李旭東，尹建平，陳 杰

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

發(fā)散形環(huán)形切割裝置的數(shù)值模擬仿真

李旭東，尹建平，陳 杰

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

目前環(huán)形切割裝置產(chǎn)生的無論是射流還是EFP都不太穩(wěn)定，在飛行過程中由于空氣動(dòng)力都會(huì)導(dǎo)致侵徹體偏斜，靶板的侵徹達(dá)不到預(yù)期的穿孔效果。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種發(fā)散形的環(huán)形切割裝置，利用AUTODYN軟件，對(duì)這種環(huán)形切割裝置在不同發(fā)散角下進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真。仿真結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)散角度在7°左右時(shí)，可以達(dá)到最佳開孔效果，且比現(xiàn)有環(huán)形切割裝置開孔直徑大；侵徹過程中也不存在內(nèi)偏現(xiàn)象。

發(fā)散形裝置；環(huán)形切割；數(shù)值模擬；侵徹靶板本文引用格式：李旭東，尹建平，陳杰.發(fā)散形環(huán)形切割裝置的數(shù)值模擬仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):126-129.

由于現(xiàn)代艦艇內(nèi)有多個(gè)水密隔艙或其他艙室,單級(jí)即使能穿透艦艇的殼體,對(duì)艦艇整體的破壞能力有限。現(xiàn)有聚能串聯(lián)戰(zhàn)斗部的前級(jí)多使用相對(duì)較小的穿透孔徑能力的前級(jí)戰(zhàn)斗部,限制了隨進(jìn)彈丸的口徑和裝藥量。所以為了提高串聯(lián)戰(zhàn)斗部的威力,需要設(shè)計(jì)一種能侵徹大圓孔的前級(jí)戰(zhàn)斗部[1]。

王成[2]采用內(nèi)外壁微元及內(nèi)外裝藥質(zhì)量分別相等的方法設(shè)計(jì)了 W 型聚能裝藥戰(zhàn)斗部，吳成通過增加藥型罩內(nèi)壁厚或減小外壁厚使內(nèi)外壁質(zhì)量相等的質(zhì)量補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)等動(dòng)量原則的藥型罩。但是采用內(nèi)外壁等動(dòng)量的方法會(huì)導(dǎo)致內(nèi)外壁壓垮不同步，對(duì)侵徹體成型造成不良影響。對(duì)靶板的侵徹也會(huì)隨著侵徹深度的加深侵徹孔徑越來越小。

段嘉慶[3]提出的綜合等動(dòng)量與內(nèi)外壁壓垮同步的方案在一定程度上可以解決環(huán)形射流內(nèi)偏，但是形成的射流直徑偏小，容易斷裂和偏移。

本研究提出的發(fā)散形的環(huán)形切割裝置，對(duì)藥型罩和裝藥結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，當(dāng)藥型罩受到爆轟作用時(shí)，藥型罩內(nèi)外壁向中間壓垮，形成比較粗的射流，速度較大，在空氣動(dòng)力的影響下不容易斷裂和偏移[4]，隨著侵徹深度的增加不出現(xiàn)內(nèi)偏現(xiàn)象，而是周向擴(kuò)寬，切割出更大的孔徑。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為該結(jié)構(gòu)的二維剖面圖,發(fā)散角δ指殼體與中垂線之間夾角。環(huán)形切割器頭部直徑為D=120 mm。

圖1 發(fā)散形環(huán)形切割裝置剖面圖

藥型罩的設(shè)計(jì)如圖2所示，采用錐角為β=60°環(huán)錐形罩,藥型罩底部開口為34 mm，由罩頂?shù)秸值姿幮驼趾穸染€性變窄。

裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2，裝藥直徑為40 mm，藥型罩直徑為34 mm，裝藥長徑比為1.5。采用次口裝藥結(jié)構(gòu)，可以使藥型罩壓垮速度加快。與裝藥直徑和藥型罩直徑相等的裝藥結(jié)構(gòu)相比，這種裝藥結(jié)構(gòu)形成的侵徹體直徑更大，更加穩(wěn)定，侵徹效果更好[5]。

圖2 藥型罩及裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

起爆方式采用底部端面環(huán)形起爆，這樣設(shè)計(jì)的目地是因?yàn)榄h(huán)形起爆所產(chǎn)生的爆轟波陣面與罩壁的夾角減小，增大炸藥對(duì)罩體的作用效果使聚能罩獲得較大的壓垮速度和較小的壓垮角，在軸線上發(fā)生相互作用后產(chǎn)生了更高的壓力，使形成的桿式射流具有更大的軸向速度[6]。

