山西中北大學機械與動力工程學院　徐斌

超厚藥型罩與射流的材料分配關系

山西中北大學機械與動力工程學院徐斌

聚能裝藥廣泛應用于軍事和民用穿孔、切割領域。本文主要研究在應用超厚度藥型罩的情況下藥型罩材料與射流材料的分配關系，通過AUTODYN-2D數(shù)值仿真設定隨動點方法給出二者的材料分配關系，以此為基礎通過控制藥型罩結(jié)構(gòu)來調(diào)整射流結(jié)構(gòu)，為改善射流狀態(tài)的裝藥結(jié)構(gòu)設計提供理論指導。

聚能裝藥；藥型罩；射流；分配關系

引言

在裝藥類型、密度、總藥量條件相同條件下聚能裝藥結(jié)構(gòu)具備確定總能量值的特點，能量在藥型罩形成射流各個部分的分配情況與射流的穩(wěn)定飛行能力和侵徹能力密切相關。如何保證有效射流部分具備較高能量密度和總能量值［1］，是提高射流侵徹能力的關鍵因素。在微型線型聚能切割器應用當中，為保證足夠的射流量和拓寬裝藥結(jié)構(gòu)在大炸高條件下的應用要求，相對于常規(guī)聚能結(jié)構(gòu)，微型線型聚能切割結(jié)構(gòu)的藥型罩相對較厚。本文借助仿真計算軟件AUTDOYN-2D［2］的隨動gauges測點方法研究超厚藥型罩條件下，藥型罩材料與射流的詳細分配關系，為高效聚能裝藥及異形藥型罩結(jié)構(gòu)研究提供參考。

1理論分析

射流形成定常理論［3］（圖1）中，在射流軸向碰撞點運動坐標系中，射流流動速度v2由公式（1、2）計算。由公式可知隨著藥型罩壓垮距離增大，壓垮角β不斷增大，射流流動速度v2不斷降低。根據(jù)軸對稱藥型罩壓合過程中厚度方向各層速度分布規(guī)律［2］，可分析厚度方向射流速度變化情況。

圖1　射流壓合過程幾何圖形

y2代表微元厚度方向任意位置到射流碰撞點O的距離，v2為此厚度位置射流速度，M為射流微元質(zhì)量，m為y2到y(tǒng)3范圍內(nèi)射流微元質(zhì)量。通過分析可知微元外表面速度不斷減小且恒小于v0，內(nèi)表面速度不斷增大且恒大于v0。一方面隨著母線方向v0不斷減小，另一方面隨著v0速度在罩微元層厚方向位置變化，加上射流形成的臨界條件，就可以確定藥型罩母線方向和厚度方向二維空間射流分配情況。

2　仿真模型

2.1本構(gòu)方程、狀態(tài)方程與邊界條件

采用AUTODYN-2D作為建模軟件［4］，應用Euler方法建立空氣裝藥和SC模型，選定0.01mm尺寸網(wǎng)格。建立模型及隨動gauges測點情況如圖3所示。藥型罩厚度方向和母線方向均勻設置58個測量點，觀察藥型罩在壓垮過程中各個微元的動態(tài)變化情況。

本仿真使用炸藥的JWL狀態(tài)方程（5），參數(shù)為A=3.71 B=7.43E-2，R1=4.15，R2=0.95。裝藥密度為理論值：1.717 g/cm3。裝藥結(jié)構(gòu)采用Steinberg本構(gòu)方程，公式（6）為剪切模量G在融化前與內(nèi)能、壓力和比容之間的關系，公式（7）為屈服極限的表達式。

圖2　藥型罩微元壓合計算

σ0、b、h、f為試驗測量材料常數(shù)，p為壓力，v為比容，ec為冷壓縮能，em為熔化能量，ei為比內(nèi)能，R為普適氣體常數(shù)，ρ為密度，A為摩爾質(zhì)量，Rρ/A=R1。

3　仿真結(jié)果

提取1微秒和4微秒時刻射流狀態(tài)如圖3所示。根據(jù)射流最后的三段形態(tài)（射流、翼、杵體）中g(shù)auges點位置與藥型罩結(jié)構(gòu)對應點位置的分析，可以得到藥型罩材料形成射流各個階段的材料分配如圖4所示，黑色線右側(cè)形成射流，紅色線左側(cè)形成杵體，中間部分形成“翼”狀體。

圖3　射流形態(tài)

圖4　材料分配

4　結(jié)論

采用隨動測點方式確定藥型罩與射流各部分材料關系，采用截頂藥型罩，減薄藥型罩底部厚度，可有效提高有效射流量這與已知藥型罩設計方法結(jié)論一致，分析結(jié)果可靠有效。

［1］侯秀成，蔣建偉，陳志剛.有效射流與藥型罩材料的分配關系［J］.兵工學報，2013，34（8）：936-941.

［2］崔軍.聚能射流對靶板侵徹的數(shù)值仿真 ［J］.兵工自動化，2010.Vol.29 NO.1.P24～26

［3］隋樹元，王樹山.終點效應學［M］.國防工業(yè)出版社，2000. ISSN：7-118-02200-4.中圖分類號：TJ012.4.

［4］Ansys AutoDyn971 help Manual［Z］.CenturyDynamic Corporation.USA，2005.

徐斌，1989出生，山東人，碩士，研究方向：終點效應。