多形態藥型罩射流侵徹冰層數值仿真分析

杜勇 謝志剛 李根 趙英臣 劉維濤

摘 要：凌汛期黃河冰層厚度大、穿孔難度大，炸藥的聚能效應所形成超高速的金屬射流或高速的爆炸成型彈丸（侵徹體）對冰層具有很好的侵徹能力。利用Ansys/Lsdyna-3D有限元數值分析軟件，對銅、鋁、特氟龍材料，60°、90°、120°錐角藥型罩所形成的射流侵徹冰層過程進行了數值分析，發現特氟龍藥型罩形成的射流穿孔能力最強，而銅藥型罩形成的射流在侵徹過程中動能衰減最為緩慢。

關鍵詞：凌汛;破冰;藥型罩;侵徹;黃河

中圖分類號：TV875;TJ51

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.011

引用格式：杜勇，謝志剛，李根，等.多形態藥型罩射流侵徹冰層數值仿真分析[J].人民黃河，2021，43（12）：53-56.

Abstract： The ice layer of the Yellow River during the ice flood season is thick and difficult to perforate， the super-high-speed metal jet or high-speed explosively formed projectile （penetrator） formed by the energy-gathering effect of the explosive has a good ability to penetrate the ice layer. Using Ansys/Lsdyna-3D finite element numerical analysis software to study the process of penetration of the ice layer by the jet formed at 60°， 90°， 120° cone angles of copper， aluminum， and Teflon， which shows that the jet of Teflon liner has the strongest perforation ability， while the kinetic energy of the jet formed by copper liner attenuates is the slowest during the penetration process.

Key words： ice run; open ice; liner; penetration; Yellow River

在黃河上游高緯度河段凌汛期頻繁出現的冰塞、冰壩等極易造成河道水位上漲、漫堤決口等險情，對沿黃河地區生活的人民以及農耕土地造成極大威脅[1-4]。鑒于冰體材料的特殊性，以及冰結構（冰蓋、冰塞、冰壩、冰凌）的多樣性，加之破冰搶險的時效性、破冰作業環境的嚴酷性，使得爆破破冰成為快速解決潰堤威脅的手段之一。

多年來，飛機投彈、大口徑火炮炮擊是凌汛期應急搶險救災中的兩大重要手段，上述傳統破冰手段在發揮出色作用的同時，其局限性也顯現出來。例如，待一處冰凌破除時，火炮無法快速移動到下一破冰作業地點，飛機雖能快速移動，但無法在夜間作業，致使兩大傳統破冰手段不能完全滿足破冰搶險的時效性要求。另外，常規炸彈與榴彈的毀傷目標并非冰凌、冰蓋、冰壩等，導致破冰效率極低、用彈量大、綜合破冰費用高。根據黃河防凌破冰的要求，急需新的破冰方法。佟錚等對炸藥在冰體內部、冰體表面以及水下爆破等破冰機理進行了研究，認為冰體區別于巖石，冰層在炸藥爆炸作用下更容易產生粉碎性破壞，裂紋的延展性與擴展范圍降低[5-6]。解文輝等利用數值仿真與試驗相結合的方法研究了相同質量炸藥在不同位置的爆破破冰效果，得出在冰下爆炸存在最佳爆炸位置，但如何將炸藥送到冰下最佳位置成為新的關鍵性問題[7-8]。目前主要利用炸藥聚能效應產生的金屬射流穿透冰層，使得炸藥沿冰層破口進入水下，完成后續爆破任務[9-10]。筆者利用Ansys/Lsdyna-3D有限元數值分析軟件對材料采用銅、鋁、特氟龍，錐角為60°、90°、120°的9種形態藥型罩形成的金屬射流/爆炸成型彈丸（EFP）侵徹冰層過程進行了數值仿真分析，獲得的侵徹深度及孔徑等冰層破損特征尺寸參數為防凌爆破彈優化設計提供參考。

1 數值仿真

1.1 有限元模型

炸藥聚能效應侵徹冰層全模型見圖1，該模型由聚能裝藥、裝藥殼體、藥型罩、空氣層、冰層組成。利用前處理網格劃分軟件建立幾何模型，并進行有限元網格劃分，裝藥直徑為2.5 cm、長度為10 cm，藥型罩罩厚0.4 cm，冰層尺寸80 cm×4.8 cm×4.8 cm。裝藥殼體和冰層仿真分析采用拉格朗日中心六面體積分算法。在裝藥底端中心起爆產生爆轟波，爆轟波傳播到藥型罩處，聚能效應壓垮藥型罩，形成金屬射流/EFP（即侵徹體），從而侵徹或穿透冰層，因此聚能裝藥、藥型罩、空氣、水仿真分析采用ALE積分算法。為模擬侵徹體與冰層流固耦合作用，采用CONSTRAINDE_LAGEANGE_IN_SOLID算法控制[11-13]。由于總體模型具有對稱性，因此建立四分之一模型，并且在冰層及空氣層邊界上施加無反射邊界條件。

1.2 材料本構模型與狀態方程

材料本構模型主要描述材料在各種作用力下的應力應變關系，采用正確的材料本構模型是數值仿真結果準確的前提條件。

1.2.1 裝藥殼體

9種工況中，銅藥型罩最先獲得侵徹體有效動能，其次為鋁藥型罩，最后為特氟龍藥型罩，各工況受爆轟波驅動初期對應動能均快速增大，動能變化率相同，隨后銅藥型罩對應動能變化率變小，直至達到最大動能后衰減，而鋁、特氟龍藥型罩對應動能變化率均出現拐點，達到最大動能后衰減，這是爆轟產物逸出所致。動能衰減期，銅藥型罩對應動能衰減最為緩慢，鋁、特氟龍藥型罩對應動能衰減迅速，這一現象與藥型罩材料密度相關。3種藥型罩材料對應動能衰減率均受藥型罩錐角變化影響，銅藥型罩所受影響最小，特氟龍藥型罩所受影響最大。

