不同爆轰波形对串联聚能射流影响的数值模拟❋

闫玉凤,陈智刚,周迪锋,鲁修国

(中北大学 机电工程学院,山西 太原 030051）

0 引 言

聚能装药作为一种产生高能量密度的技术,在军事领域和民用领域得到了越来越广泛的应用,特别是在军事领域.近年来,随着现代科技的发展,各种军事目标的防护和抗打击能力不断提高,用传统的穿、破甲弹药摧毁目标的困难越来越大,这就对射流性能提出了更高的要求.针对上述问题,本文提出了一种新型的装药结构,即双级串联药型罩.通过对此药型罩结构设计来研究其射流成形及增效机理,从而达到大幅度提高稳定生成且相互加强的呈同轴分布的金属射流量的目的.金属射流在运动过程中,经连续拉长后,能够显著提高穿深,并提高效费比,具有极其重要的理论和工程应用价值.

1 串联装药结构描述

本文所述的新型串联聚能药型罩方案如图1所示.

它是在传统聚能装药射流稳定技术的基础上拓展引伸的一种装药结构,用于增大穿深或破孔孔径.本结构基于同轴射流这一思路,当后级装药爆炸压垮药型罩形成金属射流时,由于其属小锥角药型罩,头部速度较高迅速通过两级装药结合部的圆柱形通道,此时前级炸药被引爆,爆轰产物推动药形罩向轴线方向运动,形成的金属射流在药型罩轴线方向与后级射流发生汇聚,进一步加大金属射流的长度及破孔直径,并保持金属射流的稳定性,实现了对目标的接力侵彻.两级间为与药型罩材料相同的隔板.

2 计算模型及材料模型

图1 串联成型装药结构示意图Fig.1 Diag ram of tandem shaped charge jet structu re

2.1 计算模型

本文采用多物质 ALE[1]方法和运动网格法来进行模拟.因为聚能装药作用过程是一种包括装药爆炸、药型罩压垮、射流形成及拉伸等多物质相互作用的大变形运动,所以用 Lagrange[2]方法难以准确模拟.为了减少计算量,本文中全部采用 1/4模型进行数值模拟,有限元模型采用 Truegrid前处理软件建立,为了使冲击波在模型外表面不产生反射,在计算模型中空气介质外表面施加透射压力边射条件.

2.2 材料模型

数值模拟中,炸药采用状态方程来描述爆轰产物的压力-体积能量特性,其形式如式 (1)所示[3]

式中:p——压力;

E——单位体积内能;

V——比容(单位体积装药产生的爆轰产物的体积);

状态方程中的系数 A′,B′,R1,R2,k为描述 JW L方程必须的 5个独立物理常数.

使用 Johnson-Cook材料模型与 Gruneison状态方程合用定义药型罩材料,采用具有高延展率的金属材料紫铜,其材料参数[4]见表1.

采用 8701炸药,其主要参数分别是[5]:炸药密度为 1.787 g/cm3,爆速为 7.98 km/s,CJ压力为29.5 GPa.表2给出了 8701炸药 JW L状态方程的主要参数.

表1 紫铜药型罩材料参数 T meh(k)Tab.1 Material parameters forw ith line

表2 8701炸药 JW L状态方程参数表Tab.2 JW L equation of state param eters for ex plosives

3 计算结果分析

3.1 不同起爆方式下聚能射流形成的理论分析

点起爆方式与正向环形起爆方式下所产生的爆轰波形和药型罩表面母线所成的夹角如图2所示,正向环形起爆对应的夹角为U1,点起爆对应的夹角为U2.从图2所示U1＜U2,由此可知,正向环形起爆所形成的爆轰波形与药型罩外表面更为贴近,罩微元获得的爆轰载荷大,压垮速度也大,因而产生的射流速度大.另外,正向环形起爆所产生的轴对称爆轰波在装药轴线处发生碰撞,根据 B.Dunne所提出的爆轰波碰撞模型[6],此时将在爆轰波碰撞处形成高压区,也有利于提高射流的速度.随着起爆直径的增加,爆轰时的压垮角小,有利于形成高速射流,随着起爆直径的增加,爆轰波形与药型罩母线的夹角也逐渐减小,对药型罩的作用力逐渐增大,药型罩微元的压垮速度逐渐增大,导致射流速度越来越大.

图2 爆轰波形与药型罩母线夹角示意图Fig.2 Diag ram of angular section betw een detonation w ave and generatrix of outside liner

3.2 数值模拟结果及分析

图3为不同起爆方式下 t=2μs,4μs,6μs,8μs时的爆轰波波形.图3中可以看到:逆向环形起爆产生倒置的凹锥形爆轰波.正向环形起爆后,产生轴对称收敛的喇叭形[7]爆轰波;中心点起爆后,波阵面呈球面;根据理论分析表明,通过起爆方式可以来控制装药中的爆轰波形,不同的爆轰波形导致药型罩上的爆轰载荷分布规律和药型罩的压垮变形趋势不同,最终导致射流性能产生差异.

从表3可知,逆向环形起爆形成的射流头部速度最高,正向环形起爆高于点起爆.理论与模拟结果都表明:作用于药型罩表面的初始压力与爆轰波阵面和罩表面母线的夹角U有很大关系,U角减小,作用于罩内的爆轰载荷将会增加,从而使罩微元的压垮速度增加,导致射流速度增大.逆向环形起爆时其爆轰波从装药底端向上传播,使药型罩从底部开始被压垮,药型罩各微元的压垮角比正向起爆时的压垮角小[8],因而形成了高速的射流.t=22μs时所形成的速度分布和速度云图如图4,图5所示.

图3 不同起爆方式下的爆轰波形Fig.3 Detonationwaveforms under differen t initiation ways

表3 t=22μs时各种起爆方式下所对应的射流速度Tab.3 Speed of shaped charge jet under different initiation w ays at t=22μs

图4 t=22μs时的射流长度与速度的关系Fig.4 The relation curves of jet leng th and velocity at 22μs

图5 t=22μs时速度云图Fig.5 Velocity nephogram at 22μs

4 结 论

1)应用 LS-DYNA3D数值仿真软件模拟了主装药在中心点起爆、正向环形起爆和逆向环形起爆等不同方式下射流的形成过程,通过对比其爆轰波形可看出:正向环形起爆形成的凹锥形爆轰波具有聚心效果;中心点起爆形成的球面爆轰波具有散心效应.

2)逆向环形起爆形成高速细长的射流.当采用上薄下厚的药型罩和装药外壳时,针对其爆轰波传播机理,可以极大地改善射流性能.从而延长射流断裂的时间.

3)在相同装药及药型罩结构下,起爆方式对聚能射流的形成有及其重要的影响.通过起爆方式来控制装药中的爆轰波形,可以决定药型罩上的爆轰载荷分布规律和药型罩的压垮变形趋势.

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