王維占，趙太勇，陳智剛，印立魁，楊寶良，張孝中，郭光全

(1. 中北大學(xué)地下目標毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原030051；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；3.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；4.晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030051)

復(fù)合桿式射流成型及威力性能的數(shù)值模擬及試驗驗證

王維占1，趙太勇1，陳智剛1，印立魁1，楊寶良2，張孝中3，郭光全4

(1. 中北大學(xué)地下目標毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原030051；2.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；3.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；4.晉西工業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030051)

為了闡明復(fù)合桿式射流的性能, 設(shè)計了8種不同材料的復(fù)合球缺罩，包括聚乙烯/銅、鋁/銅、鈦/銅、鐵/銅、銅/銅、鉬/銅、鉭/銅、鎢/銅材料，并采用LS-DYNA軟件對其桿式射流的成型過程進行三維數(shù)值模擬，分析了桿式射流威力性能，通過靜破甲試驗驗證了數(shù)值模擬結(jié)果。結(jié)果表明，在保持內(nèi)罩材料為紫銅的條件下，隨著外罩材料密度的增大，射流整體速度減小，射流動能隨外罩材料密度的增大而減??；在外罩為金屬材料時，外罩材料沖擊阻抗越大，內(nèi)罩所受爆轟波透射壓力越小，射流整體速度、射流動能隨外罩沖擊阻抗增大而減??；經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流整體速度最高，動能最大，破甲威力較佳，鋁/銅復(fù)合桿式射流次之。靜破甲試驗結(jié)果表明，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流對鋼靶侵徹深度較鋁/銅復(fù)合桿式射流有一定提高，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

威力性能；復(fù)合球缺罩；沖擊阻抗；數(shù)值模擬；桿式射流；聚能射流

引 言

復(fù)合球缺罩形成的桿式聚能射流(JPC)因其速度梯度小、整體速度高、射流質(zhì)量高等優(yōu)點在反坦克、反艦、防空反導(dǎo)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其研究進展對提高聚能毀傷戰(zhàn)斗部威力具有重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外學(xué)者對此進行了廣泛研究。Hong S C[1]對多層藥型罩的形成過程進行了數(shù)值模擬計算，得出復(fù)合射流的形成機理；付建平等[2]則對雙層球缺罩形成復(fù)合桿式射流進行了初步研究，得出鋁/銅雙層桿式射流侵徹威力大于單層銅質(zhì)桿式射流的侵徹威力；臧濤成等[3]對破甲彈復(fù)合罩性能進行研究，得出合理匹配復(fù)合罩材料，不僅能夠減輕彈的質(zhì)量，而且能夠提高破甲威力；許世昌等[4]進行了雙層含能藥型罩射流成型機理及侵徹性能研究，得出結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料阻抗匹配合理的雙層含能藥型罩，可以提高成型裝藥侵徹深度和孔徑。雖然國內(nèi)外對于JPC的研究較為廣泛，但目前對新型材料復(fù)合球缺罩研究較少。

本研究從材料性能方面著手，設(shè)計了8種不同材料的復(fù)合球缺罩，采用數(shù)值模擬和靜破甲試驗方法，在內(nèi)層罩為紫銅的條件下，改變外層球缺罩材料為聚乙烯、鋁、鈦、鐵、銅、鉬、鉭、鎢作為因變量進行一系列數(shù)值模擬分析，并使用聚乙烯/銅藥型罩與鋁/銅藥型罩依次對45#鋼靶進行靜破甲試驗驗證，對比研究了兩種不同材料復(fù)合罩形成的桿式射流的破甲性能。通過研究和掌握復(fù)合球缺罩形成桿式射流機理，以期能夠建立不同材料復(fù)合球缺罩形成桿式射流理論模型，并為武器戰(zhàn)斗部設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 模擬計算

