截頂輔助雙層藥型罩射流成型影響研究

李 昊，尹建平，畢廣劍，楊 東，馬俐康

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.河南北方紅陽(yáng)機(jī)電有限公司， 河南 南陽(yáng) 474650;3.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，太原 030027)

1 引言

聚能裝藥戰(zhàn)斗部是當(dāng)今破甲彈最常用的戰(zhàn)斗部，可通過(guò)聚能效應(yīng)，壓垮藥型罩，形成高溫、高壓、高速且穿透力強(qiáng)的侵徹體，對(duì)裝甲進(jìn)行毀傷。為了提高聚能射流的速度以及侵徹能力，在截頂藥型罩結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合雙層藥型罩，設(shè)計(jì)一種截頂輔助雙層藥型罩，即去掉藥型罩頂端處藥型罩，加上輔助藥型罩，剩余藥型罩部分設(shè)計(jì)為雙層藥型罩的結(jié)構(gòu)，可以有效提高射流速度。目前，針對(duì)截頂輔助藥型罩的研究，主要對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)超聚能射流的形成機(jī)理進(jìn)行深入研究，提高射流速度和動(dòng)能；對(duì)雙層藥型罩的研究主要在于內(nèi)外罩的聲阻抗匹配及材料的選擇使用，來(lái)提高射流的毀傷能力。

本文結(jié)合截頂輔助藥型罩和雙層藥型罩結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種截頂輔助雙層藥型罩，針對(duì)藥型罩錐角、輔助藥型罩厚度以及輔助藥型罩材料3個(gè)因素，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析各因素對(duì)射流性能的影響規(guī)律，并得出最優(yōu)方案。

2 理論模型

2.1 幾何模型

本文中截頂輔助雙層藥型罩的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：戰(zhàn)斗部裝藥口徑100 mm，裝藥長(zhǎng)度150 mm，殼體厚度3 mm，輔助藥型罩直徑為40 mm，藥型罩總壁厚2 mm，依照相關(guān)文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)為外罩為鋁，內(nèi)罩為銅的雙層藥型罩結(jié)構(gòu)，內(nèi)外罩均為 1 mm厚，藥型罩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 截頂輔助雙層藥型罩結(jié)構(gòu)圖

2.2 有限元模型

模型主要由炸藥、殼體、主藥型罩、輔助藥型罩和空氣5部分組成，通過(guò)AUTODYN有限元軟件對(duì)射流成型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，整體采用Euler算法對(duì)射流成型進(jìn)行仿真計(jì)算。建立長(zhǎng)為600 mm、寬120 mm的空氣域，網(wǎng)格單元大小為0.5 mm×0.5 mm，在空氣域邊界添加“FLOW OUT”邊界條件，消除爆轟產(chǎn)物在邊界的反射影響，計(jì)算單位采用mm-mg-ms，起爆方式采用中心點(diǎn)起爆模式。藥型罩的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型圖

為觀測(cè)射流成型過(guò)程中的各種參數(shù)及能量分布狀況，在軸線上設(shè)置17個(gè)高斯點(diǎn)，高斯點(diǎn)1坐標(biāo)為(180，0)，后續(xù)的高斯點(diǎn)間隔20 mm設(shè)置1個(gè)，共設(shè)置17個(gè)高斯點(diǎn)，排列分布如圖3所示。

圖3 高斯點(diǎn)分布圖

2.3 材料模型及參數(shù)

截頂雙層藥型罩的裝藥選用COMP B炸藥，殼體選用4340鋼，雙層藥型罩外罩采用沖擊阻抗較低的鋁，內(nèi)罩采用沖擊阻抗較高的銅，輔助藥型罩分別依據(jù)不同方案，選用鎳、鉭、鉬、鎢4種材料，以上材料均在AUTODYN材料庫(kù)中選用。具體的材料模型及參數(shù)如表1所示。

表1 材料模型及參數(shù)Table 1 Material model and parameters

3 方案設(shè)計(jì)

