藥型罩形狀對側(cè)向環(huán)形射流性能的影響

曹 濤，顧文彬，劉建青，王振雄，徐景林，劉 欣

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藥型罩形狀對側(cè)向環(huán)形射流性能的影響

曹 濤，顧文彬，劉建青，王振雄，徐景林，劉 欣

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京，210007）

為優(yōu)選出利于環(huán)形侵徹的藥型罩形狀，設(shè)計了4種簡單幾何形狀藥型罩，對環(huán)形射流成型與侵徹過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：楔形罩射流形態(tài)優(yōu)于橢圓形罩，大錐角聚能射流最大拉伸長度優(yōu)于小錐角，但頭部速度相對較低；對于90°和60°等壁厚楔形罩，錐角較大時射流獲得的總動能較大，但有效動能不及小錐角藥型罩，有效動能比分別為69%和81%。研究結(jié)果為側(cè)向環(huán)形聚能切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

藥型罩；形狀；環(huán)形射流；數(shù)值模擬；有效動能

藥型罩的形狀主要分為簡單幾何形狀、復(fù)雜幾何形狀、組合幾何形狀3類[1]，不同的罩型結(jié)構(gòu)和參數(shù)對射流的形態(tài)、速度梯度、最大拉伸長度等有著至關(guān)重要的影響。目前國內(nèi)外開展了大量關(guān)于藥型罩形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究，S.V.Fedorov[2]將半球形變壁厚藥型罩與圓錐罩的射流頭部速度和侵徹能力做了數(shù)值模擬對比研究；Manfred held[3]借助X光高速攝影技術(shù)研究了圓錐形藥型罩錐角和壁厚等結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流破甲深度的影響；李磊等[4]研究了雙錐型藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流成型與侵徹性能的影響。

側(cè)向環(huán)形聚能切割器在串聯(lián)戰(zhàn)斗部、應(yīng)急救援、逃生、爆破、拆彈、反恐行動等方面具有廣泛應(yīng)用[5]。針對側(cè)向環(huán)形聚能切割器的特點，Wang C等[6]根據(jù)等動量原則設(shè)計了能夠形成軸向環(huán)形射流的藥型罩；Lei Fu等[7]對串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級環(huán)形聚能切割器截面形狀進(jìn)行了設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化。上述研究為側(cè)向環(huán)形聚能切割器的設(shè)計提供了重要參考。但對于側(cè)向環(huán)形聚能裝藥不同藥型罩形狀對環(huán)形射流性能的影響研究，國內(nèi)外還未見到相關(guān)報道。本研究在實炸試驗的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬研究大、小錐角楔形罩、變壁厚楔形罩以及橢球形罩對環(huán)形射流性能的影響，并從所設(shè)計的藥型罩結(jié)構(gòu)當(dāng)中遴選出利于環(huán)形射流侵徹的藥型罩形狀。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值模擬

1.1 藥型罩結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對側(cè)向環(huán)形切割器藥型罩加工工藝復(fù)雜的特點，本研究設(shè)計了4種典型的簡單幾何形狀藥型罩，其結(jié)構(gòu)對比如表1所示。

表1 不同形狀藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1 Structual parameters of liners with different shapes

表1中藥型罩口寬均為32mm，罩壁厚2.2mm。其中，橢圓形罩（1#）短軸32mm，長短軸比1.5。變壁厚藥型罩（4#）頂部厚度減小1/3，頂部到底部均勻變化。4種不同形狀的藥型罩應(yīng)用于相同的環(huán)形裝藥中，裝藥寬度40mm，裝藥高度72.8mm，切割器口徑200mm。

1.2 建模說明與材料模型

根據(jù)上述4種不同形狀藥型罩，建立有限元模型。模型由炸藥、金屬藥型罩、空氣、上靶和下靶5部分構(gòu)成，均采用solid164三維實體單元，暫不考慮殼體的影響。環(huán)形金屬藥型罩（3#）模型如1所示。

圖1 環(huán)形藥型罩（3#）模型圖

建模時先對聚能裝藥截面進(jìn)行二維映射網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行三維拉伸并劃分網(wǎng)格，炸藥、藥型罩和空氣采用歐拉網(wǎng)格，靶板采用拉格朗日網(wǎng)格。為了防止單元大變形引起計算終止問題，采用多物質(zhì)ALE算法。兩塊靶板之間設(shè)置面面接觸，空氣域外圍設(shè)置透射邊界。具體材料參數(shù)[8]如下。

裝藥采用B炸藥，用高能炸藥材料模型High _explosive_burn描述，炸藥爆轟過程采用燃燒反應(yīng)率乘以高能炸藥的狀態(tài)方程來控制炸藥化學(xué)能的釋放。爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程選用JWL狀態(tài)方程，其形式為：

式（1）中：1為爆壓；0為單位體積炸藥內(nèi)能；為相對體積；1、1、1、2、是表征炸藥特性的常數(shù)。具體見表2。

表2 B炸藥材料參數(shù)