1.1 計算模型

球缺罩內(nèi)層采用紫銅作為形成桿式射流的主要材料，外層材料依次采用聚乙烯、鋁、鈦、鐵、銅、鉬、鉭、鎢。為了保證內(nèi)層銅罩作為形成射流的主要材料，外罩與內(nèi)罩采用的厚度比例為1∶2。計算模型幾何尺寸為：藥型罩底部內(nèi)徑(D1)80mm,裝藥直徑(D2)80mm，內(nèi)球曲率半徑(R1)37mm，外球曲率半徑(R3)40.75mm，中球曲率半徑(R2)39.5mm，裝藥倒角圓半徑(R4)76mm，裝藥高度(H)128mm，倒角高度(h)35mm，裝藥殼體(b)為2mm厚鋼殼。計算模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用 1/4 結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并設(shè)置對稱約束條件于1/4 模型的對稱面上。計算網(wǎng)格均采用Solid164八節(jié)點六面體單元，炸藥、藥型罩、空氣采用ALE算法，它們之間的接觸作用采用流固耦合算法。并在模型的邊界節(jié)點上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。通過LS-DYNA 軟件對桿式射流的成形過程進行三維數(shù)值模擬[5]。

1.2 計算方法

本研究所有金屬材料模型都采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。主裝藥為B炸藥，參數(shù)見表1。選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述。

表1 B炸藥參數(shù)

聚乙烯材料模型采用*MAT_KELVIN-MAXWELL_VISCOELASTIC，材料密度為0.93g/cm3，剪切模量為1.01GPa，屈服應(yīng)力為1.83GPa，泊松比為0.47?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)材料(NULL)描述，對應(yīng)的狀態(tài)方程為多線性狀態(tài)方程。裝藥起爆方式采用中心點起爆。其他材料主要參數(shù)見文獻[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 射流性能分析

采用不同外罩材料，在3倍裝藥直徑炸高條件下，桿式射流的相關(guān)參數(shù)見表2，射流形態(tài)如圖2所示。

由表2和圖2可看出，聚乙烯/銅與鋁合金/銅復(fù)合桿式射流頭部速度相對較高，從整體動能角度來看，當外罩材料為聚乙烯、鋁、鈦合金時，射流整體動能相對較大，3種情況下動能相差不大，但聚乙烯/銅、鋁/銅復(fù)合桿式射流銅質(zhì)量及動能所占比例較大，有效侵徹質(zhì)量相對較高；從射流形態(tài)來看，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流長徑比相對較大，且射流頭部較細，形態(tài)較佳。綜合分析得出，聚乙烯/銅與鋁/銅復(fù)合桿式射流對目標具有較好的侵徹能力。

表2 不同材料條件下桿式射流的參數(shù)

注：v1為頭部速度；v2為尾部速度；v3為頭尾部速度差；D1為射流頭部直徑；D2為射流尾部直徑；L為射流長度；E為動能；ρ為外罩密度；R為外罩阻抗；p為內(nèi)罩壓力；a為銅質(zhì)射流所占動能比。

2.2 外罩材料密度與桿式射流性能的關(guān)系

在內(nèi)層球缺罩材料為紫銅的條件下，依次選用聚乙烯、鋁、鈦、鐵、銅、鉬、鉭、鎢作為外罩材料，進行數(shù)值模擬分析。圖3為桿式射流頭部速度、動能及內(nèi)罩壓力與外罩密度的關(guān)系曲線。

結(jié)合表2和圖3可知，隨著外罩金屬材料密度的增加，桿式射流頭部速度，射流整體動能及內(nèi)罩外表面所受爆轟波壓力均降低，呈負相關(guān)關(guān)系；當外罩材料為密度、沖擊阻抗較低的聚乙烯材料時，射流頭部速度、整體動能均獲取最大值，且長徑比適中，相對于其他金屬外罩所形成的桿式射流，內(nèi)層銅罩材料質(zhì)量利用率較高，形成射流的所有材料質(zhì)量均來自內(nèi)層銅罩，射流動能利用率較高。從這幾方面來看，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流對目標具有較佳的侵徹能力。

