吉 慶，王志軍，伊建亞，董理嬴，湯雪志

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

環(huán)形射流是一種特殊結(jié)構(gòu)的線性聚能裝藥形式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)靶板的大孔徑毀傷[1]，因此考慮在破甲戰(zhàn)斗部的前端加裝一段能產(chǎn)生環(huán)形射流的切割裝置，構(gòu)成前級(jí)侵徹破孔，后級(jí)隨進(jìn)侵徹的串聯(lián)戰(zhàn)斗部，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效毀傷[2]，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[3-4]。

徐文龍等[5]提出了一種新型環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)，研究了藥型罩參數(shù)對(duì)射流穩(wěn)定性的影響。王成等[6]基于材料為鋁的環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)環(huán)形射流成型過(guò)程主要受裝藥長(zhǎng)徑比的影響，射流軸向速度與長(zhǎng)徑比成正比。劉宏杰等[7]對(duì)環(huán)形雙錐罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形雙錐角罩形成的射流更加細(xì)長(zhǎng)，頭部速度高且不易斷裂。傅磊等[8]通過(guò)對(duì)爆破型串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，消除了前級(jí)裝藥對(duì)后級(jí)侵徹的毀傷效應(yīng)。裴紅波等[9]對(duì)水和塑料構(gòu)成的特殊環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)觀察水射流的形成過(guò)程，得到了水射流的變化規(guī)律。Xu Wenlong等為了提高環(huán)形裝藥在硬質(zhì)目標(biāo)上的穿透直徑和深度，提出并驗(yàn)證了中心鉆孔的環(huán)形裝藥(BCASC)，發(fā)現(xiàn)最大壁厚θ的位置對(duì)通孔直徑和深度有更大的影響。隨著θ值的增加，穿透孔徑減小，而穿透深度逐漸增加。Zhang Zhifan等利用SPH方法比較了環(huán)形射流和普通射流穿透水下靶板的整個(gè)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)環(huán)形射流形成過(guò)程與EFP相似，并且其速度呈現(xiàn)出從尖端到尾部的線性分布，且趨勢(shì)減小。但環(huán)形射流的侵徹孔徑大于后者。

因此，本研究在王成等提出的新型環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)上，將藥型罩材料改為非金屬尼龍材料，運(yùn)用有限元軟件AUTODYN對(duì)環(huán)形尼龍射流進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了環(huán)形尼龍射流的成型和對(duì)靶板的侵徹過(guò)程，且利用正交優(yōu)化方法對(duì)聚能裝藥參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，最后對(duì)環(huán)形尼龍射流的應(yīng)用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1 仿真模型建立

1.1 模型參數(shù)

本研究所采用的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，R為藥型罩口徑，大小為100 mm，C為起爆半徑。首先，選取長(zhǎng)徑比為1∶1，藥型罩壁厚為2 mm，起爆半徑C=0，利用AUTODYN軟件建立初步仿真模型，采用二維歐拉算法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)空氣域施加Flow_Out邊界條件來(lái)模擬無(wú)限空氣域，有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 有限元模型示意圖

1.2 材料模型參數(shù)

在數(shù)值仿真計(jì)算中，聚能戰(zhàn)斗部殼體材料為Steel 4340，采用Linear狀態(tài)方程和Johnson Cook強(qiáng)度模型來(lái)描述殼體在高溫高壓下的材料變形；炸藥選用B炸藥，采用JWL狀態(tài)方程來(lái)描述其反應(yīng)過(guò)程，該方程可以描述炸藥在爆炸過(guò)程中的沖擊波傳播過(guò)程和爆轟產(chǎn)物飛散過(guò)程，狀態(tài)方程參數(shù)如表1；靶板材料為軋制均質(zhì)裝甲鋼(RHA)，采用shock狀態(tài)方程和Von Mises強(qiáng)度模型來(lái)描述其反應(yīng)過(guò)程，為了更加貼合實(shí)際情況，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)其設(shè)置失效和侵蝕模型；藥型罩材料為尼龍，采用Shock狀態(tài)方程和Von Mises強(qiáng)度模型。材料狀態(tài)方程EOS、密度ρ0等具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 B炸藥材料參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2 環(huán)形射流性能分析

