辅助药型罩材料对超聚能射流性能影响的数值模拟

石军磊，刘迎彬，胡晓艳，张旭光

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

辅助药型罩材料对超聚能射流性能影响的数值模拟

石军磊，刘迎彬，胡晓艳，张旭光

(中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051)

为了研究超聚能射流形成过程中辅助药型罩材料对射流性能的影响，利用AUTODYN-2D软件，采用高精度多物质求解器Euler-2D Multi-material对辅助药型罩材料分别为Wu、Cu、Fe，锥形药型罩材料为Al的截顶辅助药型罩超聚能装药进行模拟。结果表明，与传统聚能装药相比，超聚能装药结构形成的射流性能更优。辅助药型罩材料密度越大，超聚能射流形态和连续性越好；超聚能射流具有更高的头部速度和能量。用Wu、Cu、Fe作辅助药型罩材料时，超聚能射流的最大速度分别为14400、13300和13100m/s，最大能量分别为10.2×107、8.5×107、7.5×107J/kg，并且材料密度越大，起爆后相同时刻的射流形态越细越长。

AUTODYN；超聚能射流；辅助药型罩；数值模拟

引 言

在反装甲聚能装药战斗部中，聚能金属射流得到了广泛应用。随着装甲防护系统的不断改进，装甲防护能力逐渐提升，聚能射流的侵彻能力也需要进一步提高。近年来，研究人员分别从药型罩材料成分配比、含能材料药型罩和装药结构等方面进行了研究，研制出更具侵彻能力的聚能装药战斗部[1-2]。

俄罗斯V.F.Minin等[3]对截顶加辅助药型罩装药结构进行了研究，结果表明，超聚能装药形成的射流与传统射流相比具有更高的速度和穿深能力。王淦龙[4]以截顶辅助药型罩为研究对象，结合数值模拟方法对装药结构在不同装药长径比、药型罩锥角和不同辅助药型罩厚度下形成的超聚能射流的速度和能量进行了分析。王成等[5]对截顶加锥形钛合金辅助药型罩超聚能装药进行了研究，得出该装药结构可以明显提高聚能射流的整体速度和有效质量分数的结论。李庆鑫等[6]对“蘑菇形”超聚能装药结构进行了研究，结果表明选用铜、钽、钨作药型罩材料可以获得良好成型效果的高速射流。

综上所述，国内学者在超聚能装药相关领域进行了一定的研究，但对于辅助药型罩材料对超聚能射流性能影响的报道较少。本研究以截顶辅助药型罩为对象，通过改变辅助药型罩的材料，对不同情况下超聚能射流的形成情况进行了数值模拟，探讨了辅助药型罩材料对超聚能射流性能的影响规律。

1 模拟计算

1.1 计算模型

在超聚能装药结构中，辅助药型罩材料分别选用Wu、Cu、Fe，锥形罩材料为Al。本研究所涉及的模型具有轴对称性质，采用二维建模可以满足要求，因此选用AUTODYN-2D模拟软件进行模拟。模型涉及多物质大变形运动，为提高计算精度，采用AUTODYN高精度多物质求解器Euler-2D Multi-material求解器进行数值模拟。

超聚能装药结构示意图如图1所示，锥形药型罩为等壁厚，药型罩的锥角为60°，厚度为1.73mm，材料为Al；辅助药型罩厚度为4mm，直径为20mm，材料分别为Wu、Cu、Fe，截顶处直径为14mm，不同材料装药结构下炸药均为HMX，壳体材料为钢，厚度为2mm。模拟软件建立模型如图2所示。

图1 超聚能装药结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hyper shaped charge structure

