雙層金屬藥型罩戰斗部侵徹性能仿真研究

趙 鑫，徐永杰，董方棟，鄭娜娜，賀浩鋒，王志軍

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.重慶紅宇精密工業集團有限公司， 重慶 402760； 3.中國兵器工業第208研究所， 北京 102202； 4.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局駐長治地區軍事代表室， 山西 長治 046000)

1 引言

破甲彈技術問世以來，國內外軍事領域便受到巨大影響。藥型罩作為聚能裝藥技術的核心之一，對其相應的技術研究也在不斷發展。曹杰等利用AUTODYN軟件對不同結構藥型罩進行計算機模擬試驗，發現銅鋁厚度比為 1∶1.5時銅鋁雙層復合藥型罩射流性能最優；陸志毅使用有限元仿真軟件，對3種不同材料組合的藥型罩進行了數值模擬，發現具有合適結構和材料的雙層藥型罩與單層藥型罩相比具有一定的優越性；吳浩宇利用ANSYS/LS-DYNA軟件對一種新型雙層藥型罩結構進行了數值模擬，分析了藥型罩壁厚對射流成型的影響，并進行了優化設計。

王珞冰基于正交優化設計方法，用數值仿真軟件，從壁厚、上錐角、下錐角、上錐高度占比4個參數，對雙錐藥型罩進行了結構優化；王子明對雙錐藥型罩形成射流過程進行了數值模擬，研究發現雙錐藥型罩較單錐藥型罩形成射流更加密集，且射流速度大于單錐藥型罩。陳闖對一種雙錐藥型罩進行了理論分析、數值模擬和X光試驗，發現了雙錐射流相對于單錐射流的優越性。對雙層或雙錐藥型罩結構國內外已有較多研究，而對帶隔板的雙層雙錐藥型罩結構研究較少。

本文提出了一種帶隔板的雙層雙錐藥型罩裝藥結構，通過數值仿真的方法，研究不同藥型罩參數對射流成型及侵徹性能的影響，以期得到射流速度高、侵徹孔徑大的侵徹體。

2 模型的建立

2.1 物理模型

雙層藥型罩中，緊貼炸藥的一側為外罩，遠離炸藥的一側為內罩，內層藥型罩作為射流的主體，當雙層藥型罩具有適合的結構時，會增大射流速度，提高射流的能量利用率。上錐罩形成射流速度高，能有效拉伸射流，下錐罩形成的射流直徑大，能有效防止射流斷裂。因此，在傳統藥型罩結構的基礎上進行改進，設計了一種雙層結構藥型罩，圖1為藥型罩結構示意圖。隔板材料選用NYLON，隔板直徑為，厚度=0412 5*，靠近炸藥一側由一段=65 mm的圓弧旋成體，藥型罩頂層藥高為，炸藥選用B炸藥，裝藥直徑=120 mm，藥型罩外罩選用鋁，內罩選用銅，藥型罩厚度為，上錐角為2，下錐角為2。

圖1 聚能戰斗部結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of charge warhead

對雙層雙錐藥型罩和單層單錐藥型罩裝藥結構形成射流進行數值模擬，其中：單層單錐藥型罩=2 mm，2=2=50°，罩材為銅；雙層雙錐藥型罩=2=2=2 mm，2=45°，2=55°，外層罩材為鋁，內層罩材為銅。

2.2 有限元模型

建立如圖2所示有限元模型，為減小計算時間，建立1/2對稱模型，空氣域長1 000 mm，寬150 mm，為模擬無限空氣域，施加邊界條件，內部有聚能裝藥、殼體、藥型罩、隔板，均采用Euler網格，隔板能夠改變爆轟波的傳播路徑，調整爆轟波形，盡可能的改善射流成型。起爆方式為裝藥頂部中心點起爆。

圖2 有限元模型示意圖Fig.2 Finite element model

所選材料來自Autodyn材料庫，聚能裝藥選用COMP-B，采用EOS_JWL狀態方程，材料參數見表1，隔板材料選用NYLON，外罩材料用AL2024T351，內罩材料為COPPER，殼體材料選用AL2024T351，靶板材料選用RHA，材料參數見表2。

表1 COMP B材料參數Table 1 COMP B material parameters

表2 材料參數Table 2 Material parameters

2.3 2種藥型罩射流成型對比

為驗證雙層結構藥型罩射流的優越性，觀察射流成型過程，對2種不同結構藥型罩形成射流過程進行對比分析，60 μs時射流已充分拉伸，細長而不斷裂，成型良好，此時頭部速度為，射流長度為(射流頭部距藥型罩底部距離)，動能為。

取射流成型參數如表3。從圖3可以看出，單層單錐罩形成的杵體較大，射流頭部速度較小，射流成型速度較慢；雙層雙錐罩射流頭部速度高，射流長度大，杵體小，頭部較為細長。60 μs時單層單錐藥型罩射流頭部速度為9 582 m/s，雙層雙錐藥型罩的射流頭部速度為10 838 m/s，相比前者提高了13.1%，雙層雙錐藥型罩的射流長度相比單層單錐藥型罩提高了19.9%，且射流的動能相比后者提高了12.5%，因此，雙層雙錐藥型罩射流成型性能較好。