2.1 射流成型

首先，采用1.1所建模型進(jìn)行初步仿真計(jì)算，起爆方式為中心點(diǎn)起爆(C=0)，圖3為不同時(shí)刻射流成型過(guò)程。

由圖3可知，當(dāng)聚能裝藥引信起爆后，爆轟波在炸藥內(nèi)快速傳播，10 μs后爆轟波開(kāi)始作用于藥型罩，最先受到擠壓為靠近對(duì)稱軸部分，即a點(diǎn)，藥型罩受到擠壓開(kāi)始向外翻轉(zhuǎn)，并向遠(yuǎn)離軸線方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)刻射流直徑偏粗，頭部速度比較低。隨著炸高的增加，到18 μs時(shí)，射流進(jìn)入拉伸階段，在速度梯度在作用下，射流沿著軸向拉伸，24 μs時(shí)環(huán)形射流直徑達(dá)到0.7D，射流橫向尺寸繼續(xù)減小，環(huán)形射流速度云圖如圖4所示。

圖3 不同時(shí)刻環(huán)形射流形態(tài)示意圖

圖4 環(huán)形射流速度云圖

由圖4可知，環(huán)形射流頭部和尾部具有較大的速度梯度，使得射流逐漸被拉伸。圖5為射流頭部和尾部速度曲線，10 μs時(shí)，爆轟波波陣面?zhèn)髦了幮驼猪敳课恢?，藥型罩材料被急劇加速?8 μs時(shí)射流頭部速度最高，為6 192 m/s，32 μs時(shí)環(huán)形射流頭部速度為5 284 m/s，出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，在速度梯度的作用下，射流塑形失穩(wěn)造成波動(dòng)表面振幅增大，導(dǎo)致射流頭部發(fā)生斷裂現(xiàn)象如圖4(b)，不利于對(duì)靶板的侵徹。圖6為射流動(dòng)能曲線，最高動(dòng)能為3.204 1×1011μJ，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為24.6 μs，此時(shí)射流長(zhǎng)度為46 mm，頭部位置為0.5倍炸高，說(shuō)明環(huán)形射流相比于聚能射流而言更容易被拉斷，也對(duì)炸高更為敏感。

圖5 射流速度曲線

圖6 射流動(dòng)能曲線

2.2 環(huán)形射流侵徹靶板分析

經(jīng)過(guò)以上對(duì)環(huán)形射流成型過(guò)程仿真計(jì)算，為了更加了解環(huán)形射流對(duì)靶板的侵徹過(guò)程和機(jī)理，在一倍炸高處放置 10 mm 厚靶板，材料選用軋制均質(zhì)裝甲鋼(RHA)。同時(shí)為了解決在侵徹過(guò)程中形成的網(wǎng)格畸變問(wèn)題，對(duì)靶板材料設(shè)置失效和侵蝕模型。在環(huán)形射流侵徹靶板過(guò)程中，炸藥、藥型罩和空氣域3種材料采用歐拉網(wǎng)格單元建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格單元建模，并且靶板與空氣和藥型罩材料間定義流固耦合算法求解。

圖7為環(huán)形射流侵徹靶板模型和侵徹結(jié)果，t=34 μs時(shí)環(huán)形射流開(kāi)始侵徹靶板，此時(shí)射流頭部速度可達(dá)到5 758 m/s，因此會(huì)在接觸點(diǎn)形成一個(gè)高溫、高壓、高應(yīng)變區(qū)域，可在靶板中產(chǎn)生沖擊壓力為16.75 GPa的應(yīng)力波，射流頭部開(kāi)始侵入靶板即為開(kāi)坑階段。由于靶板處于靜止?fàn)顟B(tài)，射流頭部撞擊靶板產(chǎn)生的壓力是侵徹過(guò)程中的最大值，撞擊靶板產(chǎn)生的沖擊波向靶板中傳播，射流在b點(diǎn)產(chǎn)生了很大的剪切應(yīng)力，從而達(dá)到環(huán)形射流切割靶板的效果。t=74 μs時(shí)，射流頭部速度受到靶板的影響而急速下降，隨著侵徹的加深，杵體開(kāi)始發(fā)揮作用，主要表現(xiàn)在對(duì)于c孔的沖擊，此時(shí)射流已經(jīng)基本完成侵徹過(guò)程，侵徹孔徑為99 mm，達(dá)到了一倍口徑。仿真結(jié)果表明環(huán)形尼龍射流有將靶板完全切割形成通孔的能力。