Tab.2 Material parameters of Comp.B

純鐵藥型罩具有密度大、氣化溫度高且經(jīng)濟(jì)實用的優(yōu)點，采用Steinberg材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程模擬。材料參數(shù)具體見表3。

表3 純鐵藥型罩材料參數(shù)

Tab.3 Material parameters of steel liner

空氣采用空物質(zhì)模型，與Gruneisen狀態(tài)方程連用，它可以評估材料的失效以及熱效應(yīng)，對流體而言，偏剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率關(guān)系如式（2）：

式（2）中：表示流體粘度。如果流體承受剪應(yīng)力，流體就會產(chǎn)生形變。

45#鋼靶板采用Johnson-cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程。Johnson-cook材料模型采用乘積關(guān)系描述應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度對應(yīng)力的影響關(guān)系，其具體形式見式（3）：

表4 鋼靶板材料參數(shù)

Tab.4 Material parameters of steel target

1.3 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比

起爆網(wǎng)絡(luò)成功起爆后，上靶被完全切透，上靶中心圓餅被拋擲出距爆炸點20m以外。下靶崩裂成7塊，如圖3所示。上靶切口處具有明顯射流殘留物，說明上靶圓洞形成為聚能射流侵徹所致。下靶崩裂則由射流與爆轟產(chǎn)物共同作用導(dǎo)致。為了深入認(rèn)識環(huán)形射流的侵徹能力，取4個起爆點位置及相鄰起爆點之間對稱位置作為侵徹深度觀察點，測得其侵徹深度，如表5所示。下靶平均侵徹深度為8.8mm，即環(huán)形切割器侵徹深度為28.8mm。數(shù)值模擬等比例模型侵徹均深為26.6mm，相對誤差7.6%，說明數(shù)值模擬較為準(zhǔn)確地反映了環(huán)形切割器侵徹過程。

圖2 環(huán)形切割器試驗設(shè)置圖

圖3 下靶侵徹后效

表5 觀察點侵徹深度

Tab.5 Penetration depth in observing point

2 不同罩型結(jié)構(gòu)射流性能對比

2.1 橢圓形罩與楔形罩射流形態(tài)對比

自起爆點發(fā)出的爆轟波在環(huán)形聚能裝藥中傳播，在距離起爆點不同圓心角截面上環(huán)形射流成型規(guī)律不同[5]。為簡化問題，假設(shè)切割器采用頂部中心線起爆，不同截面處射流成型狀況一致，則環(huán)形射流任意截面射流成型狀況能夠反映藥型罩形狀對環(huán)形射流性能的影響。側(cè)向環(huán)形聚能射流在=23μs時刻，射流形態(tài)對比如圖4所示。

圖4 相同時刻射流形態(tài)對比

由圖4可以看出3種楔形罩射流形態(tài)較為一致，射流和杵體形狀清晰可見，兩翼出現(xiàn)輕微不對稱性，射流細(xì)長。相反橢圓形罩射流短粗，形態(tài)類似“射彈”。造成這種差異的原因在于橢圓形罩與楔形罩射流形成機(jī)理不同。楔形藥型罩在受到爆轟波超壓作用時，其受力方向可簡化為垂直于罩壁表面，如圖5（a）所示。兩壁罩單元沿罩面法線方向運動并發(fā)生相互擠壓碰撞，罩內(nèi)側(cè)材料相對于碰撞點向下運動形成射流，外側(cè)材料相對于碰撞點向上運動形成杵體。橢圓形藥型罩承受的爆轟波壓力沿罩壁法線方向擠壓藥型罩，如圖5（b）所示。其變形分為兩個過程：即向內(nèi)收縮與頂部翻轉(zhuǎn)過程。罩單元受到爆轟波作用后沿罩壁法線方向的運動造成藥型罩向內(nèi)擠壓收縮，藥型罩體積變小，密度增大。罩頂部與爆轟波波陣面平行并且首先受到?jīng)_擊，其變形位移最終超過兩側(cè)罩材料，出現(xiàn)頂部材料翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖5 不同藥型罩壓垮受力分析

2.2 射流長度隨時間變化

根據(jù)定常理想不可壓縮流體力學(xué)破甲理論[1]，射流破甲深度可由式（4）確定：

式（4）中：l為射流長度；ρj和ρt分別為射流和靶板的密度。定常理論表明：在藥型罩和靶板材料一定的情況下，射流破甲深度P與射流長度l成正比。不同形狀藥型罩形成射流拉伸過程中射流長度變化如圖6所示。

2.3 射流頭部速度隨時間變化

定常理想不可壓縮流體力學(xué)破甲理論認(rèn)為射流破甲深度與射流速度無關(guān)，這與真實情況不符[9]。實際上當(dāng)射流速度小于一定值v（破甲臨界速度）時，靶板強(qiáng)度的作用體現(xiàn)得很明顯。定常理論不能準(zhǔn)確預(yù)測靶板侵徹深度?？紤]靶板強(qiáng)度作用的射流微元破甲深度可由式（5）確定：