图2 超聚能装药模型Fig.2 Model of hyper shaped charge

1.2 计算方法

炸药爆炸后，在爆轰波的作用下，药型罩被压垮，形成高温、高速、高能量密度的聚能射流，其过程十分复杂，为简化理论模型，作出如下假设[7]：

(1)炸药、药型罩、壳体和空气为连续均匀介质；(2)超聚能射流速度随射流长度呈线性分布；(3)忽略超聚能射流的重力作用；(4)整个射流的形成过程为绝热过程。

采用AUTDYN-2D Euler算法进行数值模拟，建立1/2模型。初始条件设置为Still Air，边界条件为Flow-out。

炸药采用奥克托金(HMX)，状态方程为JWL，该方程能精确地描述爆轰气体产物的体积、压力、能量等特性。辅助药型罩材料均从Autodyn-2D标准材料库中选取，钨选用材料TUNGSTEN，采用Shock状态方程和Steinberg强度模型；铜选用COPPER，采用Shock状态方程和PiecewiseJC强度模型；铁选用IRON，采用Shock状态方程和PiecewiseJC强度模型，铝选用Al2024T351，采用Shock状态方程和Johnso-Cook强度模型。壳体材料选用Steel 1006，采用Shock状态方程和Johnso-Cook强度模型。各材料具体参数如表1和表2所示。

表1 HMX材料模型及其状态方程参数

表2 不同材料的材料模型及其状态方程参数

2 结果与讨论

2.1 辅助药型罩材料对超聚能装药射流形成过程的影响

采用控制变量法进行对比分析，装药高度为40mm，装药直径为44mm，锥形药型罩为等壁厚，材料为Al，锥角2α为60°，通过改变辅助药型罩的材料，在不同结构下观察不同辅助药型罩材料时超聚能装药结构形成射流的头部最大速度，以及起爆后10、30、50μs形成的射流速度及其形态，并对射流长度、连续性、能量进行分析，其中，辅助药型罩材料为Wu、Cu、Fe。将形成的超聚能射流与不添加辅助药型罩情况下的传统射流进行对比分析，研究不同辅助药型罩材料对聚能射流的作用。数值模拟过程中，以罩口轴线为坐标原点，起爆方式采用平面起爆，起爆面模型直径位置坐标为(-66，10)和(-66，-10)，起爆位置示意图如图3所示。

图3 线起爆位置示意图Fig.3 Schematic diagram of line detonation

图4～图6分别为无辅助药型罩的传统聚能装药(以下简称无)和添加不同材料辅助药型罩的超聚能装药起爆10、30和50μs后的射流形态。

图4 10μs时的射流形态Fig.4 Jet shape corresponding in 10μs

超聚能装药起爆后，起爆处的爆轰波以极快的速度在炸药内部传播，当爆轰波传到药型罩后，药型罩将承受极大的爆轰压力(最大能达到200GPa，平均压力大于20GPa)，在巨大的压力作用下，药型罩被压垮，以2000～3000m/s的速度向药型罩对称轴闭合。被压垮的药型罩在极短的时间间隔内变形非常大，应变率达到104～107s-1，最大应变超过10。

从图4可以看出，起爆10μs后，药型罩还未完全压垮，普通聚能装药射流形成过程较慢，从形态图中可以看出，未加辅助药型罩时，药型罩压垮形成的射流较粗，射流头部呈圆形状，并且杵体部分较大；当加入辅助药型罩后，形成的射流头部成细锥形，杵体也相对越少。随着起爆时间的延续，射流被拉长，可以看出，辅助药型罩能够使形成的射流更加细长，杵体部分减少，射流有效含量较大，并且辅助药型罩密度越大，射流越细越长。

图5 30μs时射流形态Fig.5 Jet shape corresponding in 30μs

图6 50μs时射流形态Fig.6 Jet shape corresponding in 50μs

由图6可知，聚能装药起爆50μs后，无辅助药型罩时，射流在前期的连续性较好，随着时间的增加，断裂开始明显，并且断裂间隙较大。Wu作辅助药型罩材料时，形成的射流有5处断裂间隙，由于Wu的密度和硬度较大，并没有形成射流。Cu作辅助药型罩材料时，在相同时刻形成的射流长度比Wu的短，并且有6处断裂间隙。Fe作辅助药型罩材料时，射流断裂间隙较大，射流连续性较差。表4给出30μs和50μs时射流的长度。

表3 30 μs和50μs时超聚能射流长度

由以上结果可以得出，辅助药型罩没有充分形成射流，而是与射流尾部混合在一起。起爆30μs后，辅助药型罩与锥形罩出现分离的趋势，50μs时，两者已完全分离。加上辅助药型罩后，射流断裂间隙减少，材料为Wu时的超聚能射流主体部分连续性最好。

