爆轟載荷下三層藥型罩射流成型影響研究

李 昊，尹建平，王志軍，畢廣劍，陳 赟，崔海林

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國南方工業(yè)研究院， 北京 100089； 3.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102202)

1 引言

隨著各種裝甲防護(hù)技術(shù)的不斷提升，裝甲防護(hù)性能顯著增加，繼而對破甲彈藥的毀傷性能要求也隨之提高。聚能裝藥戰(zhàn)斗部作為反裝甲的主要?dú)考强烤勰苄?yīng)壓垮藥型罩，形成高速金屬射流對目標(biāo)形成毀傷[1]。單層藥型罩形成射流能量利用率低，侵徹效果較差。在藥型罩上增加不同材料的藥型罩，形成雙層或多層藥型罩，可增強(qiáng)破甲能力[2]。

藥型罩的內(nèi)層金屬是形成射流的主要部分，而杵體則主要由外層金屬組成。內(nèi)層采用密度大、塑性好、易于形成射流的材料，而外層采用密度小、阻抗低的材料，在保證內(nèi)層金屬質(zhì)量足夠形成侵徹射流的前提下，可降低藥型罩的整體密度，并使外層材料起到傳遞及增大壓力的作用[3]。

與傳統(tǒng)的單層藥型罩相比，雙層藥型罩能夠充分發(fā)揮難溶金屬的高密度優(yōu)勢和易溶金屬的高延展性優(yōu)勢。通過合理匹配不同材料，雙層藥型罩的戰(zhàn)斗部相比單層同一材料的藥型罩，質(zhì)量較小、射流頭部速度大[4-5]。合理匹配藥型罩各層材料的聲阻抗，可減少或消除材料各層界面處沖擊波的反射，促使炸藥能量通過材料界面時(shí)最大限度地將藥型罩壓垮形成高速射流[6]?？茖W(xué)合理地匹配藥型罩每層的厚度，能夠使其內(nèi)、外罩分別形成射流和杵體，形成頭部速度更高的射流，改善射流的侵徹性能，同時(shí)還能提高藥型罩昂貴金屬材料的利用率[7]。

鄭宇等[8]通過對雙層藥型罩內(nèi)外罩的聲阻抗匹配，尺寸和起爆過程對應(yīng)力波傳遞的影響研究，建立雙層藥型罩射流形成的理論模型；臧濤成[9]對多層藥型罩的特性進(jìn)行了理論分析，并通過試驗(yàn)證明鋁銅雙層藥型罩射流頭部速度及速度梯度均優(yōu)于單銅罩；沈慧銘[10]通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法，驗(yàn)證了變壁厚雙層藥型罩的性能優(yōu)于等壁厚雙層藥型罩。

本文主要通過數(shù)值模擬，在雙層藥型罩的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種三層藥型罩，研究鋁、銅、鎳3種材料組合下藥型罩的最優(yōu)排列組合，在此組合基礎(chǔ)上研究不同材料厚度比對射流成型的影響，并找出侵徹性能最好的三層藥型罩厚度比。

2 計(jì)算模型

三層藥型罩的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：戰(zhàn)斗部裝藥直徑80 mm，裝藥高度120 mm，錐角60°，殼體厚度2 mm，三層藥型罩總厚度為3 mm，起爆方式采用底部中心點(diǎn)起爆，聚能裝藥的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

利用AUTODYN軟件進(jìn)行數(shù)值建模與模擬計(jì)算，聚能裝藥為軸對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，建立二維軸對稱模型。射流成型過程用Euler算法進(jìn)行計(jì)算，建立一個(gè)空氣域，模擬真實(shí)狀況下的環(huán)境，劃分Euler網(wǎng)格大小為0.25 mm×0.25 mm，在空氣域邊界添加“FLOW OUT”邊界條件，消除爆轟產(chǎn)物反射的影響，計(jì)算單位選取mm-mg-ms。聚能裝藥及空氣域有限元模型如圖2所示。

