截頂輔助藥型罩對橢球罩射流成型影響研究

賀浩鋒，王志軍，韓 澤，李 昊

(1.中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原 030051；2.中國人民解放軍32752部隊，湖北 襄陽 441123)

混凝土因其硬度高、來源廣、造價低[1]且具有良好的耐火性及耐久性而廣泛應(yīng)用于軍事及民用領(lǐng)域[2]。桿式射流(JPC)具有遠(yuǎn)距離攻擊力強、藥型罩利用率高、侵徹孔徑大且比較均勻的優(yōu)點[3]，因而可用于攻擊混凝土類目標(biāo)。國內(nèi)外眾多學(xué)者對桿式射流成型做了許多研究。徐斌等[4]針對傳統(tǒng)聚能射流有效質(zhì)量低的問題，設(shè)計了一種增加輔助結(jié)構(gòu)的亞半球藥型罩，并通過試驗進行了驗證。張小靜等[5]研究了圓筒形輔助藥型罩對半球罩形成桿式射流成型及侵徹性能的影響，通過仿真計算出了射流綜合性能最好的輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)。孫加肖等[6]利用AUTODYN數(shù)值模擬了雙層橢圓形藥型罩的射流成型，并對比分析了長短軸比、材料及罩間距對其的影響。Baker等[7]研究了可選擇起爆方式的成型裝藥，通過改變起爆點的位置，從而改變聚能裝藥形成的射流的模式，實現(xiàn)了對裝甲及地質(zhì)材料等不同目標(biāo)的毀傷。王海福等[8]研究了桿式射流的水下作用行為，仿真計算出了偏心亞半球罩結(jié)構(gòu)的水下最佳炸高。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對聚能射流做了眾多研究，但對橢球型藥型罩形成的桿式射流研究不多，筆者為了提高橢球罩形成桿式射流的侵徹性能，使用非線性動力學(xué)仿真軟件Autodyn-2D進行數(shù)值仿真，將橢球罩做截頂處理，并在頂端附加輔助藥型罩，研究其成型過程及輔助藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對藥型罩射流成型的影響，從而提高桿式射流的侵徹性能。

1 模型建立

1.1 幾何模型

帶有截頂型輔助藥型罩結(jié)構(gòu)的橢球罩裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝藥直徑d=60 mm，殼體壁厚δ=2 mm，裝藥高度為60 mm，橢球罩短半軸R和r1分別為30、28 mm，對應(yīng)的長半軸分別為38、36 mm。

圖1 戰(zhàn)斗部幾何模型

1.2 有限元模型

帶截頂輔助藥型罩的橢圓罩裝藥結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，桿式射流的成型屬于大變形問題[9]，在數(shù)值仿真計算過程中，為防止網(wǎng)格畸變過大而導(dǎo)致計算困難或無法計算的情況，所有材料均采用Euler算法[10]。由于該裝藥結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，在建立有限元模型時只建立1/2模型，以節(jié)約計算時間，網(wǎng)格劃分過程中，將射流通道上的網(wǎng)格劃分為0.25 mm/個，其余網(wǎng)格為0.5 mm/個，以提高計算精度。空氣域邊界條件定義為Flow_out用來模擬無限空間，以防止材料在邊界反射導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差。起爆方式選擇裝藥頂端中心點起爆，在模型的中軸線上同時設(shè)立有18個Gauges點，Gauges點起始坐標(biāo)為(60，0)，每隔20 mm設(shè)置一個Gauges點(見圖3)，在數(shù)值模擬過程中計量單位為mm-mg-ms-kPa。

圖2 戰(zhàn)斗部有限元模型

圖3 Gauges點布置

1.3 材料模型

在數(shù)值仿真計算過程中，所有的材料模型均取自Autodyn本身自帶材料庫中的材料。該裝藥結(jié)構(gòu)的殼體選用AL 2024，裝藥選用COMP B炸藥，主藥型罩及輔助藥型罩材料均為銅材料，將其分別命名為COPPER1和COPPER2，兩種材料一樣，將兩者分別編號是為了區(qū)分其形成的射流形態(tài)。各種材料的參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 藥型罩及殼體材料參數(shù)

2 數(shù)值仿真計算結(jié)果與分析

為了使帶截頂輔助藥型罩的橢球罩所形成的聚能射流達到最好的侵徹性能，將對該截頂輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1 射流成型過程

首先對該結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真，參考文獻[10]的結(jié)構(gòu)，在本次仿真時將輔助藥型罩的初始高度設(shè)置為2.5 mm，直徑設(shè)置為14 mm，觀察其成型過程(見圖4)。

圖4 射流成型過程

由圖4可知，裝藥起爆后0～10 μs產(chǎn)生的爆轟壓力已率先到達輔助藥型罩，并對其產(chǎn)生作用；在10～16 μs時爆轟壓力開始作用于主藥型罩，主藥型罩則向中心處壓垮變形。在24 μs時，主藥型罩及輔助藥型罩基本完成匯聚，由于射流整體存在速度梯度，在24～60 μs時，射流開始拉伸，其基本形態(tài)已經(jīng)固定。當(dāng)t=86 μs時，射流整體形態(tài)不再變化，輔助藥型罩所形成的射流一直處于整體射流的中軸線上。

2.2 輔助藥型罩高度對射流成型的影響

為了研究截頂輔助藥型罩的高度h對橢球罩形成聚能射流的影響，將其初始直徑r2固定為14 mm，改變輔助藥型罩的高度，分別將h設(shè)置為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mm，并對數(shù)據(jù)進行分析，截取60 μs時每組數(shù)據(jù)的射流形態(tài)(見圖5)。通過Gauges點觀測到的射流頭部速度隨高度h的變化曲線如圖6所示。