与普通聚能装药相比，超聚能装药形成的超聚能射流连续性相对较好，增加了射流的有效长度，射流比较细长，杵体较少，辅助药型罩密度越大，此特征越明显。

2.2 辅助药型罩材料对超聚能射流速度影响

在模型中心轴线上设置固定观测点，以装药口径的倍数设置高斯点11个，以观测射流在轴线上的速度分布和能量变化。观测点1的坐标为(0，0)，观测点2的坐标为(20，0)，依次排列，如图7所示。不同装药结构形成的射流速度如图8所示。

图7 高斯观测点分布示意图Fig.7 Schematic diagram of gauge observation points distribution

图8 不同装药结构射流速度分布Fig.8 Velocity distribution of jet corresponding to different shaped charge

从图8可以看出，普通聚能装药结构形成的聚能射流头部最大速度只有 9200m/s，速度下降梯度较小。使用Wu作辅助药型罩材料，其超聚能装药结构射流的头部最大速度为14400m/s，随后降到13000m/s，然后以较小的梯度逐渐递减。表5给出了不同辅助药型罩材料对超聚能装药结构射流的头部速度的影响。

表5 在不同时间所测不同装药结构射流头部速度

表5表明，用Wu作辅助药型罩材料时，射流头部最大速度较高，是普通聚能射流的1.54倍；使用Cu材料时，射流头部最大速度是普通聚能射流的1.43倍；使用Fe材料时，射流头部最大速度与Cu相差不大，为1.40倍。

使用Wu、Cu、Fe作辅助药型罩材料时，10μs开始聚能射流头部速度明显高于普通射流头部速度，并且材料密度越大，射流头部速度也越大。同时可以看出，随着时间的增加，速度梯度都是从大到小逐渐变化。

对于普通聚能装药结构，药型罩两侧受到爆轰波的作用，从而沿轴线方向被压垮。图9为普通聚能装药和超聚能装药在起爆6μs后压垮初始受爆轰波作用压力云图。由图9可知，加上辅助药型罩形成超聚能装药结构后，爆轰波对药型罩的作用被改变，锥形罩两侧压力明显增大，同时，爆轰压力通过辅助药型罩作用于锥形罩截顶处，锥形罩压垮情况也随之改变。此时，锥形罩受到更大爆轰压力后，产生更高的压垮速度。因此，超聚能装药能够产生速度更高的射流。

图9 6μs时药型罩受爆轰波压力云图 Fig.9 The pressure nephogram subjected to detonation wave for liner in 6μs

2.3 超聚能射流能量分析

在模型轴线上设置11个高斯点，如图7所示，每个高斯点可以观测出通过射流的头尾速度和能量。药型罩在爆轰波的作用下，瞬间被压垮而形成射流，此过程会释放很大的能量，聚能射流正是以高速、高能的特征对目标形成毁伤。图10为不同时刻在高斯观测点处聚能射流的能量分布。

图10 不同时刻聚能射流能量分布Fig.10 Energy distribution of shaped charge jet at different times

由图10可知，与普通聚能装药相比，超聚能装药在起爆后10μs前均有很高的能量，但之后大幅度降低。用Wu作辅助药型罩材料时，最大能量超过108J/kg，有3个观测点处的能量超过8×107J/kg；用Cu作药型罩材料时，最大能量超过8×107J/kg；用Fe作药型罩材料时，最大能量为7.5×107J/kg。普通射流最大能量不是在起爆之初生成，而是在50μs左右，约为2.8×107J/kg，比超聚能射流能量小的多。综上可知，超聚能射流比普通射流具有更高的能量，并且最大能量与辅助药型罩的材料有关，辅助药型罩密度越大，射流能量越高。

从模拟结果可以看出，如果选择合适的辅助药型罩材料，超聚能射流具有很高的速度和内能；从射流形态上看，超聚能射流更细更长，连续性较好，射流的有效质量分数更大。这对聚能装药破甲技术的进一步研究和发展具有一定的意义。

3 结 论

(1)运用AUTODYN-2D软件，采用高精度多物质求解器模拟计算了辅助药型罩材料对超聚能射流形成过程的影响。结果表明，与普通聚能装药结构相比，超聚能装药结构形成的射流形态比较细长，并且在相同锥角情况下，超聚能射流形态与辅助药型罩材料密度有关。密度越大，射流越细越长，并且射流连续性好，杵体越少，药型罩利用率越高。

