輔助藥型罩對射流性能的影響

樊金欣，焦志剛，馬辰昊

（沈陽理工大學裝備工程學院，沈陽 110059）

近年來，隨著現代科技的發展，各種新型裝甲的防護能力不斷升級優化，如何有效破甲，成為各國研究的重點。此時，具有發射平臺相對簡單、能量利用率高、侵徹能力強等優點的聚能破甲彈藥，成為了有效的反裝甲手段，在軍事領域中發揮了巨大的作用[1]。由于受到傳統聚能裝藥成型機理及藥型罩材料自身密度、聲速和延展性等因素的限制，其難以對高強度裝甲防護目標實現高效毀傷[2]。因此，俄羅斯科學家提出了一種新型裝藥結構——超聚能裝藥[3]。2015 年，錢俊松[4]對超聚能射流裝藥結構進行了數值模擬研究，得出了超聚能裝藥結構下鈦合金藥型罩的優化設計結果；2016 年，李慶鑫等[5]采用AUTODYN 數值模擬軟件，對“蘑菇形”超聚能裝藥結構射流形成進行了研究，分析了不同藥型罩及附加裝置材料對射流形成的影響；2019 年，胡曉敏等[6]利用Autodyn-2D 仿真軟件對9 組超聚能裝藥結構進行數值模擬計算。結果表明，射流的速度與長度隨著錐角的增加而增加，且隨著輔助藥型罩厚度的增加呈先增長后減小的趨勢；2022 年，葛超等[7]針對截頂輔助型超聚能裝藥結構設計及應用問題，建立了截頂輔助型超聚能射流成形微元法理論模型。目前，對于超聚能裝藥結構及其射流性能的相關研究成果主要集中在數值模擬方面，本文通過數值模擬方法，研究輔助藥型罩材料和結構對射流性能的影響。

1 輔助型雙錐藥型罩結構設計及數值模擬

1.1 幾何模型

輔助型雙錐藥型罩幾何模型如圖1 所示，裝藥直徑D=76 mm，裝藥長度L=108 mm，殼體壁厚2 mm；輔助藥型罩厚度h=4 mm，直徑d=24 mm；主藥型罩壁厚c=2 mm，小錐角α=40°，大錐角β=70°。

圖1 輔助型雙錐藥型罩幾何模型

1.2 有限元模型建立

使用AUTODYN 軟件對輔助型雙錐藥型罩進行模擬計算，建立二維軸對稱有限元模型，如圖2 所示。

圖2 輔助型雙錐藥型罩有限元模型

聚能裝藥選用8701 炸藥，8701 炸藥的裝藥密度為1.787×103kg/m3，爆壓為3.4×107kPa，爆速為8.39×103m/s。狀態方程采用JWL，炸藥其他參數見表1，其余數值模擬材料選自AUTODYN 材料庫，材料模型見表2。

表1 8701 炸藥參數

表2 材料模型

2 輔助藥型罩材料對射流的影響

金屬射流的性能與藥型罩材料有著密不可分的關系。錐形藥型罩材料多用紫銅。現確定5 種輔助藥型罩材料，分別為鋁、銅、鉭、鎢、鋼，主藥型罩材料為銅，共有5 種不同藥型罩材料組合。設置輔助藥型罩厚度和直徑分別為4 mm 和24 mm；主藥型罩小錐角40°，大錐角70°，壁厚2 mm。探究不同主輔藥型罩材料組合對射流性能的影響，由于射流在50 μs 時的速度和形態均趨于穩定，所以將50 μs 時射流性能作為評價標準，50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流性能參數見表3。

表3 50 μs 時不同材料組合藥型罩形成射流參數

由表3 可以看出，鎢-銅材料組合藥型罩形成的金屬射流頭部直徑和頭部速度都是最好的；鎢-銅組合藥型罩獲得最大動能僅次于銅-銅組合藥型罩；鎢-銅材料組合藥型罩形成射流頭部直徑也僅次于鉭-銅組合藥型罩。因此，綜合考慮，輔助型雙錐藥型罩的主藥型罩采用銅，輔助藥型罩材料選用鎢。

