王鳳英，阮光光，劉天生，岳繼偉，柴艷軍，趙海平，吳 鵬，周 杰

(1.中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430205；3.安徽方圓機電股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

一種新型M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩的設(shè)計及形成射流的侵徹能力分析

王鳳英1，阮光光1，劉天生1，岳繼偉2，柴艷軍3，趙海平1，吳 鵬1，周 杰1

(1.中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原 030051；2.武漢高德紅外股份有限公司，湖北 武漢 430205；3.安徽方圓機電股份有限公司，安徽 蚌阜 233010)

在錐角藥型罩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上通過改變其頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種新型M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩，并分析了其射流頭部的形成機理；采用有限元軟件ANSYS/LS-dyna對在爆轟波作用下M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩射流的形成過程，以及對45號鋼板的侵徹過程進行了數(shù)值模擬，并與錐角藥型罩、平頂藥型罩形成射流的頭尾部速度、拉伸長度、杵體大小以及對45號鋼板的侵徹能力進行了對比。結(jié)果表明，M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩的M形頂部結(jié)構(gòu)在爆轟波作用下經(jīng)二次匯聚形成了射流頭部，相同裝藥條件下，其形成射流的頭部速度相比錐角藥型罩形成射流的頭部速度提高約9.10%，比平頂藥型罩形成的射流頭部速度提高約 5.56%；其侵徹深度比錐角藥型罩提高約10.4%，比平頂藥型罩提高約7.28%。

爆炸力學；M形藥型罩；射流；爆轟波；聚能裝藥；侵徹

引 言

隨著武器裝備的不斷發(fā)展，對聚能裝藥的侵徹能力提出了更高的要求， 20世紀80年代，美國提出了超高速(HYJET)射流空心裝藥的新概念，所謂超高速射流是指將藥型罩設(shè)計成一種在爆炸載荷下可以產(chǎn)生二次碰撞的結(jié)構(gòu)，壓垮后的藥型罩首先形成第一次射流，第一次射流經(jīng)二次碰撞后產(chǎn)生速度更高、拉伸長度更長的的二次射流，這種現(xiàn)象也稱為射流的二次噴射[1]。

基于二次噴射的原理，國內(nèi)外學者設(shè)計了各種新型藥型罩結(jié)構(gòu)以提高聚能裝藥的侵徹能力。董永香、王志軍等[2-3]分別設(shè)計了一種新型環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)和一種星錐形藥型罩，兩者都通過射流的二次噴射來提高射流的頭部速度，進而提高裝藥結(jié)構(gòu)侵徹能力。藥型罩的頂部結(jié)構(gòu)直接影響著射流的頭部速度進而影響聚能裝藥的侵徹能力?，F(xiàn)有文獻對藥型罩的頂部結(jié)構(gòu)報道較少。王德寶等[4]對平頂藥型罩射流的形成機理以及過程進行了研究；王建華等[5]采用數(shù)值模擬的方法對錐形藥型罩形成射流的過程進行了研究；顧文斌等[6]設(shè)計了以圓柱體代替錐角結(jié)構(gòu)的柱錐結(jié)合藥型罩。

本研究根據(jù)產(chǎn)生二次噴射的星錐形藥型罩[1]、M形藥型罩[7]以及錐角藥型罩，通過將這3種藥型罩結(jié)合設(shè)計出一種新型M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩，并采用有限元軟件ANSYS/LS-dyna在相同裝藥條件下對M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩、錐角藥型罩以及平頂藥型罩射流的形成以及對45號鋼板的侵徹過程進行數(shù)值模擬，并對比分析3種藥型罩所形成射流的頭尾部速度、拉伸長度、杵體大小以及對45號鋼板的侵徹能力，以期為提高破甲戰(zhàn)斗部的侵徹能力和藥型罩的設(shè)計提供參考。

1 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計

M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)、錐角藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)以及平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)物理模型剖面圖如圖1所示。

3種裝藥結(jié)構(gòu)裝藥口徑均為80mm，藥型罩材料為紫銅，采用等壁厚藥型罩，藥型罩厚度為1mm。M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩是在錐角為60°藥型罩的基礎(chǔ)上設(shè)計而成，裝藥高度為100mm，炸藥選用8701炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)采用船型裝藥結(jié)構(gòu)。其中M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩兩個錐角分別為60°，4條邊長度均為5mm。平頂藥型罩罩高為57.15mm，平頂直徑為10mm。

圖1 3種聚能裝藥藥型罩的結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Profiles of three kinds of shaped charge liner structure