圖3 射流成型圖Fig.3 Jet forming diagram

表3 射流成型參數Table 3 Jet forming situation

3 射流成型性能對比

3.1 優化因素、水平的設計

聚能射流成型性能會受到藥型罩各參數影響，為減少工作量，從5個因素分析藥型罩對射流成型的影響：藥型罩壁厚、上錐角2，下錐角2。隔板直徑、藥型罩頂層藥高，各因素水平見表4。

表4 藥型罩各參數水平Table 4 The level of each parameter of the liner

若按照常規設計方法，需要進行設計的工況過多，故采用正交優化設計方法，制定16個設計方案，節省了計算時間，具體方案見表5。

表5 正交表L16(45)設計方案與計算結果Table 5 Orthogonal table L16(45) design scheme and calculation results

3.2 結果分析

正交表(4)為正交優化方案的計算結果，聚能裝藥爆炸后，擠壓藥型罩向軸線聚集，射流開始拉長、成型，射流距離罩底距離=3時，已具備足夠的侵徹能力，比較此時射流頭部最大速度。在上述16種方案中，方案4射流成型性能較好，即=16 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，此藥型罩結構參數下射流頭部速度最大，=12 352 m/s，相比于圖1中單層單錐藥型罩=9 800 m/s，提高了26.0%。

表6為極差計算結果，五因素對射流頭部速度的影響排列順序為：藥型罩壁厚>隔板直徑>上錐角2>下錐角2>罩頂藥高。

表6 極差計算結果Table 6 Range calculation result

結合相關理論可知：適當增大隔板直徑，能縮短爆轟波沿軸線運動時間，從隔板邊緣傳遞的爆轟波速度方向與藥型罩具有更大的夾角，加快射流速度；當爆轟產物的沖量足夠大時，藥型罩的壁厚增大，可提高藥型罩生成射流的比率。上錐角藥型罩先受到應力，且小錐角能提高射流頭部速度；下錐角使射流加粗，直徑變大；藥型罩頂部藥高對射流成型影響最小。

因此，若需使射流獲得較高速度，我們需著重考慮藥型罩壁厚，隔板直徑，上錐角這3個因素。

4 射流侵徹性能對比

由正交優化方案表(4)可知，第4個方案的射流成型性能較好，藥型罩壁厚對射流頭部速度影響最大。

為了對射流的侵徹性能進一步分析，對上述4組壁厚，每一組設立=3，=4，=5三種炸高，藥型罩其他參數不變，建立有限元模型，靶板材料為RHA，厚度為800 mm，直徑為400 mm，記錄射流擴孔口徑與靶板穿深。

如表7所示：聚能射流具有一定的速度梯度，隨著運動距離的增大，射流不斷增長，當射流材料的塑性到達極限時，開始斷裂；起初，射流侵徹深度隨著炸高的增加而增加，射流斷裂之后，侵徹深度隨炸高的增加而減少。如表7所示，在17～28種方案中，同種壁厚，炸高=4、=5比=3的侵徹深度大；不同壁厚，=2 mm與=2.4 mm侵徹深度較大；炸高=5時，擴孔口徑較大。

表7 射流侵徹靶板方案Table 7 Jet penetrating target plan

上述射流侵徹靶板方案中，方案21射流侵徹靶板深度最大，即藥型罩結構為=2 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，所形成的射流侵徹效果最佳。

圖4為單層單錐藥型罩與方案21中雙層雙錐藥型罩侵徹靶板示意圖，其中單層單錐藥型罩結構：=2 mm，2=2=50°，=110 mm，=20 mm，炸高=4。

圖4 侵徹靶板示意圖Fig.4 Penetration target diagram

方案21中藥型罩與單層單錐藥型罩相比射流侵徹深度提高了9.98%，擴孔口徑提高了50%，可見，雙層雙錐藥型罩結構對射流侵徹性能有所提升。

5 結論

1) 與傳統藥型罩對比，雙層雙錐藥型罩形成射流頭部細長，頭部速度大，杵體部分小，射流成型性能較好。

2) 通過正交優化設計方法，設計16種不同結構參數藥型罩，對射流成型性能進行研究，5個因素中，對射流頭部速度影響程度的排列順序為：>>2>2>，確定方案4為射流成型性能最佳結構參數：=1.6 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，相比單層單錐藥型罩所形成射流頭部速度提高了13.1%。

3) 在方案4的基礎上設計了12種戰斗部結構參數，計算表明：藥型罩結構=2 mm，2=50°，2=65°，=110 mm，=20 mm，炸高=4時，射流侵徹性能最佳，相比單層單錐藥型罩，侵徹深度提高998，擴孔口徑提高50。