錐角比對雙錐藥型罩射流成型影響的數值模擬

郝 鋼，李艷飛，劉裕濤

(1.陸軍裝備部駐沈陽地區第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2.遼沈工業集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

0 引言

聚能射流是一種基于聚能效應形成的毀傷元,主要用于打擊裝甲目標,隨著裝甲防護能力的不斷提升,單錐藥型罩結構已不能滿足目標打擊要求,因此,雙錐藥型罩應運而生,國內外許多學者對雙錐藥型罩的射流成型進行了研究。

Walters等[1]建立了雙錐形藥型罩射流的侵徹計算模型,提出了所形成射流具有雙線性速度分布特性;楊曉紅等[2]通過試驗獲得了雙錐形藥型罩在不同炸高下的靜破甲深度,并利用數值模擬和理論分析得到了雙錐藥型罩的最佳炸高;趙海平等[3]設計了一種錐-錐結合的藥型罩,通過改變上、下錐罩的長度比例和下錐角,分析了組合藥型罩形成射流的規律;劉宏杰等[4]基于環形切割聚能裝藥戰斗部及灰關聯理論,通過數值模擬方法對環形雙錐罩聚能裝藥結構進行了優化設計;陳闖等[5]利用沖擊波Hugoniot關系修正伯努利方程,結合改進的PER理論建立了考慮沖擊波、射流速度分布及射流狀態等影響因素的穿深計算模型;劉潤滋等[6]研究了不同罩高的變壁厚和等壁厚雙錐藥型罩射流成型特性;王子明等[7]通過優化雙錐藥型罩,提出了一種輔助型雙錐藥型罩,并通過數值模擬證明了優化結構在射流成型方面的優勢,達到了提升射流侵徹性能的目的;王珞冰等[8]對雙錐藥型罩結構進行了優化設計,得到了一種具有較優結構的大口徑雙錐藥型罩聚能裝藥結構。由此可以看出,雙錐藥型罩的結構參數對射流成型的影響較大,而錐角比是其中重要的影響因素,因此,本文針對錐角比對射流成型的影響展開研究。

1 數值模擬模型建立

1.1 雙錐藥型罩聚能裝藥仿真模型

雙錐藥型罩聚能裝藥結構如圖1所示。藥型罩直徑為40 mm,裝藥高度為60 mm,壁厚為1.2 mm,α為上錐角,β為下錐角。選用ANSYS/LS-DYNA進行數值仿真,基于Euler進行網格劃分,單元使用多物質ALE算法,同時為了提高計算效率,僅建立1/4模型,并通過對稱邊界條件保證數值模擬的準確性。建立的雙錐藥型罩聚能裝藥仿真模型如圖2所示。

圖1 雙錐藥型罩聚能裝藥結構

圖2 建立的雙錐藥型罩聚能裝藥仿真模型

1.2 材料模型及參數

仿真時所采用的炸藥為B炸藥,使用High Explosive Burn模型描述,炸藥密度為1.72 g/cm3,爆速為8 425 m/s,爆壓為30.4 GPa;藥型罩材料選擇紫銅,采用Steinberg材料模型和Gruneisen狀態方程描述,材料密度為8.93 g/cm3,剪切模量為47.7 GPa,狀態方程中的常數N、B、F、A分別為0.45、2.83、0.01以及63.5;空氣采用Null材料模型和Linear Polynomial狀態方程描述,其密度為1.293 g/cm3,狀態方程中的常數C4和C5均為0.4。

2 數值模擬結果與分析

為了研究錐角比對雙錐藥型罩射流成型的影響,結合目前單錐藥型罩和雙錐藥型罩在射流成型研究時常用的錐角參數,選擇上錐角分別為30°、40°和50°作為基礎角度,下錐角與上錐角的錐角比分別為1∶1.5、1∶1.8、1∶2、1∶2.2和1∶2.5,并以射流頭部最大速度、射流動能以及射流長度作為射流成型質量的評價指標,以確定錐角比對射流成型質量影響的趨勢。

2.1 射流頭部最大速度

通過數值模擬得到雙錐藥型罩射流頭部最大速度隨錐角比的變化情況和射流頭部最大速度隨上錐角的變化情況,分別如圖3、圖4所示。

圖3 射流頭部最大速度隨錐角比的變化情況

圖4 射流頭部最大速度隨上錐角的變化情況

由圖3可知:不同上錐角藥型罩射流頭部最大速度的變化趨勢均為隨著錐角比的增大而降低;上錐角為30°、錐角比為1∶1.5和1∶1.8時,射流頭部最大速度分別為8 088 m/s和8 293 m/s,隨后隨著錐角比的增大射流頭部最大速度逐漸降低,在錐角比為1∶2.5時降為最小值7 905 m/s。

由圖4可知:同一雙錐藥型罩錐角比下,隨著上錐角的增大,射流頭部最大速度逐漸降低。

2.2 射流動能變化

射流動能隨雙錐藥型罩錐角比的變化情況和隨雙錐藥型罩上錐角的變化情況如圖5和圖6所示。

由圖5可知:當雙錐藥型罩上錐角為30°時,射流動能隨著錐角比的增加而降低,在錐角比為1∶1.5時,射流動能最大值為7 kJ;上錐角為40°時,射流動能變化趨勢為先減小后增大,最小值出現在錐角比為1∶2時,為6.51 kJ;上錐角為50°時,射流動能先隨著錐角比的增大而不斷增大,在錐角比為1∶2.2時達到最大值6.97 kJ,此時射流最大動能接近上錐角為30°時的最大值,隨后射流動能下降。由此可以看出,錐角比使藥型罩結構發生了改變,從而影響了藥型罩中爆轟波的傳播,使不同藥型罩所形成的射流速度分布不同,進而影響到射流動能。

由圖6可知:當錐角比為1∶1.5和1∶1.8時,隨著上錐角的增大,射流動能逐漸降低;當錐角比大于1∶2后,上錐角為50°時,射流具有的動能最大。

2.3 射流長度和有效射流長度

雙錐藥型罩上錐角為30°、40°和50°時在不同錐角比下的射流長度和有效射流長度如表1所示。由表1可知:射流長度和有效射流長度均隨著錐角比的增加而降低,在一般情況下有效射流占有大比重的射流動能,因此錐角比的增加會對射流的侵徹能力產生不利影響。

表1 不同錐角比下的射流長度和有效射流長度 mm

3 結論

通過對雙錐藥型罩聚能裝藥結構進行數值模擬,得到以下結論:

(1) 上錐角越小,射流頭部最大速度越大,錐角比越大,射流頭部最大速度越低。

(2) 上錐角較小時產生的射流動能隨錐角比增加而降低,上錐角較大時產生的射流動能隨錐角比增加而增加。

(3) 隨著錐角比的增加,射流長度和有效射流長度均降低,從而會對射流的侵徹能力產生不利影響。