式（5）中：li為破甲前射流單元長度；K為由試驗確定的系數(shù)；ρj和ρt分別為射流和靶板的密度；vj為射流微元速度。式（5）表明射流破甲深度不僅與射流微元長度li有關(guān)，也隨著射流速度vj的增大而增大。實際上射流破甲主要依靠射流動能，速度越大，射流能量密度越大，侵徹深度自然增大。射流頭部最先接觸靶板并“開坑”，其速度一定程度上能反映射流的動能。圖7顯示了射流頭部速度隨時間的變化。從圖7中可以看出，3種楔形罩聚能射流頭部速度在爆轟波作用于藥型罩后上升沿很短，射流很快形成并達(dá)到最大速度，此后保持速度基本不變。相比較而言，橢圓形罩射流頭部速度上升較緩。對比射流頭部速度發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減小藥型罩頂部厚度有利于提高射流速度，錐角增大時射流速度下降，橢圓形藥型罩形成射流速度偏低。

2.4 射流有效動能

通過觀察射流拉伸過程和分析射流頭部速度變化，可知楔形罩結(jié)構(gòu)要優(yōu)于橢圓形罩。但是對于3種楔形罩結(jié)構(gòu)，射流頭部速度較大時最大拉伸長度偏小，無法直接比較3種罩型結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，尋找更為本質(zhì)的指標(biāo)成為側(cè)向環(huán)形聚能切割器藥型罩形狀優(yōu)化的關(guān)鍵所在。在靶板材料一定的情況下，射流破甲主要依靠射流自身的動能。但是射流動能越大，其侵徹能力也并不一定越強(qiáng)。這是因為射流存在速度梯度，處于射流尾端的微元速度已經(jīng)低于射流臨界破甲速度v，其對靶板的破甲作用已經(jīng)微乎其微。因此射流破甲能力主要依賴射流有效長度的動能，稱為有效動能。射流有效長度是指射流微元速度大于臨界破甲速度的微元長度總和。為了獲得射流有效動能，需要對有限元結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的編程處理。通過對射流單元信息的深度挖掘，可得到射流單元速度沿射流長度方向的分布情況。=23μs時刻，4種罩型結(jié)構(gòu)形成射流長度方向的速度分布如圖8所示。

由圖8可以看出，對于楔形罩，射流長度方向速度分布可分為3段：射流段、過渡段、杵體段。射流段速度較高，速度梯度逐漸降低，射流頭部位置速度達(dá)到最大，未出現(xiàn)明顯頭部射流堆積現(xiàn)象。過渡段長度較短，但射流速度梯度大，是連接射流與杵體的部分。過渡段雖然速度梯度大，在實際計算中發(fā)現(xiàn)射流最先斷裂的位置并不一定發(fā)生在過渡段，這是因為過渡段射流單位長度質(zhì)量更為集中，在拉斷之前射流頸縮延緩了斷裂。杵體段射流速度較低，速度梯度較小。橢圓形罩射流未出現(xiàn)明顯分段特征，隨著射流長度的增加，射流速度變化逐漸變緩，在射流頭部位置達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 射流長度方向速度分布

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，臨界速度v取0.2cm·μs-1，有效長度l、有效動能K對比如表6所示。

表6 射流有效長度、有效動能對比

Tab.6 Comparison of jet effective length and effective kinetic energy

3 結(jié)論

（1）針對所設(shè)計的等壁厚楔形罩進(jìn)行了實炸試驗，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬吻合較好，說明可以通過數(shù)值模擬對比研究不同罩型結(jié)構(gòu)射流性能。

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The Effects of Liner’s Shape on Performance of Lateral Annular Jet

CAO Tao，GU Wen-bin，LIU Jian-qing ,WANG Zhen-xiong , XU Jing-lin , LIU Xin

(College of Field Engineering , PLA Univ. of Sci. & Tech.，Nanjing，210007)

In order to optimize the shapes of the liner facilitating annular penetrating , four simple geometric liners were designed, and the process of annular jet formation and penetration were simulated by ANSYS/LS-DYNA . The results shows that the wedgy liner is better than the oval in jet form , and the maximum stretching length of jet formed by the large cone angle liner is better than that of the small , but the head velocity is relatively low .For cone of 90°and 60°wedgy liners ,which own same wall thickness ,liner with bigger cone angle obtained more total kinetic energy, but effective kinetic energy are in the opposite case, as a result ,the ratio of effective kinetic energy are 69% and 81%. The results of the study provided a reference for the design of the lateral annular shaped charge cutter.

Liner；Shape；Annular jet；Numerical simulation；Effective kinetic energy

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.06.004

1003-1480（2017）06-0014-05

2017-08-15

曹濤（1992 -），男，在讀碩士研究生，主要從事爆炸作用機(jī)理和戰(zhàn)斗部設(shè)計研究。

總后基建營房部重點課題（KYGYZXJK0914）。