圖1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 有限元模型示意圖

聚能裝藥數(shù)值模擬模型涉及的材料主要有炸藥、殼體、空氣、藥型罩，采用AUTODYN材料庫中的材料模型及參數(shù)，裝藥使用COMP B炸藥，殼體使用4340鋼，藥型罩材料為鋁、銅、鎳，具體材料模型及參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型及參數(shù)

為了能更好的分析對比不同厚度比組合下的射流成型過程，更加精準(zhǔn)地獲取射流的威力參數(shù)，在射流軸向方向設(shè)置10個(gè)高斯點(diǎn)，每個(gè)高斯點(diǎn)間隔20 mm，用于觀測射流狀態(tài)，如圖3所示。

圖3 高斯點(diǎn)分布示意圖

3 數(shù)值模擬

三層藥型罩采用外、中、內(nèi)三層藥型罩均為1 mm厚度來進(jìn)行射流成型分析。同時(shí)，設(shè)置壁厚相同的一組銅藥型罩和一組雙層藥型罩為對照組，將三層藥型罩與單層藥型罩、雙層藥型罩進(jìn)行分析對比。

1) 單層銅藥型罩。單層壁厚3 mm藥型罩的射流成型過程如圖4所示。

圖4 單層藥型罩射流成型過程示意圖

2) 雙層藥型罩。外層藥型罩鋁1.5 mm，內(nèi)層藥型罩銅1.5 mm的雙層藥型罩射流成型過程如圖5所示。

圖5 雙層藥型罩射流成型過程示意圖

3) 三層藥型罩。外層藥型罩鋁1 mm，中層藥型罩銅1 mm，內(nèi)層藥型罩鎳1 mm的三層藥型罩射流成型過程如圖6所示。

圖6 三層藥型罩射流成型過程示意圖

由從3種射流的成型過程可知，鋁-銅雙層藥型罩和鋁-銅-鎳三層藥型罩明顯比單層銅藥型罩成型性要好，拉伸長度大。雙層藥型罩的射流主要由內(nèi)層銅組成，外層鋁形成杵體；三層藥型罩的射流主要由內(nèi)層鎳形成，也有少部分銅形成射流，大都集中在射流末尾，外層鋁形成杵體，射流成型較好，有效提高外層材料的利用率，對侵徹目標(biāo)更加有利。

三層藥型罩在炸藥起爆后，爆轟波首先作用于炸藥相近且聲阻抗較小的外層罩上，然后再依次傳到聲阻抗較大的中、內(nèi)層罩上，作用在內(nèi)層罩上的壓力值大于作用在外層罩上的壓力值，因此增大了內(nèi)層罩的壓垮速度，進(jìn)而增大射流速度[11]。

4 射流成型結(jié)果分析

4.1 三層藥型罩材料組合對射流性能影響

為了研究3種材料排列組合對射流的影響，在保持聚能裝藥參數(shù)結(jié)構(gòu)一致，藥型罩的外罩、中罩、內(nèi)罩厚度均為 1 mm的厚度比的情況下，設(shè)計(jì)6組材料排列組合方案，具體方案如表2所示。

表2 材料組合方案

1) 射流速度分析。對于每組方案射流速度的對比分析，可通過觀察同一時(shí)刻射流的速度云圖進(jìn)行分析，可觀察到射流整體的速度分布[12]。6組不同材料組合50 μs射流成型速度云圖如圖7。

圖7 射流速度云圖

為獲取更準(zhǔn)確的速度數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置的高斯點(diǎn)進(jìn)行觀察。以方案A為例，調(diào)取AUTODYN中的高斯點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)作圖，如圖8。

圖8 高斯點(diǎn)速度圖

圖8表示不同高斯點(diǎn)在不同時(shí)刻的速度。選取50 μs時(shí)刻的射流作為不同方案的成型射流進(jìn)行對比分析，此時(shí)的射流頭部成型于第10個(gè)高斯點(diǎn)附近，因此選取每組方案10號高斯點(diǎn)的速度進(jìn)行對比。10組不同方案的射流頭部速度具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同方案下射流頭部速度(m/s)