9種工況對應侵徹體最大動能不盡相同，具體最大動能見表5。銅藥型罩隨著錐角的增大，對應侵徹體動能增大，達到最大動能對應的時間延后;鋁藥型罩隨著錐角的增大，對應侵徹體動能反而減小，90°、120°錐角對應侵徹體達到最大動能的時間均大于60°錐角的;特氟龍藥型罩隨著錐角的增大，對應侵徹體動能減小，90°錐角對應侵徹體達到最大動能的時間最長，60°、120°錐角對應侵徹體達到最大動能的時間幾乎相同。鋁藥型罩對應侵徹體最大動能最大，較銅藥型罩的大32%，較特氟龍藥型罩的大1%。

冰層的破損特征尺寸參數見表6。不同材料、不同錐角藥型罩形成的侵徹體侵徹冰層后冰層邊界破口直徑相差不多且均小于藥型罩直徑，符合實際物理過程。對比相同材料藥型罩對應的冰層破損特征尺寸參數可知，隨著藥型罩錐角的增大，冰層內部最大孔徑增大，穿深反而減小。對比相同錐角藥型罩對應的冰層破損特征尺寸參數可知：60°錐角條件下，特氟龍藥型罩形成的侵徹體穿深最大，鋁藥型罩次之，銅藥型罩最小;90°錐角條件下，穿孔能力由強到弱的材料依次為特氟龍、鋁、銅，穿深能力由強到弱的依次為銅、鋁、特氟龍。侵徹過程中，徑向冰層發生不同程度膨脹，隨著藥型罩錐角的增大，膨脹程度提高，其中120°錐角條件下鋁、特氟龍藥型罩所造成的冰層內部膨脹程度較高。

3 結 論

建立不同藥型罩材料、不同藥型罩錐角聚能裝藥侵徹冰層數值仿真模型，運用Ansys/Lsdyna-3D有限元數值分析軟件，獲得9種工況下侵徹體侵徹冰層過程，得到以下結論。

（1）9種工況受爆轟波驅動初期對應動能均快速增大，動能變化率相同，隨后銅藥型罩對應動能變化率變小，直至達到最大動能后衰減，而鋁、特氟龍藥型罩對應動能變化率均出現拐點，達到最大動能后衰減，這是爆轟產物逸出所致。動能衰減期，銅藥型罩侵徹體的動能衰減最為緩慢，鋁、特氟龍藥型罩侵徹體動能衰減迅速，這一現象與藥型罩材料密度相關。3種藥型罩材料對應侵徹體動能衰減率均受藥型罩錐角變化影響，銅藥型罩所受影響最小，特氟龍藥型罩所受影響最大。

（2）從冰層破損特征參數看，60°錐角條件下，特氟龍藥型罩形成的侵徹體穿深最大，鋁藥型罩次之，銅藥型罩最小;90°錐角條件下，穿孔能力由強到弱的材料依次為特氟龍、鋁、銅，穿深能力由強到弱的依次為銅、鋁、特氟龍。侵徹過程中，徑向冰層發生不同程度膨脹，隨著藥型罩錐角的增大，膨脹程度提高，其中120°錐角條件下鋁、特氟龍藥型罩所造成的冰層內部膨脹程度較高。

參考文獻：

[1] 張寶森，李春江，孫凱，等.基于數字圖像處理技術的冰凌參數識別方法[J].人民黃河，2021，43（2）：41-44，48.

[2] 郜國明，鄧宇，田治宗，等.黃河冰凌近期研究簡述與展望[J].人民黃河，2019，41（10）：77-81，108.

[3] 王玲，劉吉峰，謝文軒.黃河寧蒙河段冰凌預報模型研究進展[J].人民黃河，2014，36（12）：8-10.

[4] 張國軍.黃河寧夏段洪水冰凌特性與防洪效益分析[J].人民黃河，2013，35（3）：6-7，15.

[5] 佟錚，馬萬珍，王寧.黃河凌汛期高能破冰彈的初步設計[J].爆破器材，2004，33（4）：34-37.

[6] 史興隆，王呼和，佟錚.高能破冰彈水下破冰過程數值模擬[J].爆破器材，2014，43（6）：53-56.

[7] 解文輝，何秉順，李華新.黃河防凌爆炸破冰效果[J].工程爆破，2014，20（6）：29-31，57.

[8] 梁向前，何秉順，謝文輝.黃河冰層的爆炸破冰及作用效應試驗[J].工程爆破，2012，18（2）：83-85.

[9] 徐景德，彭興力，齊睿琛，等.基于LS-DYNA的金屬射流侵徹煤層仿真模擬[J].華北科技學院學報，2016，13（4）：70-75.

[10] 劉紅利，徐立新，張國偉.線型聚能裝藥射流形成的數值模擬[J].機電技術，2010，33（3）：28-30.

[11] 劉同鑫，尹建平，王志軍，等.低密度材料射流形成過程的數值模擬[J].兵器材料科學與工程，2014，37（5）：63-66.

[12] 董方棟，王志軍，尹建平，等.低密度射流沖擊帶殼裝藥起爆閾值的數值仿真[J].兵器材料科學與工程，2013，36（4）：49-51.

[13] 劉同鑫，尹建平，王志軍，等.鎂、鋁合金板在超高速撞擊下響應特征對比研究[J].兵器材料科學與工程，2015，38（1）：14-17.

[14] HOLMQUIST T J，JOHNSON G R. Response of Boron Carbide Subjected to High-Velocity Impact[J].International Journal of Impact Engineering，2008，35（8）：742-752.

【責任編輯 張華巖】