圖7 環(huán)形射流侵徹靶板過(guò)程示意圖

3 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

分別選用炸高(A)，藥型罩壁厚(B)，起爆半徑(C)和裝藥長(zhǎng)徑比(D)作為正交優(yōu)化因素，各因素以及對(duì)應(yīng)的水平如表3所示，采用L16(45)正交表來(lái)安排仿真方案，共計(jì)16組，如表4所示。

表3 因素水平表

表4 正交表

3.2 正交優(yōu)化結(jié)果分析

將未穿透靶板的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均記為0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分別對(duì)每次實(shí)驗(yàn)各因素同一水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果求和，再求出各因素各水平結(jié)果的平均值，記為均值1、2、3、4，通過(guò)平均值的最大數(shù)值減去最小數(shù)值即可得到各因素平均值的極差Rj，結(jié)果如表4所示。各個(gè)因素變化時(shí)判斷指標(biāo)的變化幅度可以通過(guò)極差大小來(lái)體現(xiàn)，因素的極差越大，其對(duì)指標(biāo)的影響也越大，也就越重要。因此，從極差來(lái)看，對(duì)環(huán)形射流侵徹靶板孔徑大小影響由主至次為：藥型罩壁厚→環(huán)形起爆半徑→長(zhǎng)徑比→炸高，圖8為正交優(yōu)化效應(yīng)曲線。

為了進(jìn)一步分析各因素對(duì)侵徹孔徑影響的顯著水平，采用方差分析進(jìn)行計(jì)算。A、B、C、D的偏差平方和分別記為SA、SB、SC、SD。根據(jù)表3和表4計(jì)算可得：SA=375.73，SB=17 546.13，SC=1 957.25，SD=2 128.43。誤差SE=1 976.93，各因素的自由度為fT=n-1=3，考慮比值：

F比=(SA/fT)/(SE/fE)

由上式計(jì)算可得：FA=0.19，F(xiàn)B=8.875，F(xiàn)C=0.99，F(xiàn)D=1.077，查閱F分布臨界值表，當(dāng)取顯著性水平a=0.25時(shí)[10]，F(xiàn)0.75(3，3)=2.36，即在可靠性有75%的分析下，F(xiàn)B大于2.36，說(shuō)明藥型罩壁厚對(duì)環(huán)形射流侵徹靶板口徑有顯著影響。

圖8 正交優(yōu)化效應(yīng)曲線

4 尼龍環(huán)形射流對(duì)ERA的沖擊起爆情況

目前，針對(duì)低密度射流對(duì)ERA沖擊起爆問(wèn)題，也已有了大量研究，發(fā)現(xiàn)低密度射流具有對(duì)ERA穿透而不引爆的能力，如尼龍、聚四氟乙烯、樹(shù)脂玻璃等，但是存在開(kāi)孔孔徑較小問(wèn)題。尼龍材料是由酰胺單體通過(guò)聚合而成的高分子化合物，分子主鏈上含有酰胺集團(tuán)，屬于結(jié)晶性樹(shù)脂，當(dāng)其受熱溫度升高時(shí)，其硬度并不隨之逐漸軟化，因此本研究利用環(huán)形射流大孔徑毀傷能力，研究環(huán)形尼龍射流對(duì)ERA的沖擊起爆情況。

帶殼裝藥尺寸為常用的2/4/2結(jié)構(gòu)[11-14]，徑向尺寸為200 mm，面板和背板材料為均質(zhì)裝甲鋼RHA，夾層裝藥為B炸藥，采用Lee-Tarver狀態(tài)方程來(lái)描述，為了觀察爆轟波在炸藥中的傳播過(guò)程，在夾層裝藥中設(shè)置高斯觀測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。經(jīng)過(guò)正交優(yōu)化計(jì)算可知，方案2、7和16具有將靶板完全切割形成通孔的能力，因此選擇以上3種方案對(duì)ERA進(jìn)行沖擊起爆研究，具體反應(yīng)度云圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力曲線如圖10和圖11所示。