由表中射流頭部速度數(shù)據(jù)分析知，當(dāng)內(nèi)層材料為鋁時(shí)，射流的頭部速度更快，能夠達(dá)到6 600 m/s左右，而銅或鎳做內(nèi)層材料時(shí)，射流頭部速度并無較大差異，大多為6 100 m/s左右。

2) 射流有效長度分析。炸藥起爆壓垮藥型罩后，在射流前部會形成高速的金屬射流，速度較高，是侵徹目標(biāo)的主要?dú)筮叺牧硪徊糠纸饘傩纬设企w，其速度較低，一般不到1 000 m/s，對侵徹沒有較大作用[13]。

以方案A為例，截取速度在1 000 m/s以上的部分進(jìn)行長度計(jì)算，獲取有效的射流長度，如圖9所示。

圖9 射流有效長度曲線

選取50 μs時(shí)刻的射流進(jìn)行有效長度計(jì)算，不同方案組合的具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同方案下射流有效長度(mm)

由表中不同方案有效射流長度分析可知，當(dāng)鋁為內(nèi)層材料時(shí)，射流的有效長度較其他組明顯增長，鋁作為中層材料時(shí)，比鋁為外層材料時(shí)略有增加，由此可發(fā)現(xiàn)密度低的鋁作內(nèi)層材料時(shí)，在爆炸載荷作用下，被拉伸的較長。

3) 射流總能量分析。射流的總能量越大，侵徹目標(biāo)的性能越好，選取總能量最高的組合方案，可以對比出最優(yōu)的三層藥型罩厚度比結(jié)構(gòu)，因此總能量是衡量射流侵徹性能的重要因素。以方案A為例，利用AUTODYN軟件查看各藥型罩材料的能量，調(diào)用相關(guān)的時(shí)間能量圖，可以獲取對應(yīng)時(shí)刻下各材料能量值，具體如圖10所示。

圖10 射流中不同材料能量隨時(shí)間變化曲線

將50μs時(shí)刻的3種材料能量相加，可得出射流的總能量，各組方案的射流總能量如表5所示。

表5 不同方案下射流總能量(kJ)

由表5中數(shù)據(jù)可知：鋁作為外層材料時(shí)，射流的總能量較其他方案高，當(dāng)鋁作為內(nèi)層材料時(shí)，射流的總能量較其他組明顯減少。

以上對仿真結(jié)果的分析可知：方案D的射流頭部速度最高，方案F的射流有效長度最長，方案A的總能量最大。同時(shí)由于射流的有效部分是由內(nèi)層藥型罩組成，雖然方案A較其他方案的速度和有效長度較低，但其射流的有效部分主要是密度大的鎳組成，總能量較其他方案為最高，射流的侵徹性能最好。綜上所述，三層藥型罩材料組合最優(yōu)的為方案A，即應(yīng)當(dāng)按照由外到內(nèi)依次為鋁、銅、鎳的排列方式。

4.2 三層藥型罩厚度比對射流性能影響

通過上文研究，證明了藥型罩材料采用方案A時(shí)，射流性能最好，因此在三層藥型罩材料排列組合由外到內(nèi)為鋁、銅、鎳的基礎(chǔ)上，研究三層藥型罩最優(yōu)厚度比，共建立10組方案，藥型罩總厚度為3 mm，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)不變，僅改變藥型罩厚度比。10組方案如表6所示。

表6 材料厚度比方案

1) 射流速度分析。10組方案在50 μs時(shí)刻的射流速度云圖如圖11所示。

圖11 射流速度云圖

由圖11可以看出，隨著外層鋁材料所占比例的增加，射流頭部速度和有效長度也有所增加，具有較好的拉伸成型性和相對均勻的速度梯度分布。

為獲取更為準(zhǔn)確的頭部速度數(shù)據(jù)，選取50 μs時(shí)刻的射流作為不同方案的成型射流進(jìn)行對比分析，選取每組方案的10號高斯點(diǎn)的最高速度進(jìn)行對比。10組不同方案的射流頭部速度具體數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 不同方案下射流頭部速度(m/s)