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型的建立

在建模過程中選用3Dsolid164實體單元，由于數(shù)值模型的對稱性，為了降低建立模型的復(fù)雜性和提高計算效率，建立射流的形成以及侵徹靶板數(shù)值模型時均建立四分之一模型，通過施加合適的約束以保證計算的準確性；模擬射流成形的數(shù)值模型為：炸藥、藥型罩、空氣域；模擬侵徹靶板的數(shù)值模型為：炸藥、藥型罩、空氣域和鋼靶。在網(wǎng)格劃分過程中，炸藥、藥型罩、空氣采用共點歐拉網(wǎng)格模型，鋼板獨立建模并采用拉格朗日網(wǎng)格模型。3種裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 3種藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of three kinds of liner shaped charge structure

2.2 材料模型的確定

本研究涉及的材料本構(gòu)模型和狀態(tài)方程為：炸藥選用HIGH-EXPLOSIVE-BURN 模型，狀態(tài)方程為JWL；藥型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態(tài)方程采用Gruneisen方程；空氣域采用無偏應(yīng)力流體動力模型(NULL) ，狀態(tài)方程采用Gruneisen方程；靶板采用MAT_JOHNSON_COOK模型，狀態(tài)方程采用Gruneisen方程。模型及狀態(tài)方程具體參數(shù)見表1～4。

表1 炸藥材料模型及其JWL狀態(tài)方程參數(shù)

表2 藥型罩材料模型及其Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

表3 空氣材料模型及其線性多項式狀態(tài)方程參數(shù)

表4 靶板材料模型及Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

2.3 計算方法

本研究對射流的形成過程進行數(shù)值模擬時采用ALE算法，在對45號鋼板進行侵徹過程的數(shù)值模擬過程采用流固耦合算法。起爆方式均為炸藥頂端中心點起爆，并使用后處理軟件Lsprepost觀察射流的形成過程以及對45號鋼板侵徹過程的數(shù)值模擬結(jié)果。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 3種藥型罩形成射流頭部的機理分析

錐角、平頂藥型罩形成射流頭部的機理在文獻中已有報道[4,8]。本研究通過Lsprepost后處理軟件觀察炸藥爆炸后爆轟波作用于M形頂部結(jié)構(gòu)的方式以研究M形頂部藥型罩形成射流頭部的機理。根據(jù)后處理軟件觀察炸藥在裝藥頂端中心點起爆后5μs時爆轟波到達M形頂部結(jié)構(gòu)，數(shù)值模型圖如圖3(a)所示,根據(jù)數(shù)值模型圖畫出爆轟波與M形頂部結(jié)構(gòu)作用的剖面圖如圖3(b)所示。

圖3 爆轟波作用于M形頂部結(jié)構(gòu)形態(tài)圖Fig.3 Morphology of detonation wave act on M-shaped top structure

根據(jù)爆轟波作用于M形頂部結(jié)構(gòu)方式可分析出M形頂部結(jié)構(gòu)所受的爆轟作用力，其所受爆轟作用力剖面圖如圖4所示。

圖4 M形頂部結(jié)構(gòu)所受爆轟作用力剖面圖Fig. 4 Profile of the detonation acting force of the M-shaped top structure

由圖3和圖4可知，M形頂部結(jié)構(gòu)爆轟波作用下將形成環(huán)形線性射流，環(huán)形線性射流在圖4所示F區(qū)域經(jīng)過二次匯聚再次形成射流頭部，經(jīng)二次匯聚形成的射流相比普通射流具有更高的速度以及更好的拉伸性能[1]；不僅如此，M形頂部結(jié)構(gòu)在一定程度上也改變了爆轟波與藥型罩母線部分的作用角度，進而影響所形成射流的尾部速度。

3.2 3種藥型罩射流形成的模擬結(jié)果對比分析

藥型罩頂部結(jié)構(gòu)形成射流頭部后其母線部分陸續(xù)被壓垮，并在軸線處碰撞后補充到射流中去，由于3種藥型罩頂部結(jié)構(gòu)不同從而造成爆轟波作用于藥型罩母線的角度發(fā)生變化，其形成射流的參數(shù)如頭尾部速度、拉伸長度等也將發(fā)生變化，通過Lsprepost后處理軟件觀察100μs內(nèi)3種藥型罩形成射流的形狀并測量100μs時3種藥型罩形成射流的參數(shù)如表5所示，100μs時3種藥型罩形成的射流形態(tài)如圖5所示。

由圖5和表5可知，相同裝藥條件下，M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩形成射流的頭尾部速度最高、動能最大、抗拉伸性最好；平頂藥型罩形成的射流頭尾部速度、動能、抗拉伸性能次之；錐角藥型罩形成的射流頭尾部速度、動能、抗拉伸性能最差。

表5 100μs時3種藥型罩形成射流的參數(shù)

圖5 100μs時3種藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)形成的射流形態(tài)圖Fig.5 Morphology of three kinds of liner shaped charge structure jet formation at 100 μs

