截頂M型藥型罩結構參數對聚能射流的影響

陳忠輝，楊 軍，湯 宇，翟小鵬

(北京理工大學爆炸科學與技術重點實驗室，北京 100081)

聚能射流技術在軍事和民用工業中一直都有廣泛的運用，而藥型罩作為聚能射流技術的關鍵組件則是影響聚能射流質量、速度和連續性的重要因素之一，因此，為了提升和改善聚能裝藥的威力，許多學者對于藥型罩的結構改進都進行了大量研究。由于目前所使用的藥型罩多為錐形，球形等結構，形成的射流侵徹的范圍有限，而M形藥型罩形成的射流便可以彌補這一缺點，在目標物上開坑范圍更大，并且侵徹達到一定的深度[1-5]。

截頂M型藥型罩是在射流二次碰撞[6]的基礎上設計出來的新型結構，與傳統聚能裝藥結構相比，M型藥型罩具有更高的能量利用率，更集中的能量分布和更寬更深的侵徹孔。童宗寶等[7]研究了一種新型M型藥型罩，該藥型罩在炸藥爆轟驅動下可以形成細長、穩定的射流，但射流孔徑大射流速度不高。王鳳英等[8]采用數值模擬方法對M型，錐型，平頂3種藥型罩形成的聚能射流作了對比研究，發現M型藥型罩形成的射流頭部速度更高，拉伸長度也更長。張斐等[9]設計了一種新型截頂聚能裝藥結構，研究發現該結構可形成比傳統射流杵體少，頭部細長不間斷的高速射流，并且射流頭部速度與藥型罩的材料沖擊阻抗有關。安文同等[10]對截頂M型藥型罩和錐型藥型罩做了模擬對比，發現截頂M型藥型罩形成的射流頭部速度更高，速度梯度也更明顯。

本研究運用ANSYS/LS-DYNA軟件對9組不同結構的截頂M型藥型罩形成的射流進行模擬分析，通過改變藥型罩截頂寬度和V型開口寬度來控制形成射流的頭部速度和射流長度，實現對射流的優化。

1 裝藥結構設計

截頂M型藥型罩開口寬度60 mm，裝藥高度為90 mm，截頂處小錐角和藥型罩大錐角的角度相同，取θ同為60°(見圖1)，藥型罩壁厚為等厚度，均為1 mm。通過改變藥型罩的截頂寬度L和小錐角的開口寬度d，探討射流性能達到最佳時的最優結構。分別設置了9組不同的參數(見表1)。

圖1 聚能裝藥結構Fig.1 Shaped charge structure

表1 藥型罩截頂寬度和錐角開口寬度參數設置

2 數值模擬

2.1 數值模型和算法

數值模型由炸藥、藥型罩和空氣組成，網格采用solid164八節點六面體單元進行映射網格劃分，網格邊緣位置采用共節點連接，在空氣區域周圍施加無反射邊界，保證爆轟波可以穿透出去，前后兩個表面施加對稱約束。單位采用cm-g-us單位制。為了解決網格畸變的問題，保證模擬順利進行，炸藥、藥型罩和空氣均采用歐拉網格建模。

2.2 材料參數和狀態方程

炸藥采用高能炸藥HIGH-EXPLOSIVE-BURN材料模型，并且利用JWL狀態方程[11]進行爆炸載荷施加。具體炸藥材料參數如表2所示。JWL狀態方程表達式為

表2 炸藥模型材料參數

(1)

式中：p為等熵壓力；V為爆轟產物的相對體積；E為體積內能；A、B、R1、R2、w為輸入的參數。

炸藥和藥型罩周圍的空氣區域采用流體模型，狀態方程為線性多項式。分別用MAT_NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程[11]來描述。材料參數如表3所示。

表3 空氣材料參數

LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程表達式為

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(2)

藥型罩的材料為紫銅，選擇Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態方程來描述；具體參數如表3所示。Johnson-Cook中的本構模型表達式[12]為

(3)

表4 藥型罩材料參數

3 數值模擬結果及分析

M型藥型罩由于結構特點會形成內外兩層射流，相對于傳統藥型罩來說，M型藥型罩的利用率有大幅度提升，因此可以形成更強、更持久的沖擊，射流頭部速度也會更高。方案1～9聚能裝置射流在15、20、25 us時的射流形態如圖2～圖4所示，20、25 us時刻聚能射流的長度如表5所示。

圖2 15 us時射流形態Fig.2 Jet form at 15 us

圖3 20 us時射流形態Fig.3 Jet form at 20 us

圖4 25 us時射流形態Fig.4 Jet form at 25 us

表5 20、25 us時聚能射流的長度

15 us之前，M型藥型罩在炸藥爆轟波壓力的作用下，V型開口兩側的截頂藥型罩分別與側邊的藥型罩發生相互擠壓，形成外側線性射流，而V型開口分別與兩側截頂藥型罩發生相互擠壓，形成內側線性射流；隨后內外兩側線性射流相互碰撞形成二級線性射流，二級線性射流匯聚到藥型罩軸線之后，相互碰撞匯聚，形成能量更強的射流頭部(見圖2)。此時，射流頭部較尖，杵體也略粗于射流頭部。

15～20 us之間時，二級線性射流不斷向軸線匯聚，整個射流逐漸被拉伸并向前運動，隨著藥型罩截頂寬度變大，射流頭部的有效質量有小幅度增大，射流整體長度逐漸變長，但超出一定范圍之后，射流整體長度變短，杵體開始變粗，尺寸變大，藥型罩的利用率也大幅度降低。隨著小錐角的開口寬度逐漸變大，內層射流和外層射流能夠更好地融合,二級線性射流的有效質量和藥型罩利用率也有提升；當小錐角開口寬度持續變大，外層射流的能力被削弱，藥型罩利用率大幅度降低，射流總體長度也開始變短。20 us之后，射流繼續被拉伸，逐漸開始發生頸縮和斷裂現象。綜合分析可知，隨著藥型罩截頂寬度和小錐角的開口寬度逐漸變大，射流的總體長度呈現出先變大后變小的趨勢。

不同方案藥型罩的射流速度分布和不同時刻的速度統計結果分別如圖5和表6所示，射流在15 us之前達到最高速度，射流達到最高速度以后，隨著時間延長，射流的速度逐漸降低，而隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的變大，射流的最大速度呈現出先增加后減小的趨勢，不同時刻的速度變化也是如此，與射流的長度變化趨勢保持一致。

圖5 不同方案藥型罩射流速度分布Fig.5 Jet velocity distribution of different scheme

表6 不同時刻的速度統計結果

4 結論

1)截頂M型藥型罩形成的射流形態更好，在其他條件不變的情況下，隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的增加，射流整體變長，有效質量也有明顯增加，但超出一定范圍后，射流長度變短，整體呈現先增加后減小的趨勢。

2)截頂M型藥型罩形成的射流的頭部最大速度以及速度變化趨勢也與M型藥型罩結構有關。隨著截頂寬度和小錐角開口寬度的增加，射流的頭部最大速度以及射流整體速度也呈現出先增加后減小的趨勢。

3)經過對9組方案所形成射流的速度和射流長度綜合分析，最終得到，當截頂寬度為1.2 cm時，V型開口寬度為0.4 cm時，射流的形態最好，射流頭部速度最大，為6 007 m/s。