2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

對(duì)這種發(fā)散環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)使用AUTODYN軟件建立有限元模型。為簡化計(jì)算，計(jì)算模型中不考慮殼體對(duì)射流成型的影響，僅考慮藥型罩、主裝藥和空氣3個(gè)因素，并且均采用Euler單元算法。為消除邊界效應(yīng)，在空氣邊界上添加“FLOW-OUT”邊界條件，其有限元模型如圖3所示。數(shù)值模擬中采用的單位制為mm-g-μs。

圖3 有限元模型圖

2.2 材料模型及參數(shù)的選擇

數(shù)值模型中的空氣狀態(tài)方程采用Ideal Gas描述;炸藥為B炸藥,采用JWL狀態(tài)方程描述;藥型罩材料為紫銅,靶板材料為45#鋼,狀態(tài)方程用Shock模型描述,強(qiáng)度方程用Johnson Cook模型描述,各模型的具體表達(dá)式如下:

deal Gas狀態(tài)方程

(1)

式中:V為理想氣體常數(shù);d為密度；e為比內(nèi)能；pshift為初始?jí)簭?qiáng)。其中V=1.4;d=0.001 225 g/cm3；pshift=0；e=0；

JWL狀態(tài)方程

(2)

式中:A,B,R1,R2,k為試驗(yàn)擬合參數(shù);V為比容;E為炸藥單位體積內(nèi)的內(nèi)能。其中A=1.68 GPa；B=4.2 GPa；R1=1.1；R2=0.34；

Johnson Cook 模型定義屈服強(qiáng)度為

(5)

(6)

紫銅的材料參數(shù)：密度ρ=8.968 g/cm3，A=0.000 9；B=0.002 92；C=0.025; 4340鋼的材料參數(shù)：密度ρ=7.83 g/cm3，A=0.007 92；B=0.005 1；C=0.014。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

使用AUTODYN軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)在不同發(fā)散角下的環(huán)形射流成型以及對(duì)靶板的侵徹效果進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。

3.1 環(huán)形射流成型

發(fā)散角δ分別選取0°，3°，5°，7°，10°，15°，進(jìn)行仿真模擬對(duì)比，藥型罩和裝藥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2中標(biāo)注。分別選取時(shí)間為0 μs，5 μs，9 μs，13 μs，17 μs，21 μs，25 μs 進(jìn)行計(jì)算，將不同發(fā)散角成型的效果圖進(jìn)行了對(duì)比，由于篇幅有限，僅對(duì)單側(cè)的二維圖形進(jìn)行截圖對(duì)比，如圖4所示。

圖4 相同時(shí)間不同發(fā)散角下侵徹體成型效果對(duì)比

由圖4可以看到，在5 μs時(shí)爆轟波傳到了罩頂，使藥型罩內(nèi)外壁同時(shí)沿著藥型罩的角分線壓垮。最后在21 μs的時(shí)候形成基本穩(wěn)定的侵徹體。不同發(fā)散角的環(huán)形切割裝置形成的環(huán)形侵徹體的頭部直徑和尾部直徑都不相同，在裝藥直徑相同的情況下，形成的環(huán)形侵徹體直徑逐漸增大。

下面通過對(duì)比不同發(fā)散角的環(huán)形切割裝置在21 μs時(shí)形成侵徹體的特性參數(shù)分析發(fā)散角對(duì)環(huán)形侵徹體的影響效果，如表1所示，長度單位為mm，速度單位為m/s。

表1 21 μs時(shí)不同發(fā)散角形成的侵徹體的特性參數(shù)

從表1可以得到，當(dāng)發(fā)散角為0°時(shí)，侵徹體頭部直徑小于尾部直徑，說明侵徹體出現(xiàn)了內(nèi)偏現(xiàn)象。從圖5可以明顯看到當(dāng)發(fā)散角從0°增大到7°時(shí)，環(huán)形侵徹體的頭部速度先減小后增大，當(dāng)發(fā)散角繼續(xù)增大時(shí)，頭部速度逐漸減小。頭部和尾部的速度差隨發(fā)散角的變化沒有明顯的規(guī)律。侵徹體頭部直徑和尾部直徑也隨著發(fā)散角的增大而增大，但是發(fā)散角由10°增大到15°時(shí)，頭部直徑和尾部直徑反而又減小。說明15°時(shí)射流穩(wěn)定性能相對(duì)較差。