由表7中射流頭部速度數(shù)據(jù)分析知，隨著外層藥型罩厚度增加，射流頭部速度也隨之增加，在外層藥型罩厚度比最大時(shí)，射流頭部速度達(dá)到最高；當(dāng)外層藥型罩厚度保持不變，逐漸增加中層藥型罩的厚度時(shí)，射流頭部速度有較小幅度的增加；當(dāng)分別保持中層、內(nèi)層藥型罩厚度不變，增加外層藥型罩厚度，射流頭部速度也會增加；說明影響射流頭部速度的關(guān)鍵是外層鋁藥型罩的厚度。

2) 射流有效長度分析。選取50 μs時(shí)刻的射流進(jìn)行有效長度計(jì)算，不同方案組合的具體數(shù)據(jù)如表8所示。

由表8中不同方案有效射流長度分析可知，隨著外層藥型罩厚度增加，射流的有效長度增加；當(dāng)外層藥型罩厚度保持不變時(shí)，射流有效長度基本保持不變；外層藥型罩厚度不變時(shí)，隨著中層藥型罩厚度增加，內(nèi)層藥型罩厚度減少，射流有效長度僅有略微提升，并不能夠有效增加射流的長度；分別保持中層、內(nèi)層藥型罩厚度不變，增加外層藥型罩的厚度，射流的有效長度則會顯著增加。

表8 不同方案下射流有效長度(mm)

3) 射流總能量分析。分析射流的總能量，現(xiàn)將50 μs時(shí)刻的3種材料能量相加，即可得出此時(shí)射流的總能量，各組方案的射流總能量如表9所示。

表9 不同方案下射流總能量(kJ)

由表9中數(shù)據(jù)知：當(dāng)外層藥型罩厚度保持不變時(shí)，增加中層藥型罩厚度，射流的總能量也隨之增加，能量值增加較少；當(dāng)外層藥型罩厚度增加時(shí)，射流的總能量整體保持增長的趨勢，且能量值增加較快；當(dāng)外層藥型罩厚度占比最大時(shí)，射流的總能量也達(dá)到最大，射流性能最好，即藥型罩材料厚度比為4/1/1的結(jié)構(gòu)下，總能量最大。

4.3 10號方案與單層、雙層藥型罩對比分析

綜合以上對于射流的速度、有效長度以及總能量的對比分析，在10組方案中得到三層藥型罩最優(yōu)方案為10號方案?，F(xiàn)將該組方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)與單層銅藥型罩、雙層鋁-銅藥型罩進(jìn)行對比。單層藥型罩為3 mm銅，雙層藥型罩為1.5 mm的鋁和1.5 mm的銅，聚能裝藥整體結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持一致。

3種對比方案都選取50 μs時(shí)刻的射流，進(jìn)行參數(shù)對比，其相關(guān)參數(shù)如表10所示。

表10 3種藥型罩射流成型參數(shù)

由表10中數(shù)據(jù)可知，三層藥型罩中的10號方案，與單層銅藥型罩相比，射流頭部速度提升15.91%，有效長度增加15.28%，總能量提高26.61%；與雙層鋁-銅藥型罩相比，射流頭部速度提升3.71%，有效長度增加2.79%，總能量提高10.24%。

5 結(jié)論

1) 經(jīng)過6組不同材料組合方案的仿真結(jié)果分析表明，三層藥型罩由外到內(nèi)依次為鋁、銅、鎳組合結(jié)構(gòu)，裝藥形成射流總能量最大。

2) 射流的頭部速度、有效長度以及總能量隨外層藥型罩厚度增加而顯著增大。

3) 三層藥型罩厚度比結(jié)構(gòu)為4/1/1時(shí)，裝藥形成的射流具有相對較好的綜合威力性能。