圖5 不同高度輔助藥型罩的射流形態(tài)

圖6 射流頭部速度隨高度的變化

由圖5可以看出，當(dāng)h為1.5 mm時所形成的射流頭部無法閉合，從而不能對目標(biāo)形成預(yù)期的毀傷效果。當(dāng)h為2.0 mm時，輔助藥型罩所形成的射流主要集中在射流的中前部，在射流的中后部則出現(xiàn)了空腔，空腔的存在會降低射流對目標(biāo)的侵徹效果;當(dāng)h為2.5 mm和3.0 mm時，輔助藥型罩形成的射流均在射流的中軸線上，但當(dāng)h大于3.0 mm時，射流的頭部由于速度過高，整體射流速度梯度過大，射流繼續(xù)拉伸會發(fā)生斷裂，從而無法形成連續(xù)的射流。當(dāng)h為3.5 mm和4.0 mm時，輔助藥型罩形成的侵徹體主要集中在射流尾部。

由圖6可以看出，加了截頂輔助藥型罩的結(jié)構(gòu)所形成的射流頭部速度隨著輔助藥型罩高度的增加而增加，而增幅在逐漸減小。但當(dāng)h大于2.5 mm時，射流無法連續(xù)，所以不能對目標(biāo)造成預(yù)期的毀傷效果。綜上所述，當(dāng)輔助藥型罩高度h為2.5 mm時，截頂橢球罩形成的射流綜合性能最優(yōu)。

2.3 輔助藥型罩直徑對射流成型的影響

為研究截頂輔助藥型罩的半徑對射流成型的影響，根據(jù)上文的對比分析，取h為2.5 mm，通過改變輔助藥型罩的半徑r2，對r2取12、13、14、15、16、17、18 mm時的數(shù)據(jù)進行對比分析，截取60 μs時每組數(shù)據(jù)的射流形態(tài)(見圖7)。通過Gauges點觀測到的射流頭部速度隨半徑r2的變化曲線如圖8所示。

圖7 不同半徑輔助藥型罩的射流形態(tài)

圖8 射流頭部速度隨半徑的變化

由圖7可以看出，當(dāng)輔助藥型罩半徑為13、16、17 mm時，相較于其他方案，射流頭部均有拉伸斷裂的跡象，這3種方案均不能達到預(yù)期的毀傷效果。輔助藥型罩所形成的射流則集中在射流后部及中軸線上。

由圖8可知，當(dāng)r2為13 mm時，頭部射流速度為4 199 m/s，高于r2為12 mm及14 mm時，但其頭部已發(fā)生斷裂，且前半段射流出現(xiàn)細(xì)微的空腔，不利于對目標(biāo)的侵徹。當(dāng)r2為15 mm及16 mm時，射流速度分別為4 231、4 233 m/s，兩者相差不大，但r2為16 mm時所形成的射流連續(xù)性不如r2為15 mm時。當(dāng)r2>16 mm后，截頂橢球罩所形成的射流頭部速度逐漸降低且總動能逐漸減小，對目標(biāo)的毀傷效果也隨之減小。綜上所述，當(dāng)r2為15 mm時，射流的整體侵徹性能最好。

2.4 侵徹能力對比

為研究帶截頂輔助藥型罩的橢球罩所形成射流的侵徹性能，基于上文優(yōu)化的方案，將輔助藥型罩的高度設(shè)置為2.5 mm，半徑設(shè)置為15 mm。將其與普通橢球罩形成射流的侵徹能力進行對比。兩種結(jié)構(gòu)在60 μs時形成的射流形態(tài)如圖9所示。

圖9 60 μs時射流形態(tài)

由圖9可以看出，在60 μs時截頂橢球罩所形成的射流長度要長于普通橢球罩，截頂橢球罩形成的射流的頭部速度為3 415 m/s，普通橢球罩形成的射流的頭部速度為4 231 m/s。

靶板選擇AUTODYN材料庫中自帶的混凝土模型CONC140MPA，該高強度混凝土的密度為2.75 g/cm3，使用RHT[11]本構(gòu)模型，該模型能較好的反映脆性材料的硬化、軟化、拉伸及壓縮。其材料模型如表3所示。

表3 高強度混凝土材料模型

使用上述兩種結(jié)構(gòu)對混凝土靶板進行侵徹仿真，炸高為2.5倍裝藥口徑。取400 μs時的侵徹深度為判斷標(biāo)準(zhǔn)，其侵徹深度對比如圖10所示。

圖10 400 μs時侵徹深度

由圖10可以看出，截頂橢球罩形成射流的侵徹深度要深于普通橢球罩，孔徑則小于普通橢球罩。截頂橢球罩形成的射流穿孔較為均勻，普通橢球罩形成的射流穿孔先變大后變小。兩者的侵徹深度、射流接觸靶板時的頭部速度及射流長度如表4所示。

表4 射流性能對比

由表4可以看出，帶截頂輔助藥型罩的橢球罩相比于普通藥型罩，侵徹深度增加52.3 mm，提升14.1%；接觸靶板時頭部速度增加816 m/s，提升23.9%；射流長度增加32.5 mm，提升15.9%。

3 結(jié)論

1)當(dāng)截頂輔助藥型罩高度h=2.5 mm時，形成的射流連續(xù)性及綜合性能最好。

2)當(dāng)截頂輔助藥型罩半徑r2=15 mm時，形成的射流具有最優(yōu)的頭部速度及射流形態(tài)。

3)當(dāng)截頂輔助藥型罩高度為2.5 mm，半徑為15 mm時，相較于普通橢球罩形成的聚能射流，侵徹深度提升14.1%，頭部速度提升23.9%，射流長度提升15.9%。