3 輔助藥型罩結構對射流的影響

3.1 輔助藥型罩厚度對射流的影響

為探究輔助藥型罩厚度（h）對射流性能的影響規律，利用控制變量法，將主藥型罩小錐角設置為40°，大錐角70°，壁厚2 mm，輔助藥型罩直徑24 mm，分別對h為2、3、4、5、6 mm 的輔助型雙錐藥型罩進行數值模擬。50 μs 時不同h下裝藥結構形成的射流形態如圖3所示。

圖3 50 μs 時不同h 下裝藥結構射流形態

由圖3 可知，當h為2、3 和4 mm 時，射流尾部出現了斷裂和空腔，主要是由于輔助藥型罩較薄，炸藥裝藥爆炸時，較薄的輔助藥型罩產生射流速度較快，在后續爆轟波的繼續作用下，將產生的金屬射流向前推動，使輔助藥型罩產生的射流被拉斷并出現空腔，這種現象隨著輔助藥型罩厚度的增加而消失。

金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖4 所示，金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩厚度變化情況如圖5 所示。

圖4 不同輔助藥型罩厚度下射流速度

圖5 不同輔助藥型罩厚度射流頭部直徑

由圖4 可以看出，金屬射流頭部速度隨h增加而增大，h為6 mm 時，速度最大為8 541 m/s。

由圖5 可以看出，h在2～5 mm 時，金屬射流的長度和頭部直徑隨著h的增加而增大。但是，當h超過5mm時，金屬射流長度呈現下降趨勢。

綜上所述，當h為6 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

3.2 輔助藥型罩直徑對射流的影響

輔助藥型罩直徑（d）也是影響射流性能的主要因素，為探究輔助藥型罩直徑對射流性能的影響規律，利用控制變量法，保持其他藥型罩結構參數不變，只改變d，將主藥型罩小錐角設置為40°，大錐角70°，壁厚2 mm，輔助藥型罩厚度為4 mm，分別對d為20、22、24、26、28 mm 的輔助型雙錐藥型罩進行數值模擬。50 μs時不同d下裝藥結構形成的射流形態如圖6 所示。

圖6 50 μs 時不同d 下裝藥結構射流形態

金屬射流頭部速度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖7 所示，金屬射流頭部直徑與長度隨輔助藥型罩直徑變化情況如圖8 所示。

圖7 不同輔助藥型罩直徑下射流速度

圖8 不同輔助藥型罩直徑射流頭部直徑

由圖7 可以看出，d在20～26 mm 時，金屬射流頭部速度隨著d增加而增大，當d超過26 mm 時，金屬射流頭部速度隨著d增大而減小。

由圖8 可以看出，d為20 mm 時，金屬射流頭部直徑最大，并且隨著d的增加，金屬射流的頭部直徑整體趨勢是下降的；d在22～26 mm 時，金屬射流長度隨著d增加而增加，當d超過26 mm 時，金屬射流長度隨著d增大而減小。

綜上所述，當d為26 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

4 結論

1）探究輔助藥型罩材料對射流的影響，鎢-銅材料組合藥型罩形成的射流無論從長度、頭部直徑或者50 μs 時的頭部速度，都表現優異。

2）探究輔助型藥型罩的結構因素對射流性能的影響，通過數值模擬得出，隨著h的增加，其金屬射流頭部直徑增大，h在2～5 mm 時，隨著h的增加，金屬射流的長度變長。h為6 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。在探究d對金屬射流性能的影響時，d在22～26 mm 時，金屬射流頭部速度和長度隨著d增加而增大。d對金屬射流頭部直徑影響并不明顯。當d為26 mm 時，形成的金屬射流綜合性能更好。

在實際的工程中，可以根據不同的情況選擇需要的結構參數。