超厚药型罩与射流的材料分配关系

山西中北大学机械与动力工程学院　徐斌

超厚药型罩与射流的材料分配关系

山西中北大学机械与动力工程学院徐斌

聚能装药广泛应用于军事和民用穿孔、切割领域。本文主要研究在应用超厚度药型罩的情况下药型罩材料与射流材料的分配关系，通过AUTODYN-2D数值仿真设定随动点方法给出二者的材料分配关系，以此为基础通过控制药型罩结构来调整射流结构，为改善射流状态的装药结构设计提供理论指导。

聚能装药；药型罩；射流；分配关系

引言

在装药类型、密度、总药量条件相同条件下聚能装药结构具备确定总能量值的特点，能量在药型罩形成射流各个部分的分配情况与射流的稳定飞行能力和侵彻能力密切相关。如何保证有效射流部分具备较高能量密度和总能量值［1］，是提高射流侵彻能力的关键因素。在微型线型聚能切割器应用当中，为保证足够的射流量和拓宽装药结构在大炸高条件下的应用要求，相对于常规聚能结构，微型线型聚能切割结构的药型罩相对较厚。本文借助仿真计算软件AUTDOYN-2D［2］的随动gauges测点方法研究超厚药型罩条件下，药型罩材料与射流的详细分配关系，为高效聚能装药及异形药型罩结构研究提供参考。

1理论分析

射流形成定常理论［3］（图1）中，在射流轴向碰撞点运动坐标系中，射流流动速度v2由公式（1、2）计算。由公式可知随着药型罩压垮距离增大，压垮角β不断增大，射流流动速度v2不断降低。根据轴对称药型罩压合过程中厚度方向各层速度分布规律［2］，可分析厚度方向射流速度变化情况。

图1　射流压合过程几何图形

y2代表微元厚度方向任意位置到射流碰撞点O的距离，v2为此厚度位置射流速度，M为射流微元质量，m为y2到y3范围内射流微元质量。通过分析可知微元外表面速度不断减小且恒小于v0，内表面速度不断增大且恒大于v0。一方面随着母线方向v0不断减小，另一方面随着v0速度在罩微元层厚方向位置变化，加上射流形成的临界条件，就可以确定药型罩母线方向和厚度方向二维空间射流分配情况。

2　仿真模型

2.1本构方程、状态方程与边界条件

采用AUTODYN-2D作为建模软件［4］，应用Euler方法建立空气装药和SC模型，选定0.01mm尺寸网格。建立模型及随动gauges测点情况如图3所示。药型罩厚度方向和母线方向均匀设置58个测量点，观察药型罩在压垮过程中各个微元的动态变化情况。

本仿真使用炸药的JWL状态方程（5），参数为A=3.71 B=7.43E-2，R1=4.15，R2=0.95。装药密度为理论值：1.717 g/cm3。装药结构采用Steinberg本构方程，公式（6）为剪切模量G在融化前与内能、压力和比容之间的关系，公式（7）为屈服极限的表达式。

图2　药型罩微元压合计算

σ0、b、h、f为试验测量材料常数，p为压力，v为比容，ec为冷压缩能，em为熔化能量，ei为比内能，R为普适气体常数，ρ为密度，A为摩尔质量，Rρ/A=R1。

3　仿真结果

提取1微秒和4微秒时刻射流状态如图3所示。根据射流最后的三段形态（射流、翼、杵体）中gauges点位置与药型罩结构对应点位置的分析，可以得到药型罩材料形成射流各个阶段的材料分配如图4所示，黑色线右侧形成射流，红色线左侧形成杵体，中间部分形成“翼”状体。

图3　射流形态

图4　材料分配

4　结论

采用随动测点方式确定药型罩与射流各部分材料关系，采用截顶药型罩，减薄药型罩底部厚度，可有效提高有效射流量这与已知药型罩设计方法结论一致，分析结果可靠有效。

［1］侯秀成，蒋建伟，陈志刚.有效射流与药型罩材料的分配关系［J］.兵工学报，2013，34（8）：936-941.

［2］崔军.聚能射流对靶板侵彻的数值仿真 ［J］.兵工自动化，2010.Vol.29 NO.1.P24～26

［3］隋树元，王树山.终点效应学［M］.国防工业出版社，2000. ISSN：7-118-02200-4.中图分类号：TJ012.4.

［4］Ansys AutoDyn971 help Manual［Z］.CenturyDynamic Corporation.USA，2005.

徐斌，1989出生，山东人，硕士，研究方向：终点效应。