圖5 21 μs射流頭部速度

3.2 環(huán)形射流侵徹靶板

環(huán)形切割裝置侵徹靶板三維有限元模型如圖6所示。

圖6 環(huán)形切割裝置侵徹靶板有限元模型

本研究選用10 mm的鋼板進(jìn)行數(shù)值模擬仿真。炸高定為30 mm。由于篇幅有限本文僅對(duì)發(fā)散角為7°時(shí)環(huán)形射流侵徹靶板過程和侵徹完成后靶板圖進(jìn)行展示。圖7為發(fā)散角為7°時(shí)環(huán)形射流侵徹靶板剖面圖，圖8為侵徹完成后靶板結(jié)果圖。

圖7 環(huán)形射流侵徹靶板剖面圖

圖8 侵徹完成靶板模型

表2記錄了發(fā)散角為0°，3°，5°，7°，10°，15°下的穿靶用時(shí)以及穿孔直徑D1和穿孔直徑與環(huán)形切割器裝置的頭部直徑的比值，時(shí)間單位為μs，長度單位為mm。

表2 不同發(fā)散角侵徹靶板的參數(shù)

從圖9可以明顯看到，隨著發(fā)散角度的增大穿孔直徑D1逐漸增大，10°時(shí)達(dá)到了最大穿孔直徑，可見發(fā)散角在一定范圍內(nèi)增大，形成的環(huán)形射流對(duì)靶板的切割孔徑也會(huì)逐漸增大。由圖7可以明顯看出穿孔直徑D1與環(huán)形裝置頭部直徑D的比值也是逐漸增大，10°時(shí)最大比值達(dá)到了0.92。而0°時(shí)比值僅有0.78。可見帶有發(fā)散角的環(huán)形切割裝置比普通環(huán)形切割裝置侵徹出更大的孔徑。

圖9 開孔直徑D1和裝置頭部直徑D比值曲線

由圖7也可看到射流侵徹靶板時(shí)不會(huì)隨著侵徹深度的增加而內(nèi)偏斜，而是向外擴(kuò)張，侵徹孔徑變大。

4 結(jié)論

當(dāng)發(fā)散角為7°時(shí)，形成的射流頭部速度最大，達(dá)到5 397 m/s。穿孔直徑達(dá)到108.06 mm，穿孔直徑與環(huán)形切割裝置的頭部直徑的比值達(dá)到0.9。與發(fā)散角為0°的現(xiàn)有環(huán)形切割裝置相比，這種帶有發(fā)散形的環(huán)形切割裝置具有以下優(yōu)點(diǎn): ① 環(huán)形射流速度梯度小，不容易被拉斷；② 侵徹靶板時(shí)環(huán)形射流不存在內(nèi)偏現(xiàn)象；③ 開孔效果比普通環(huán)形射流開孔效果好很多，且發(fā)散角為7°時(shí)開孔效果最佳。

[1] 李鵬飛，肖川，王利俠.環(huán)形EFP的形成和侵徹效應(yīng)[J]火炸藥學(xué)報(bào)，2008,31(3)：6-9.

[2] 王成，惲壽榕，黃風(fēng)雷.W型聚能裝藥射流形成及侵徹的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2003,24(4)：451-454.

[3] 段嘉慶,王志軍,賈耀魯,等.環(huán)形射流成型的設(shè)計(jì)改進(jìn)及數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2013,33(1):103-106.

[4] 荀揚(yáng)，晏麓暉，曾首義.聚能裝藥技術(shù)研究進(jìn)展綜述[J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2008,18(15)：50-56.

[5] 李成兵,裴明敬,沈兆武,等.起爆方式對(duì)桿式彈丸成型和穿甲的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào),2006,29(3):47-51.

[6] 吳晗玲.桿式射流形成的數(shù)值模擬研究[J].爆炸與沖擊，2008，28(1)：17-21.

(責(zé)任編輯 唐定國)

Numerical Simulation of Divergent Shaped Annular Cutting Device

LI Xu-dong, YIN Jian-ping, CHEN Jie

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

At present, either the jet or the EFP is produced by this kind of combat that is not quite stable. In the course of flight due to aerodynamics, it will lead to deviations occur, so that the penetration of the target plate does not achieve the desired perforation effect. This paper designs a divergent shaped ring cutting device, using the AUTODYN software, and the numerical simulation of the circular cutting device under different divergence angle is carried out. The simulation results show that when the divergence angle is about 7 °, the best opening effect can be achieved and is larger than that of the existing ring cutting device. Penalization process will not exist within the bias phenomenon.

divergence form；annular cutting；simulation；penetration target plate

2016-12-29；

2017-01-25 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11572291)

李旭東(1991—)，男，碩士研究生，主要從事戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)與高效毀傷技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.05.029

format:LI Xu-dong, YIN Jian-ping, CHEN Jie.Numerical Simulation of Divergent Shaped Annular Cutting Device[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):126-129.

TG413

A

2096-2304(2017)05-0126-04