高 靖,王志軍,范晨陽(yáng)

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

隨著武器研究人員對(duì)靈巧彈藥的研究漸漸深入、細(xì)致,一些技術(shù)上的難題陸續(xù)出現(xiàn)。對(duì)于反裝甲目標(biāo)靈巧戰(zhàn)斗部,感應(yīng)裝置通常安裝在藥型罩上方[1-2],這無(wú)疑將對(duì)侵徹體成形造成不良影響,因此為了同時(shí)保證感應(yīng)裝置的工作可靠性以及對(duì)戰(zhàn)斗部威力的要求,文中對(duì)一種中心帶孔聚能裝藥進(jìn)行數(shù)值仿真,掌握其在不同參數(shù)下侵徹體成形的規(guī)律,從而解決以上問(wèn)題。

1 中心帶孔聚能裝藥結(jié)構(gòu)描述

在保證侵徹體成形不受影響的基礎(chǔ)上,結(jié)合靈巧彈藥所必需的感應(yīng)裝置,文中提出一種中心帶孔聚能裝藥戰(zhàn)斗部。感應(yīng)裝置可以直接插入戰(zhàn)斗部的中心孔內(nèi)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中心帶孔戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

2 仿真計(jì)算及算法

LS-DYNA軟件應(yīng)用于戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)已有大量成功實(shí)例。對(duì)于成形裝藥的仿真,考慮藥型罩、炸藥、護(hù)管、空氣 4種材質(zhì),選用多物質(zhì)流歐拉算法。計(jì)算中采用的單位制為:mm-kg-ms。

圖2 計(jì)算模型

2.1 藥型罩和護(hù)管的材料模型

藥型罩和護(hù)管的材料選用紫銅,用Johnson-Cook模型Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程?？捎脕?lái)模擬高應(yīng)變下的材料變形問(wèn)題。材料參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

表1 藥型罩、護(hù)管材料參數(shù)

2.2 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

炸藥選用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性,表達(dá)式為[4]:

式中:P eos為來(lái)自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力;P為任意時(shí)刻炸藥單元所釋放的壓力;F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù);V為相對(duì)體積;E為單位體積的內(nèi)能密度;A、B、R1、R2和 ω為輸入?yún)?shù)。采用8701炸藥,材料參數(shù)見(jiàn)表2[4]。

表2 炸藥材料參數(shù)

2.3 空氣材料模型及狀態(tài)方程

空氣材料選用流體模型為:MAT_NULL,狀態(tài)方程為線(xiàn)性多項(xiàng)式:EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,并在邊界節(jié)點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件,避免壓力在邊界上的反射。材料參數(shù)見(jiàn)表3[4]。

表3 空氣材料參數(shù)

3 方案設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 模擬方案設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)聚能裝藥,中心帶孔聚能裝藥成形還受中心孔直徑大小的影響。為了研究中心孔直徑對(duì)侵徹體成形的影響,文中將設(shè)計(jì)常規(guī)聚能裝藥和中心帶孔聚能裝藥對(duì)比研究。定義中心孔直徑與裝藥直徑之比為:λ。分別比較 λ取值為10%、15%、20%、25%、30%、40%幾種情況下,聚能裝藥侵徹體的成形情況。計(jì)算中,均采用環(huán)起爆方式。

3.2 中心帶孔聚能裝藥成形過(guò)程

圖3所示為λ=15%時(shí),聚能裝藥侵徹體成形過(guò)程。

圖3 侵徹體成形過(guò)程

由圖3可以看出:主裝藥起爆后大約12μs,藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊和推動(dòng)作用,開(kāi)始被壓垮、變形向前高速運(yùn)動(dòng),頂部中心孔附近的“微元”向中心軸匯聚,16μs罩頂微元被壓垮變形,并發(fā)生翻轉(zhuǎn)、碰撞,罩壁微元“流向”對(duì)稱(chēng)中心,在對(duì)稱(chēng)中心堆積并發(fā)生相互碰撞、擠壓,藥型罩被壓合成高速?gòu)椡?由于頭尾存在速度差,高速?gòu)椡柙谶\(yùn)動(dòng)中仍有所拉長(zhǎng),但基本保持完整。

3.3 侵徹體飛至三倍炸高處模擬結(jié)果

表 4 為 λ取值為 0.1 、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4這六種情況,在三倍裝藥直徑距離處,侵徹體成形、頭部速度等情況。

表4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明:在三倍裝藥直徑距離處,侵徹體頭部速度和有效長(zhǎng)度隨著孔徑的增大呈先上升后下降的趨勢(shì),在λ=15%時(shí),頭部速度達(dá)到最大值,在λ=25%時(shí)有效長(zhǎng)度達(dá)到最大值。

圖4 侵徹體頭部速度提高百分比隨λ變化曲線(xiàn)圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果得出如下結(jié)論:

1)該中心帶孔聚能裝藥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是可行的。在所選的各個(gè)孔徑下,能夠按照預(yù)先的要求,在爆轟作用下藥型罩經(jīng)過(guò)碰撞、翻轉(zhuǎn)形成侵徹體。

2)當(dāng)λ≤25%時(shí),侵徹體均有良好的外形;當(dāng)λ>25%時(shí),侵徹體頭部有斷裂現(xiàn)象,對(duì)其威力有影響。

3)計(jì)算采用中心孔有護(hù)管的裝藥結(jié)構(gòu),所得孔徑變化對(duì)侵徹體頭部速度的影響規(guī)律與中心孔無(wú)護(hù)管的結(jié)構(gòu)是有所區(qū)別的;相比于相同結(jié)構(gòu)尺寸的中心無(wú)孔裝藥,其侵徹體頭部速度在某中心孔直徑下存在最佳值,且有所提高。

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