本文采用正交優(yōu)化的方法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，正交優(yōu)化的因素為藥型罩錐角，輔助藥型罩厚度，輔助藥型罩材料共3個(gè)變量，不考慮各因素之間的交互作用，每個(gè)因素選取4個(gè)水平值。錐角的選取范圍為55°～70°，每組間隔5，分別為55°、60°、65°、70°；輔助藥型罩厚度的選取范圍為3～6 mm，每組間隔1 mm，分別為3 mm、4 mm、5 mm、6 mm；輔助藥型罩材料分別選取鎳、鉭、鉬、鎢4種材料。所以截頂雙層藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化應(yīng)為3因素4水平正交優(yōu)化問(wèn)題，正交優(yōu)化方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 正交優(yōu)化方案設(shè)計(jì)Table 2 Orthogonal optimization design

4 數(shù)值模擬

本文采用的截頂雙層藥型罩，是以截頂式輔助藥型罩為基礎(chǔ)，在主藥型罩上采用雙層的鋁-銅藥型罩，使用AUTODYN仿真軟件模擬射流成型過(guò)程。以方案2為例，分析其射流成型過(guò)程，設(shè)置一組截頂單層銅藥型罩作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變。

4.1 截頂單層銅藥型罩射流成型分析

利用AUTODYN對(duì)截頂輔助單層銅藥型罩進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同時(shí)刻的成型過(guò)程，射流成型如圖4所示：10 μs時(shí)刻炸藥的爆轟波未到達(dá)藥型罩；在20 μs時(shí)刻，爆轟波到達(dá)輔助藥型罩，同時(shí)，輔助藥型罩改變爆轟波的傳播形態(tài)，并壓垮主藥型罩；在26 μs時(shí)刻，主藥型罩繼續(xù)被壓垮，在軸線上形成較短射流；30 μs之后，射流隨之被逐漸拉伸，形成頭部細(xì)長(zhǎng)的射流形態(tài)。輔助藥型罩位于射流的尾部，同時(shí)有少部分銅向尾部運(yùn)動(dòng)。

圖4 截頂單層藥型罩不同時(shí)刻射流形態(tài)圖

4.2 截頂雙層鋁-銅藥型罩射流成型分析

截頂輔助雙層鋁-銅藥型罩成型如圖5所示，過(guò)程如下：10 μs時(shí)刻，爆轟波未傳播至藥型罩；20 μs時(shí)刻，爆轟波同時(shí)到達(dá)輔助藥型罩和主藥型罩，開(kāi)始逐步壓垮，主藥型罩頂部上的銅已經(jīng)閉合；26 μs時(shí)刻，爆轟波首先作用在沖擊阻抗較小的外層鋁罩上，再傳播到內(nèi)層銅罩上，增大內(nèi)層銅罩上的壓力值，增加射流速度；30 μs時(shí)刻之后，射流同樣由于速度梯度逐漸拉伸，頭部有少許部分拉斷，輔助藥型罩處于射流尾部，外層鋁都形成杵體部分。在50 μs時(shí)刻，截頂輔助雙層藥型罩的射流成型效果要優(yōu)于單層藥型罩。

圖5 截頂雙層藥型罩不同時(shí)刻射流形態(tài)圖

5 結(jié)果分析

聚能裝藥戰(zhàn)斗部形成的射流頭部速度越高、射流動(dòng)能越大，其侵徹能力越強(qiáng)，因此射流頭部速度和射流動(dòng)能是衡量射流侵徹能力的主要條件。本文將頭部速度和動(dòng)能作為射流性能的評(píng)判指標(biāo)。

對(duì)于數(shù)據(jù)結(jié)果的處理，在本文中采取極差分析的方式。將正交優(yōu)化設(shè)計(jì)的16組方案中，水平數(shù)相同的方案數(shù)據(jù)相加除以4，獲取4個(gè)水平的平均計(jì)算結(jié)果，記為、、、，各水平的最大值與最小值的差值，即為極差。通過(guò)比較各因素極差的大小來(lái)確定3個(gè)因素對(duì)射流速度或動(dòng)能的影響程度。

5.1 射流速度分析

對(duì)于不同方案的射流速度分析，本文選取50 μs時(shí)刻下的射流進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)置的高斯點(diǎn)獲取更為準(zhǔn)確的速度數(shù)據(jù)，調(diào)取速度數(shù)據(jù)曲線圖，獲取射流頭部速度。16組方案的具體射流頭部速度數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同方案下射流頭部速度(m/s)Table 3 Head velocity of jet under different schemes(m/s)

