新型復合藥型罩設計研究

李學嶺

摘 要：文章介紹了復合藥型罩的優(yōu)點，設計了一種復合藥型罩，運用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元軟件對藥型罩射流成型進行了仿真，將單金屬藥型罩與復合藥型罩射流成型進行對比，驗證復合藥型罩優(yōu)越性。

1 引言

復合藥型罩就是由不同性能的金屬或合金按著藥型罩體不同結(jié)構(gòu)部位的性能要求復合而成的藥型罩。與傳統(tǒng)的單金屬藥型罩相比，其能量轉(zhuǎn)換與吸收機制更合理，化學能的利用率更充分，破甲性能更優(yōu)越，造價也相對低廉，具有廣泛的開發(fā)應用前景。

2 研究目的

聚能裝藥破甲彈的射流是由藥型罩在炸藥爆轟作用下產(chǎn)生的高溫、高壓、高速質(zhì)量流，藥型罩性能直接影響射流質(zhì)量，如射流密度、射流速度和連續(xù)射流長度等，是決定聚能裝藥破甲彈威力的關(guān)鍵因素之一。

聚能裝藥破甲彈藥型罩材料有兩個研究方向，即單金屬材料和多相復合材料。

單金屬藥型罩由于爆轟波作用于表面時，其反射較為嚴重，因而爆轟波能量不能被充分轉(zhuǎn)化為金屬破甲射流的動能，能量轉(zhuǎn)化效率低。要想增大射流的長度就必須增大射流的速度梯度，而射流速度梯度的極大提高是很難用單金屬藥型罩得以解決的。

復合材料制品將不同性能的金屬或合金按照藥型罩的設計符合來發(fā)揮綜合優(yōu)勢。

3 數(shù)值模擬

3.1 計算模型

鉬作為難熔金屬中的一種，具有高聲速和高密度等特點，是制造破甲藥型罩的另一理想材料，已在穿甲彈等軍工產(chǎn)品中得到實際應用。

本文采用鉬和紫銅混合而成的藥型罩，為減小運算數(shù)據(jù)，采用小口徑裝藥。如圖示，在紫銅藥型罩頂端放置一塊鉬材料制成的φ4.5mm、高度2mm圓板，采用JH-2裝藥，裝藥口徑50mm，裝藥高度65mm，紫銅藥型罩壁厚0.5mm，錐角60°。

圖1 復合藥型罩戰(zhàn)斗部三維剖面圖

3.2 材料模型

材料模型主要包括材料的狀態(tài)方程、強度模型及失效模型。本次仿真共涉及藥型罩、炸藥、空氣等4種材料。在研究高壓下固體中激波傳播時，需要考慮材料的狀態(tài)方程，材料的狀態(tài)方程關(guān)系到材料壓力、密度和熱力學參數(shù)，反映材料的體積特性。由于破甲彈射流的形成以及靶板的毀傷過程涉及大變形，因此破甲彈藥型罩和靶板材料模型均采用具有彈塑性屬性的J-C模型。

利用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元軟件進行仿真分析，根據(jù)仿真模型的對稱性只建立了四分之一模型，并在對稱邊界面上施加對稱約束，在空氣自由邊界面上施加非反射邊界約束。通過網(wǎng)格劃分建立仿真模型。模型a中鉬材料劃分了1200個實體單元，銅材料劃分了4880個實體單元；模型b中銅材料劃分了4880個實體單元，如下圖示。模擬過程中采用ALE算法進行射流的仿真模擬，采取端面中心點起爆方式，建模時，采用cm-g-us-k為單位進行仿真模擬。

4 仿真結(jié)果分析：

4.1 射流形成過程對比

圖3中a）和b）為兩種狀態(tài)藥型罩射流形成過程。對比a）和b）可知，由于藥型罩結(jié)構(gòu)不同，復合藥型罩射流成型時間明顯低于銅的單金屬藥型罩；在32us時，復合藥型罩形成射流長度已達到12.5cm，單金屬藥型罩形成射流長度已達到8.8cm。

4.2 靜態(tài)觀測點分析

4.2.1 靜態(tài)觀測點設置

從藥型罩底端沿軸線向下每隔5cm截取一個靜態(tài)觀測點如圖4所示。在藥型罩的壓垮過程中，靜態(tài)觀測點不會隨著材料的運動而運動，可以清晰的觀察材料的速度變化。

4.2.2 運動速度對比

由圖5可知，A觀測點在8us時已經(jīng)觀測到復合藥型罩射流速度，其最大速度為8932m/s；在9us時觀測到單金屬藥型罩射流速度，其最大速度為6120m/s 。同時，復合藥型罩形成射流速度在圖中A觀測點速度已達最大，單金屬藥型罩在圖中B觀測點速度最大。

5 結(jié)論

本文提出了一種簡單結(jié)構(gòu)的復合藥型罩——在普通藥型罩頂端加裝一塊鉬材料制成的圓板；通過ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件分析復合藥型罩與單金屬藥型罩射流形成的情況，得出了如下結(jié)論：

1）復合藥型罩形成射流時間較單金屬藥型罩形成射流時間快；

2）復合藥型罩形成射流長度較單金屬藥型罩形成射流長度長；

3）復合藥型罩形成射流速度較單金屬藥型罩形成射流速度大。

參考文獻：

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