2.3 沖擊阻抗與桿式射流性能的關(guān)系

在聚能裝藥藥型罩層間界面處或外層與裝藥之間，有較多由裝藥爆炸產(chǎn)生的能量反射，該部分能量不能橫穿界面來形成射流，能量是以波的形式傳播的，不同的材料質(zhì)量對波能的轉(zhuǎn)換、吸收和反射不同，因而其阻抗不同。通過對藥型罩各層材料的聲阻抗或沖擊阻抗合理匹配可減小或消除材料各層界面處由爆轟力引起的能量反射或反沖，促使炸藥能量通過材料界面時，最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶畲鬀_量的高速射流。

根據(jù)阻抗匹配原理[7]，炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波從低阻抗介質(zhì)炸藥入射到高阻抗介質(zhì)紫銅界面時，入射的壓力波產(chǎn)生反射和透射沖擊波，根據(jù)文獻[3]得到復(fù)合藥型罩透射系數(shù)對單層罩透射系數(shù)的增大倍率公式見式(1)：

(1)

式中：t為透射系數(shù)增大倍率；R1為外罩阻抗；R0為炸藥阻抗；Rcu為內(nèi)罩銅阻抗。

利用Matlab軟件對該二次關(guān)系式進行圖線繪制，透射壓力增大倍率、射流頭部速度、內(nèi)罩壓力分別與外罩材料沖擊阻抗的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4(a)可得出，當外罩材料的沖擊阻抗(t)大于1.75倍單位沖擊阻抗時，相對于單層銅罩，透射系數(shù)增大倍率(t)隨著外罩材料沖擊阻抗的增大而減小，故內(nèi)層藥型罩所受透射沖擊波壓力也減小。當4.1>R1>1.1時，內(nèi)罩所受壓力大于單層銅罩條件下所受壓力，有利于提高射流頭部速度；當R1>4.1或R1<1.1，內(nèi)罩所受壓力小于單層銅罩條件下所受壓力，不利于提高射流速度。

由圖4可知，外罩材料的沖擊阻抗對射流頭部速度、內(nèi)罩壓力有相似的影響規(guī)律。外罩為金屬材料時，隨著外罩材料沖擊阻抗的減小，內(nèi)罩所受壓力及形成的射流頭部速度呈總體降低的趨勢。圖4(b)中外罩為低密度材料聚乙烯時，射流頭速度最高，原因是聚乙烯材料雖然沖擊阻抗較低，但其塑性、延展性較好，質(zhì)量較小，變形所吸收的能量遠遠小于金屬外罩變形所吸收的能量，雖然內(nèi)罩所受壓力較小，但炸藥爆炸大部分能量轉(zhuǎn)化為金屬內(nèi)罩動能，故速度、動能較高。

12μm時內(nèi)罩壓力與射流頭部速度的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，在外罩為金屬材料條件下，內(nèi)罩所受壓力與所形成射流頭部速度呈現(xiàn)正相關(guān)的規(guī)律，與圖4(a)分析結(jié)論一致，外罩材料的選取對破甲威力具有重要影響作用，所以要提高破甲威力，外層藥型罩盡量使用密度和硬度較小、延展性較好、沖擊阻抗較低的材料[8]。

3 試驗驗證

試驗選用聚乙烯/銅、鋁/銅復(fù)合藥型罩，采用先沖壓后車制的加工方法。鋁/銅復(fù)合藥型罩實物如圖6所示。

試驗裝藥采用B炸藥壓制而成。靶板采用直徑180mm的45#鋼錠，靶板1采用高50mm+50mm+100mm鋼錠疊摞而成，靶板2采用高50mm+100mm+100mm鋼錠疊摞而成，鋁/銅復(fù)合藥型罩侵徹靶板1，聚乙烯/銅復(fù)合罩藥型侵徹靶板2。侵徹試驗參數(shù)見表3，侵徹靶板后的正反面圖片如圖7所示。

