頭部速度數據分析知，當內層材料為鋁時，射流的頭部速度更快，能夠達到6 600 m/s左右，而銅或鎳做內層材料時，射流頭部速度并無較大差異，大多為6 100 m/s左右。

2) 射流有效長度分析。炸藥起爆壓垮藥型罩后，在射流前部會形成高速的金屬射流，速度較高，是侵徹目標的主要毀傷元，而后邊的另一部分金屬形成杵體，其速度較低，一般不到1 000 m/s，對侵徹沒有較大作用[13]。

以方案A為例，截取速度在1 000 m/s以上的部分進行長度計算，獲取有效的射流長度，如圖9所示。

圖9 射流有效長度曲線

選取50 μs時刻的射流進行有效長度計算，不同方案組合的具體數據如表4所示。

表4 不同方案下射流有效長度(mm)

由表中不同方案有效射流長度分析可知，當鋁為內層材料時，射流的有效長度較其他組明顯增長，鋁作為中層材料時，比鋁為外層材料時略有增加，由此可發現密度低的鋁作內層材料時，在爆炸載荷作用下，被拉伸的較長。

3) 射流總能量分析。射流的總能量越大，侵徹目標的性能越好，選取總能量最高的組合方案，可以對比出最優的三層藥型罩厚度比結構，因此總能量是衡量射流侵徹性能的重要因素。以方案A為例，利用AUTODYN軟件查看各藥型罩材料的能量，調用相關的時間能量圖，可以獲取對應時刻下各材料能量值，具體如圖10所示。

圖10 射流中不同材料能量隨時間變化曲線

將50μs時刻的3種材料能量相加，可得出射流的總能量，各組方案的射流總能量如表5所示。

表5 不同方案下射流總能量(kJ)

由表5中數據可知：鋁作為外層材料時，射流的總能量較其他方案高，當鋁作為內層材料時，射流的總能量較其他組明顯減少。

以上對仿真結果的分析可知：方案D的射流頭部速度最高，方案F的射流有效長度最長，方案A的總能量最大。同時由于射流的有效部分是由內層藥型罩組成，雖然方案A較其他方案的速度和有效長度較低，但其射流的有效部分主要是密度大的鎳組成，總能量較其他方案為最高，射流的侵徹性能最好。綜上所述，三層藥型罩材料組合最優的為方案A，即應當按照由外到內依次為鋁、銅、鎳的排列方式。

4.2 三層藥型罩厚度比對射流性能影響

通過上文研究，證明了藥型罩材料采用方案A時，射流性能最好，因此在三層藥型罩材料排列組合由外到內為鋁、銅、鎳的基礎上，研究三層藥型罩最優厚度比，共建立10組方案，藥型罩總厚度為3 mm，模型結構參數數據不變，僅改變藥型罩厚度比。10組方案如表6所示。

表6 材料厚度比方案

1) 射流速度分析。10組方案在50 μs時刻的射流速度云圖如圖11所示。

圖11 射流速度云圖

由圖11可以看出，隨著外層鋁材料所占比例的增加，射流頭部速度和有效長度也有所增加，具有較好的拉伸成型性和相對均勻的速度梯度分布。

為獲取更為準確的頭部速度數據，選取50 μs時刻的射流作為不同方案的成型射流進行對比分析，選取每組方案的10號高斯點的最高速度進行對比。10組不同方案的射流頭部速度具體數據如表7所示。

表7 不同方案下射流頭部速度(m/s)

由表7中射流頭部速度數據分析知，隨著外層藥型罩厚度增加，射流頭部速度也隨之增加，在外層藥型罩厚度比最大時，射流頭部速度達到最高；當外層藥型罩厚度保持不變，逐漸增加中層藥型罩的厚度時，射流頭部速度有較小幅度的增加；當分別保持中層、內層藥型罩厚度不變，增加外層藥型罩厚度，射流頭部速度也會增加；說明影響射流頭部速度的關鍵是外層鋁藥型罩的厚度。

2) 射流有效長度分析。選取50 μs時刻的射流進行有效長度計算，不同方案組合的具體數據如表8所示。

由表8中不同方案有效射流長度分析可知，隨著外層藥型罩厚度增加，射流的有效長度增加；當外層藥型罩厚度保持不變時，射流有效長度基本保持不變；外層藥型罩厚度不變時，隨著中層藥型罩厚度增加，內層藥型罩厚度減少，射流有效長度僅有略微提升，并不能夠有效增加射流的長度；分別保持中層、內層藥型罩厚度不變，增加外層藥型罩的厚度，射流的有效長度則會顯著增加。

表8 不同方案下射流有效長度(mm)

3) 射流總能量分析。分析射流的總能量，現將50 μs時刻的3種材料能量相加，即可得出此時射流的總能量，各組方案的射流總能量如表9所示。

表9 不同方案下射流總能量(kJ)

由表9中數據知：當外層藥型罩厚度保持不變時，增加中層藥型罩厚度，射流的總能量也隨之增加，能量值增加較少；當外層藥型罩厚度增加時，射流的總能量整體保持增長的趨勢，且能量值增加較快；當外層藥型罩厚度占比最大時，射流的總能量也達到最大，射流性能最好，即藥型罩材料厚度比為4/1/1的結構下，總能量最大。

4.3 10號方案與單層、雙層藥型罩對比分析

綜合以上對于射流的速度、有效長度以及總能量的對比分析，在10組方案中得到三層藥型罩最優方案為10號方案。現將該組方案的各項性能指標與單層銅藥型罩、雙層鋁-銅藥型罩進行對比。單層藥型罩為3 mm銅，雙層藥型罩為1.5 mm的鋁和1.5 mm的銅，聚能裝藥整體結構參數均保持一致。

3種對比方案都選取50 μs時刻的射流，進行參數對比，其相關參數如表10所示。

表10 3種藥型罩射流成型參數

由表10中數據可知，三層藥型罩中的10號方案，與單層銅藥型罩相比，射流頭部速度提升15.91%，有效長度增加15.28%，總能量提高26.61%；與雙層鋁-銅藥型罩相比，射流頭部速度提升3.71%，有效長度增加2.79%，總能量提高10.24%。

5 結論

1) 經過6組不同材料組合方案的仿真結果分析表明，三層藥型罩由外到內依次為鋁、銅、鎳組合結構，裝藥形成射流總能量最大。

2) 射流的頭部速度、有效長度以及總能量隨外層藥型罩厚度增加而顯著增大。

3) 三層藥型罩厚度比結構為4/1/1時，裝藥形成的射流具有相對較好的綜合威力性能。