圖9 帶殼裝藥觀測(cè)點(diǎn)設(shè)定示意圖

圖10 方案2、7、16對(duì)ERA沖擊起爆反應(yīng)度云圖

圖11 方案2、7、16監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力曲線

為了判斷數(shù)值模擬中夾層炸藥是否被沖擊起爆，可以根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)壓力是否大于B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa來(lái)看。從圖10可以看出方案2帶殼裝藥中夾層裝藥發(fā)生了爆轟現(xiàn)象，帶殼裝藥殼體破碎，形成的侵徹孔徑為70 mm，炸藥全部反應(yīng)，剩余外殼高速向外飛散，會(huì)對(duì)主射流產(chǎn)生極大地影響。由夾層裝藥反應(yīng)度云圖可以看到夾層裝藥反應(yīng)度達(dá)到了1。由圖11高斯點(diǎn)壓力變化曲線(a)可知，方案2距離被環(huán)形射流切割點(diǎn)最近的高斯點(diǎn)4的最大壓力達(dá)到了25.4 GPa，超過(guò)了B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，而越遠(yuǎn)離中心區(qū)域高斯點(diǎn)壓力也越大，出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)火增長(zhǎng)，反應(yīng)速率加大。

方案7夾層裝藥發(fā)生局部燃燒現(xiàn)象。由夾層裝藥反應(yīng)度云圖可以看到被環(huán)形射流切割掉的炸藥反應(yīng)度都達(dá)到了1，而未被切割部分有極少炸藥反應(yīng)度達(dá)到1，說(shuō)明炸藥已被點(diǎn)燃，但由圖11(b)可知，方案7在沖擊過(guò)程中沖擊區(qū)域向外擴(kuò)展的最大壓力為5.48GPa，且遠(yuǎn)離切割點(diǎn)的壓力越來(lái)越小，說(shuō)明炸藥并未由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟，這是由于夾層裝藥本身就是頓感炸藥，沖擊過(guò)程中炸藥反應(yīng)度雖高，但熱點(diǎn)較少且持續(xù)時(shí)間短，不足以引爆炸藥。沖擊過(guò)程結(jié)束后，夾層裝藥內(nèi)部壓力較低，面板和背板開(kāi)孔處向外側(cè)翹曲和變形，會(huì)對(duì)主射流產(chǎn)生一定的影響，但是效果比方案2和方案16要好。方案7形成的通孔直徑為78 mm，遠(yuǎn)大于聚能射流所形成的孔徑。

圖11中，方案16炸藥未被全部引爆，但與方案7不同的是距離被環(huán)形射流切割點(diǎn)最近的高斯點(diǎn)5的最大壓力達(dá)到了17.9 GPa，超過(guò)了B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，隨著時(shí)間的推移，夾層裝藥都將會(huì)被引爆。

綜上，環(huán)形尼龍所產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波強(qiáng)度僅為16.75 GPa，遠(yuǎn)小于金屬射流的沖擊波強(qiáng)度，初始加載會(huì)使炸藥壓縮鈍化，由于殼體的存在，前驅(qū)沖擊波引爆炸藥的能力大大減小，但如果初始載荷超過(guò)某一臨界值，炸藥就有被沖擊波引爆的可能。當(dāng)射流在介質(zhì)中侵徹時(shí)，射流頭部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變形區(qū)，炸藥能否被引爆取決于射流速度和變形區(qū)尺寸。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)環(huán)形尼龍射流成型和侵徹過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)形射流的最高速度可達(dá)到6 192 m/s，最高動(dòng)能點(diǎn)出現(xiàn)在0.5倍炸高處，說(shuō)明環(huán)形射流相比于聚能射流而言更容易被拉斷，即對(duì)炸高更為敏感。且環(huán)形尼龍射流具有將10 mm厚ERA靶板切割成通孔的能力，可作為串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級(jí)藥型罩材料來(lái)使用；

2) 通過(guò)對(duì)4個(gè)因素進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，從仿真結(jié)果來(lái)看當(dāng)A=0.5，B=2 mm，C=15 mm，D=1.2時(shí)，環(huán)形射流侵徹性能最優(yōu)；對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方差分析計(jì)算，得到在可靠性有75%的分析下，藥型罩壁厚對(duì)環(huán)形射流侵徹靶板通孔孔徑有顯著影響；

3) 通過(guò)對(duì)ERA的沖擊起爆研究，發(fā)現(xiàn)方案7夾層裝藥發(fā)生了局部燃燒現(xiàn)象，在沖擊過(guò)程中沖擊區(qū)域向外擴(kuò)展的最大壓力為5.5 GPa，小于B炸藥的臨界起爆壓力，且遠(yuǎn)離切割點(diǎn)的壓力越來(lái)越小，說(shuō)明炸藥并未由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟，形成的通孔直徑為78 mm，遠(yuǎn)大于聚能射流所形成的孔徑。