靶板編號b/mmD1/mmD2/mmD3/mmq/mm12403426141972240281911224

注：b為炸高；D1為入孔1直徑；D2為入孔2直徑；D3為入孔3直徑；q為侵徹深度。

由表3和圖7可知，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流對鋼靶侵徹深度較鋁/銅桿式射流提高了13.7%,但平均開孔孔徑減小了22.9%?？梢娡鈨?nèi)罩厚度比為1∶2的聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流侵徹威力較好，開孔能力相對降低。與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

(1)利用LS-DYNA軟件，描述了聚乙烯/銅、鋁/銅、鈦/銅、鐵/銅、銅/銅、鉬/銅、鉭/銅、鎢/銅8種不同材料組合的復(fù)合桿式射流成型過程。從桿式射流動能、頭部速度、形態(tài)等方面分析得出使用聚乙烯材料作為外罩材料優(yōu)于其他金屬材料。

(2)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),當內(nèi)罩材料為紫銅時，外罩材料密度越大，桿式射流速度和動能越??；同時，外罩材料阻抗越大，桿式射流速度和動能越小,驗證了阻抗匹配原理的正確性。

(3)通過靜破甲試驗，與鋁/銅復(fù)合桿式射流破甲威力對比，聚乙烯/銅復(fù)合桿式射流破甲威力提高13.7%，開孔能力相對降低，平均開孔孔徑減小22.9%，驗證了數(shù)值模擬的可靠性。

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ExperimentalVerificationandNumericalSimulationonCompositeRod-typeJetMoldingandPowerPerformance

WANG Wei-zhan1, ZHAO Tai-yong1, CHEN Zhi-gang1,YIN Li-kui1, YANG Bao-liang2,ZHANG Xiao-zhong3, GUO Guang-quan4

(1. National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China, Taiyuan 030051，China;2.Xi′an Institute of Modern Control Technology,Xi′an 710065,China;3.Shanxi North Jindong Chemical Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000,China;4. Jinxi Industries Group Co., Ltd., Taiyuan 030051，China)

To clarify the performance of composite rod-type jet，eight kinds of composite ball imperfection covers with different materials, including polyethylene/copper, aluminum/copper, titanium/copper, iron/copper, copper/copper, molybdenum/copper, tantalum/copper and tungsten/copper, were designed, and three-dimensional numerical simulation of the forming process of rod-type jet was performed by LS-DYNA software, the power performance of the rod-type jet was analyzed, and the numerical simulation results were verified via static armor experiment. The results show that under the condition of keeping the inner cover material as red copper, the overall velocity of jet decreases with increasing the density of outer cover material, while the density of outer cover material increases with inner shell material is copper, and the kinetic energy of jet decreases with increasing the density of outer cover material. When outer cover is made of metal material, the greater the impact resistance of outer cover materials, the smaller the transmission pressure of the detonation wave in the inner cover, and the overall velocity and kinetic energy of the jet decreases with increasing the shock resistance of outer cover. By contrast, it is found that the overall velocity of polyethylene /Cu composite rod-type jet is the highest, the kinetic energy is the largest, and the armor is better, the aluminum/copper composite rod-type jet is the second. The experimental results of static armor show that the penetration depth of the steel/copper composite rod-type jet is better than that of the aluminum/copper composite rod-type jet, which is consistent with the numerical simulation results.

power performance; composite ball imperfection cover; impact resistance; numerical simulation;rod-type jet;shaped charge jet

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0093-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.018

2017-04-17；

2017-05-24

王維占(1990-)，男，博士研究生，從事彈藥工程與毀傷技術(shù)研究。E-mail:530056679@qq.com

趙太勇(1971-)，男，副教授，從事彈藥毀傷技術(shù)研究。E-mail:zs_991109@163.com