對(duì)射流頭部速度采取極差分析，相關(guān)水平的平均值以及各因素對(duì)射流頭部速度的極差如表4所示。

表4 射流頭部速度極差分析Table 4 Velocity range analysis of jet head

由表4的數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)因素對(duì)射流頭部速度的影響程度，按照從大到小排列依次為：材料、厚度、錐角。射流頭部速度隨各因素的變化趨勢(shì)可通過(guò)上表分析出：射流的速度在水平范圍內(nèi)，隨著錐角的增大先升高后降低，在平均值即60°時(shí)，達(dá)到最大值；隨著輔助藥型罩厚度的增加，速度逐漸升高，在平均值即6 mm時(shí)，達(dá)到最大值；對(duì)于輔助藥型罩材料的選擇，射流速度在平均值即鉭材料達(dá)到最大值。速度最優(yōu)方案組合應(yīng)為：錐角60°、輔助藥型罩厚度 6 mm、材料為鉭。

5.2 射流動(dòng)能分析

射流的動(dòng)能越大，表明射流的侵徹能力越強(qiáng)，射流的動(dòng)能也是重要指標(biāo)之一。針對(duì)50 μs時(shí)刻下射流的動(dòng)能進(jìn)行分析，根據(jù)上文截頂輔助雙層藥型罩射流成型過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)射流成型后，主要是內(nèi)層銅材料形成射流的有效部分，因此本文僅觀測(cè)銅在50 μs時(shí)的動(dòng)能，進(jìn)行比較分析，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同方案下銅射流動(dòng)能(kJ)Table 5 Copper jet flow energy under different schemes(kJ)

對(duì)射流動(dòng)能采取極差分析，相關(guān)水平的平均值以及各因素對(duì)射流動(dòng)能的極差如表6所示。

表6 射流動(dòng)能極差Table 6 Range analysis of jet flow energy

由表6的數(shù)據(jù)可以看出，3個(gè)因素對(duì)射流動(dòng)能的影響程度，按照從大到小排列依次為：錐角、材料、厚度。射流動(dòng)能隨各因素的變化趨勢(shì)可通過(guò)上表分析出：射流動(dòng)能在水平范圍內(nèi)，隨著錐角的增大而減小，在平均值即55°時(shí)，達(dá)到最大值；隨著輔助藥型罩厚度的增加，動(dòng)能緩慢減小，在平均值即3 mm時(shí)，達(dá)到最大值；對(duì)于輔助藥型罩材料的選擇，在平均值即鎳材料達(dá)到最大值。動(dòng)能最優(yōu)方案組合應(yīng)為：錐角55°、輔助藥型罩厚度為3 mm、材料為鎳。

5.3 綜合分析

結(jié)合對(duì)射流頭部速度和射流動(dòng)能2個(gè)指標(biāo)的分析，可以得出射流動(dòng)能中錐角因素的影響最大，因此選取動(dòng)能中的錐角最大水平值即55°；輔助藥型罩厚度在速度中影響程度排列第2，在動(dòng)能中排列最后，因此選取在射流頭部速度的最大水平值即6 mm；輔助藥型罩材料在速度中的影響程度最高，在動(dòng)能中的影響程度排列第2，因此選取材料在速度中的最大水平值即鉭。經(jīng)過(guò)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)并綜合射流頭部速度和射流動(dòng)能分析，設(shè)計(jì)優(yōu)化方案為：錐角55°、厚度6 mm、材料為鉭。

通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行建模仿真計(jì)算，得到在50 μs時(shí)，該方案下射流的頭部速度為9 769.3 m/s，射流動(dòng)能為661.35 kJ。對(duì)比分析可知，該方案速度均高于設(shè)計(jì)的16組方案，動(dòng)能也處于前列水平。

6 結(jié)論

1) 對(duì)射流頭部速度進(jìn)行分析，得出對(duì)速度影響的重要程度因素應(yīng)為材料、厚度、錐角；重新組合尋找速度最優(yōu)的方案，即為：錐角60°、輔助藥型罩厚度6 mm、材料為鉭。

2) 對(duì)射流動(dòng)能進(jìn)行分析，得出對(duì)動(dòng)能影響的重要程度因素應(yīng)為錐角、材料、厚度。

3) 結(jié)合射流頭部速度和射流動(dòng)能，經(jīng)過(guò)整體綜合分析，得到使藥型罩性能達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)：錐角55°、厚度6 mm、材料為鉭。