3.3 侵徹鋼板的模擬結(jié)果分析

在相同裝藥條件下，使用有限元軟件ANSYS/ls-dyna對M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩、錐角藥型罩、平頂藥型罩3種藥型罩所形成的射流在200mm炸高下對尺寸為400mm×20mm×20mm的45號鋼板進行侵徹穿深的數(shù)值模擬；并使用后處理軟件Lsprepost觀察數(shù)值模擬過程，3種藥型罩失去侵徹能力時靶板效果圖如圖6所示，并測量了3種藥型罩所形成的射流失去侵徹能力時靶板的相關(guān)參數(shù)，見表6。

表6 3種藥型罩侵徹靶板后的相關(guān)參數(shù)

注：H為侵徹深度；d為侵徹孔直徑；H′為H的相對增量。

由圖5及表6可知，在相同裝藥條件下，M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩形成射流的侵徹能力最強，比平頂藥型罩對45號鋼板的侵徹深度提高約7.28%，比錐角藥型罩所形成的射流對45號鋼板的侵徹深度提高約10.40%。

圖6 3種藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)失去侵徹能力時的靶板效果圖Fig.6 Target impression drawing after loss of penetration ability for three kinds of liner shaped charge structure

為了驗證模擬結(jié)果的可靠性，在與數(shù)值模型相同裝藥條件下進行侵徹試驗，平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)在200mm炸高下對45號鋼板的侵徹能力侵徹效果圖如圖7所示，測得3組試驗靶板相關(guān)參數(shù)如表7所示。

圖7 試驗靶板效果圖Fig.7 Impression drawing of experimental target

實驗編號H/mmd/mm第一發(fā)彈316.212.9第二發(fā)彈318.613.1第三發(fā)彈320.313.3平均值318.413.1

將平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)對45號鋼板的侵徹數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比，其侵徹深度結(jié)果誤差為4.3%，侵徹孔直徑誤差為4.6%，在合理誤差范圍內(nèi)，驗證了本研究數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 論

(1)采用數(shù)值模擬方法對M形、錐角、平頂3種藥型罩射流的形成過程以及對45號鋼板的侵徹過程進行了研究。藥型罩的M形頂部結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下可形成環(huán)形線性射流經(jīng)過二次匯聚可形成聚能射流，且形成射流頭部。

(2)M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩比錐角藥型罩形成射流的頭部速度提高約9.10%，比平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)頭部速度提高約5.56%，且射流的抗拉伸性以及拉伸長度均有明顯的提升。

(3)對比了3種藥型罩對45號鋼板的侵徹深度，M形頂部結(jié)構(gòu)藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)的侵徹深度比錐角藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)提高了約10.40%，比平頂藥型罩裝藥結(jié)構(gòu)提高了約7.28%。

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DesignofANewM-shapedTopStructrueLinerandAnalysisofPenetrationAbilityofItsJetFormation

WANGFeng-ying1，RUANGuang-guang1，LIUTian-sheng1，YUEJi-wei2，CHAIYan-jun3,ZHAOHai-ping1,WUPeng1,ZHOUJie1

(1.SchoolofEnvironmentandChemicalEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyaun030051,China;2.WuhanGuideInfraredCo.,Ltd.,Wuhan430205,China;3.AnhuiFangyuanMechanicalandElectricalCo.,Ltd.,BengbuAnhui233010,China)

Based on the liner structrues of the cone angle, a new liner structure with M-shaped top structure was designed by changing its top structure, and the formation mechanism of its jet head was analyzed. The numerical simulation of jet formationin process of liner with M-shaped top structrue under the action of detonation wave and the penetration process of No.45 steel plate was performed by using the finite element software ANSYS/LS-dyna, and comparison with the head and end velocity, stretching length, slug size and the penetration ability of No.45 steel plate of the jet formed by the cone angle liner and the flat-top liner was performed. The results show that the top structure of the liner with M-shaped top structure forms jet head at two times convergence under the action of detonation wave. Under the same loading condition, compared with the cone angle liner jet-forming head speed, the M-shaped liner jet-forming head speed is increased by about 9.10% and the flat-top liner jet-forming head speed is increased by about 5.56%, its penetration depth is improved by about 10.40% compared with the cone angle liner, its penetration depth is improved by about 7.28% compared with the flat-top liner liner.

explosion mechanics; M-shape liner; jet; detonation wave;shaped charge;penetration

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.014

2017-02-23；

2017-06-01

國家自然科學基金(No.11572292)

王鳳英(1955-)，女，教授，從事彈藥工程及武器系統(tǒng)防護工程研究。E-mail:wfyts8271@163.com

TJ55;TJ

A

1007-7812(2017)04-0076-05