(2)超聚能装药形成的超聚能射流头部最大速度较普通聚能装药大很多，材料的密度越大，射流头部最大速度也越大。用Wu作辅助药型罩材料时，超聚能射流头部最大速度是普通聚能射流的1.54倍；用Cu作材料时，超聚能射流头部最大速度是普通聚能射流的1.43倍；用Fe作材料时，超聚能射流头部最大速度是普通射流的1.40倍。

(3)超聚能射流具有更高的内能，并且随着辅助药型罩材料密度的增加，射流能量也随之增大。用Wu、Cu、Fe作辅助药型罩材料时，对应的聚能射流最大内能分别为10.2×107、8.5×107、7.5×107J/kg，而普通聚能射流最大能量只有2.8×107J/kg。

[1] 高永宏,顾晓辉,王凤英.粉末药型罩的材料密度对聚能射流性能的影响[J].高压物理学报,2013(4):556-560.GAO Yong-hong,GU Xiao-hui,WANG Feng-ying.Powder liner lensity effect on the performationce of shaped charge jet[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2013(4):556-560.

[2] 万文乾,余道强,彭飞,等.含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用[J].爆炸与冲击,2014(2):235-240.WAN Wen-qian,YU Dao-qiang,PENG Fei,et al.Formation and terminal effect of explosively-formed penetratormade by energetic materials[J].Explosion and Shock Waves,2014(2):235-240.

[3] Minin V F,Minin O V,Minin I V,et al.Physics hypercumulation and comdined shaped charges[C]∥2012 11th International Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering.Novosibirsk:[s.n.],2012:95-113.

[4] 王淦龙.超聚能射流数值模拟的初步研究[D].北京:北京理工大学,2015.WANG Jin-long.Elementary study of numerical simulation on hypercumulation[D].Beijing: Beijing Institute of Technology,2015.

[5] 王成,钱俊松,王万军.超聚能射流形成的数值模拟[C]∥北京力学会第20届学术年会论文集.北京:北京力学会,2014:2.WANG Cheng,QIAN Jun-song,WANG Wan-jun.The numerical simulation on hypercumulation[C]∥ Proceedings of the 20th Annual Meetings of Insitute of Beijing.Beijing:Beijing Society of Theoretical Applied Mechanics,2014:2.

[6] 李庆鑫,王志军,陈莉,等.一种超聚能装药结构的仿真[J].兵器装备工程学报,2016(6):35-38.LI Qing-xin,WANG Zhi-jun,CHEN Li,et al.Simulation of research of super shaped charge structure[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):35-38.

[7] 王伟力,李永胜,田传勇.串联战斗部前级环形切割器的设计与试验[J].火炸药学报,2011,34(2):39-43.WANG Wei-li,LI Yong-sheng,TIAN Chuan-yong.Optimazition and test on front annular cutter of tandem warhead[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2011,34(2):39-43.

Numerical Simulation of Effect of Material of Additional Liner on the Performances of Hypercumulation

SHI Jun-lei,LIU Ying-bin,HU Xiao-yan,ZHANG Xu-guang

(School of Chemical Engineering and Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

To study the effect of material of additinal liner on the jet performances in the hypercumulation formation process,the numerical simulation of hyper shaped charge of a trunconical additinal liner,with material of additional liner is Wu,Cu and Fe,respectively and material of conical shaped charge liner is Al,was carried out using AUTODYN-2D simulation software and high precision multi material solver Euler-2D Multi-material.The results show that the maximum velocity of hypercumulation of additional liner material as Wu,Cu and Fe are 14400,13300 and 13100m/s,respectively,the maximum energy are 10.2×107,8.5×107and 7.5×107J/kg respectively,and the hypercumulation after detonation becomes slender and longger after the density of the material increases.

AUTODYN; hypercumulation; additional liner;numerical simulation

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.014

2016-08-29；

2016-11-21

国家自然科学基金(No.11572292)

石军磊(1991-)，男，硕士研究生，从事聚能装药和装甲防护研究。E-mail:sh_junlei@163.com

刘迎彬(1985-)，男，博士，讲师，从事弹药毁伤防护与安全工程方面研究。E-mail:liuyb85@mail.ustc.edu.cn

TJ55;TJ410.3+33

A

1007-7812(2017)01-0069-06