中心孔护管对椭圆形药型罩的数值模拟

王　超，吴国东，王志军，许俊祥，孙加肖

(中北大学 机电工程学院，太原　030051)



中心孔护管对椭圆形药型罩的数值模拟

王超，吴国东，王志军，许俊祥，孙加肖

(中北大学 机电工程学院，太原030051)

摘要：为了获得中心孔对椭圆形药型罩的影响规律，采用动力学有限元软件AUTODYN-2D对不同中心孔直径、护管厚度及起爆方式的椭圆形药型罩成型装药进行数值模拟研究；结果表明：当中心孔直径与椭圆形药型罩直径之比λ=0.25时，形成的侵彻体头部速度最高、成型效果最佳；护管可以改变侵彻体的形态，但护管厚度d的变化对侵彻体的成型效果影响不大；中心孔椭圆形药型罩的最佳起爆方式为正向环起爆。

关键词：中心孔；护管；椭圆形药型罩；侵彻体

本文引用格式：王超，吴国东，王志军，等.中心孔护管对椭圆形药型罩的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2016(7):60-62.

Citation format:WANG Chao, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, et al.Numerical Simulation of Oval Shaped Liners with A Center-Hole Protective Pipe[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):60-62.

中心带孔聚能装药[1]是一种为了满足在药型罩开孔工程上的需要同时能保证战斗部威力的技术。中心开孔并带有护管的聚能装药通常作为逆序起爆串联战斗部二级装药，作为单独使用的战斗部的研究国内外还很少见。国内虽有关于中心孔的文献，但仅仅是关于中心孔直径[2]对圆锥形药型罩及球缺罩的研究，对护管厚度研究不多，同时没有在相关文献中查到有关起爆方式对中心孔药型罩的研究。

对椭圆形药型罩，研究其线性聚能装药[3]的研究比较多。但椭圆形药型罩形成杆式侵彻体，头部最大速度有限，通过改变中心孔的大小及护管的厚度，探讨中心孔对其形成的侵彻体的头部速度以及侵彻体形态的影响，为将来组合药型罩以及多模战斗部的研究提供理论依据。

1建立模型

1.1几何模型和有限元模型

本文所研究的聚能装药结构模型如图1所示，药型罩直径为D=80 mm，装药高度为H=96 mm，壳体壁厚为2 mm，中心孔直径为h，护管厚度为d，中心孔直径与药型罩直径之比为λ。

图1　聚能装药结构模型

由于炸药爆炸及药型罩在压垮过程中，材料变形比较大，因此主装药和药型罩均采用Euler网格，计算模型中不考虑壳体对侵彻体形成的影响。由于该聚能装药结构具有轴对称性，本文采用有限元软件AUTODYN-2D建立1/2有限元模型来模拟中心孔对药型罩的影响，镜像后的有限元模型如图2所示。通过在空气边界上添加“Flow-out”边界条件，消除边界应力影响，数值模拟中采用的单位制为mm-mg-ms。

图2　镜像后的有限元模型

1.2材料模型及参数

本文药型罩和护管材料均选用紫铜，均采用Shock状态方程和Piecewise JC强度模型描述本构关系。炸药选用B炸药，用JWL状态方程描述，所有材料参数均来自AUTODYN软件材料库的内置参数。

2中心孔椭圆形药型罩侵彻体的形成过程

以λ=0.1为例，采用中心点起爆，分析侵彻体形成过程，如图3所示。

首先护管被压垮、变形，在t=10 μs时可以看出，护管形成的侵彻体被轴向挤出，随着爆轰波的持续，椭圆形药型罩顶部开始被挤压变形，开始形成侵彻体，随着时间的不断增加，由于存在速度梯度，侵彻体头部发生颈缩、拉断，逐渐形成头部速度较大的侵彻体，并且最终在侵彻体头部形成少量的速度较高的粒子流，在t=60 μs时形成效果比较好，而在t=70 μs时整个侵彻体出现不同程度的颈缩。

3数值模拟结果及分析

3.1中心孔直径对药型罩的影响

分别取λ为0、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35，来研究中心孔直径对椭圆形药型罩所形成的侵彻体头部速度、有效射流长度等的影响。

图3　侵彻体形成过程

由图4可以看出，在装药结构一定的情况下，中心孔直径对形成的侵彻体的影响较大。当λ≤0.25时，射流的头部速度随λ的增大不断增加，在λ=0.25时，侵彻体头部速度提升最大，最高可达4 382 m/s，提升幅度达到28.3%。当λ>0.25时，随着中心孔的不断增大，药型罩的质量不断减少，装药量也越来越少，造成射流的头部速度不断减小，同时也使得射流头部形成少量的高速粒子流，速度最高可达6 000 m/s以上，但由于粒子的数量太少，忽略不计。侵彻体尾部速度变化不大，大致在400 m/s左右。

图4　60 μs时不同λ值速度变化曲线

图5　60 μs时不同λ值的射流长度

中心孔也会影响所形成的侵彻体射流长度。以45钢为靶板，在侵彻过程中，侵彻截止速度大约为2 000 m/s，在此速度以上的射流为有效射流，从图5可以看出，侵彻体的总长度和有效长度均在λ=0.25时最长，分别为188.5 mm和117.5 mm，涨幅可达34.2%和57.5%。由以上两点可以看出，中心孔直径对椭圆形药型罩形成的侵彻体头部速度、有效射流长度等都有明显的影响。

3.2护管的厚度d对药型罩的影响

改变护管厚度d的大小，分别取d为1，1.5，2，2.5，3，在60 μs时速度云图如图6所示。

随着d的不断增大，侵彻体的有效长度增加，但是速度梯度相差不大，除去高速粒子流，有效射流头部速度相近，侵彻体前端的高速粒子流随着d的增加，数量越来越多，并且头部侵彻能力越来越强。生成的侵彻体的形态由椭圆形药型罩时的杆式侵彻体变为聚能射流。

3.3起爆方式对侵彻体形成的影响

由图7可知，药型罩起爆方式采用面起爆与正向环起爆时所形成的侵彻体的有效长度最长，由于速度梯度大，侵彻体头部有少量的高速粒子流，而逆向环起爆，不形成高速粒子流，头部形成微小的蘑菇头，但起爆方式对侵彻体的形态没有影响。

图7　60 μs时不同起爆方式侵彻体形成图

由于形成的高速粒子流太少，侵彻性能有限，因此头部速度不考虑粒子流部分，侵彻体头部与尾部速度如表1所示，正向环起爆下，药型罩形成侵彻体头部速度最高，相比点起爆，速度提升34.1%，尾部速度变化不大。综合射流有效长度及其头部速度可知，药型罩聚能装药起爆方式采用正向环起爆效果最佳。

表1　不同起爆方式下侵彻体速度　m·s-1

4正交设计分析

通过正交设计方法对侵彻体速度在不同水平组合下进行数值模拟，然后通过数据处理得出各因素的主次关系。

4.1因素水平标的确定

以侵彻体的速度v为考察指标，选取因素为起爆方式，中心孔直径与药型罩之比λ，护管厚度d，水平为3水平，经前面讨论，起爆方式选面起爆，正向环起爆，分别用1,2代替；λ选取 0.25,0.3；d选取2.5,3。因素水平如表2所示。

表2　因素水平

4.2标头设计与分析

选用正交表L4(23)安排计算，将3个因素依次放在L4(23) 的1、2、3列，根据正交表安排的4种方案依次进行计算，并将结果填入右侧，如表3所示。

表3　方案与结果

从极差排列出各因素对侵彻体速度影响的大小顺序是：起爆方式、中心孔直径h、护管厚度d，其中起爆方式是最主要的影响因素，不同的起爆方式对侵彻体速度的影响很大。

5结论

对椭圆形药型罩而言，当中心孔直径与药型罩直径之比λ=0.25时，药型罩形成的侵彻体头部速度最高、有效射流长度最长、成型效果最好。

在λ=0.25时，随着护管厚度d的变化，侵彻体头部速度(除高速粒子流外)变化不大，但侵彻体的形态发生变化，由杆式侵彻体变为聚能射流。

起爆方式不仅影响侵彻体的有效长度，还影响侵彻体头部速度，采用正向环起爆时，侵彻体成型效果最佳。起爆方式是影响侵彻体速度的最主要因素。

参考文献：

[1]高靖.一种新型聚能装药数值模拟与实验研究 [D].太原:中北大学,2011.

[2]高靖.中心孔对聚能装药成形的影响[J].弹箭与制导学报,2011,31(1)：110-112.

[3]武双章，顾文彬.椭圆形罩线型聚能装药射流成型过程数值模拟研究[J].工程爆破,2013,19(5)：5-9.

[4]王成、付晓磊等.起爆方式对聚能射流性能影响的数值分析[J].北京理工大学学报,2006,26(5)：401-404.

[5]王志军,尹建平.弹药学[M].2版.北京:北京理工大学出版社,2005.

(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-01-29；修回日期：2016-02-29

作者简介：王超(1988—)，男，硕士研究生，主要从事装备理论与装备技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.014

中图分类号：TJ413

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0060-04

Numerical Simulation of Oval Shaped Liners with A Center-Hole Protective Pipe

WANG Chao, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, XU Jun-xiang, SUN Jia-xiao

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

Abstract:In order to obtain the influence of the oval shaped liners with a center-hole, adopting the dynamic finite element software AUTODYN-2D, numerical simulation research with different central-hole diameter, protecting pipe thickness and the initiation of elliptic type medicine cover molding charge were processed. The results show that when lambda which the ratio of the diameter between the center-hole and the oval shaped liners is 0.25, the head speed of the penetration is highest, forming effect of the penetration is best; But the change of the thickness of the enlarge tube d had a little effect for shaping effect on penetration; The best way to detonation of oval shaped liners with a center-hole is positive ring initiation.

Key words:center-hole; protective pipe; oval shaped liner; penetration

【装备理论与装备技术】