复合杆式射流成型及威力性能的数值模拟及试验验证

王维占，赵太勇，陈智刚，印立魁，杨宝良，张孝中，郭光全

(1. 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原030051；2.西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065；3.山西北方晋东化工有限公司，山西 阳泉 045000；4.晋西工业集团有限责任公司，山西 太原 030051)

复合杆式射流成型及威力性能的数值模拟及试验验证

王维占1，赵太勇1，陈智刚1，印立魁1，杨宝良2，张孝中3，郭光全4

(1. 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原030051；2.西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065；3.山西北方晋东化工有限公司，山西 阳泉 045000；4.晋西工业集团有限责任公司，山西 太原 030051)

为了阐明复合杆式射流的性能, 设计了8种不同材料的复合球缺罩，包括聚乙烯/铜、铝/铜、钛/铜、铁/铜、铜/铜、钼/铜、钽/铜、钨/铜材料，并采用LS-DYNA软件对其杆式射流的成型过程进行三维数值模拟，分析了杆式射流威力性能，通过静破甲试验验证了数值模拟结果。结果表明，在保持内罩材料为紫铜的条件下，随着外罩材料密度的增大，射流整体速度减小，射流动能随外罩材料密度的增大而减小；在外罩为金属材料时，外罩材料冲击阻抗越大，内罩所受爆轰波透射压力越小，射流整体速度、射流动能随外罩冲击阻抗增大而减小；经对比发现，聚乙烯/铜复合杆式射流整体速度最高，动能最大，破甲威力较佳，铝/铜复合杆式射流次之。静破甲试验结果表明，聚乙烯/铜复合杆式射流对钢靶侵彻深度较铝/铜复合杆式射流有一定提高，与数值模拟结果一致。

威力性能；复合球缺罩；冲击阻抗；数值模拟；杆式射流；聚能射流

引 言

复合球缺罩形成的杆式聚能射流(JPC)因其速度梯度小、整体速度高、射流质量高等优点在反坦克、反舰、防空反导等领域有着广泛的应用，其研究进展对提高聚能毁伤战斗部威力具有重要的现实意义。国内外学者对此进行了广泛研究。Hong S C[1]对多层药型罩的形成过程进行了数值模拟计算，得出复合射流的形成机理；付建平等[2]则对双层球缺罩形成复合杆式射流进行了初步研究，得出铝/铜双层杆式射流侵彻威力大于单层铜质杆式射流的侵彻威力；臧涛成等[3]对破甲弹复合罩性能进行研究，得出合理匹配复合罩材料，不仅能够减轻弹的质量，而且能够提高破甲威力；许世昌等[4]进行了双层含能药型罩射流成型机理及侵彻性能研究，得出结构设计和材料阻抗匹配合理的双层含能药型罩，可以提高成型装药侵彻深度和孔径。虽然国内外对于JPC的研究较为广泛，但目前对新型材料复合球缺罩研究较少。

本研究从材料性能方面着手，设计了8种不同材料的复合球缺罩，采用数值模拟和静破甲试验方法，在内层罩为紫铜的条件下，改变外层球缺罩材料为聚乙烯、铝、钛、铁、铜、钼、钽、钨作为因变量进行一系列数值模拟分析，并使用聚乙烯/铜药型罩与铝/铜药型罩依次对45#钢靶进行静破甲试验验证，对比研究了两种不同材料复合罩形成的杆式射流的破甲性能。通过研究和掌握复合球缺罩形成杆式射流机理，以期能够建立不同材料复合球缺罩形成杆式射流理论模型，并为武器战斗部设计提供理论依据。

1 模拟计算

1.1 计算模型

球缺罩内层采用紫铜作为形成杆式射流的主要材料，外层材料依次采用聚乙烯、铝、钛、铁、铜、钼、钽、钨。为了保证内层铜罩作为形成射流的主要材料，外罩与内罩采用的厚度比例为1∶2。计算模型几何尺寸为：药型罩底部内径(D1)80mm,装药直径(D2)80mm，内球曲率半径(R1)37mm，外球曲率半径(R3)40.75mm，中球曲率半径(R2)39.5mm，装药倒角圆半径(R4)76mm，装药高度(H)128mm，倒角高度(h)35mm，装药壳体(b)为2mm厚钢壳。计算模型结构如图1所示。

采用 1/4 结构建立三维有限元模型，并设置对称约束条件于1/4 模型的对称面上。计算网格均采用Solid164八节点六面体单元，炸药、药型罩、空气采用ALE算法，它们之间的接触作用采用流固耦合算法。并在模型的边界节点上施加压力流出边界条件，避免压力在边界上的反射。通过LS-DYNA 软件对杆式射流的成形过程进行三维数值模拟[5]。

1.2 计算方法

本研究所有金属材料模型都采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。主装药为B炸药，参数见表1。选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程来描述。

表1 B炸药参数

聚乙烯材料模型采用*MAT_KELVIN-MAXWELL_VISCOELASTIC，材料密度为0.93g/cm3，剪切模量为1.01GPa，屈服应力为1.83GPa，泊松比为0.47。空气采用空物质材料(NULL)描述，对应的状态方程为多线性状态方程。装药起爆方式采用中心点起爆。其他材料主要参数见文献[6]。

2 结果与讨论

2.1 射流性能分析

采用不同外罩材料，在3倍装药直径炸高条件下，杆式射流的相关参数见表2，射流形态如图2所示。

由表2和图2可看出，聚乙烯/铜与铝合金/铜复合杆式射流头部速度相对较高，从整体动能角度来看，当外罩材料为聚乙烯、铝、钛合金时，射流整体动能相对较大，3种情况下动能相差不大，但聚乙烯/铜、铝/铜复合杆式射流铜质量及动能所占比例较大，有效侵彻质量相对较高；从射流形态来看，聚乙烯/铜复合杆式射流长径比相对较大，且射流头部较细，形态较佳。综合分析得出，聚乙烯/铜与铝/铜复合杆式射流对目标具有较好的侵彻能力。

表2 不同材料条件下杆式射流的参数

注：v1为头部速度；v2为尾部速度；v3为头尾部速度差；D1为射流头部直径；D2为射流尾部直径；L为射流长度；E为动能；ρ为外罩密度；R为外罩阻抗；p为内罩压力；a为铜质射流所占动能比。

2.2 外罩材料密度与杆式射流性能的关系

在内层球缺罩材料为紫铜的条件下，依次选用聚乙烯、铝、钛、铁、铜、钼、钽、钨作为外罩材料，进行数值模拟分析。图3为杆式射流头部速度、动能及内罩压力与外罩密度的关系曲线。

结合表2和图3可知，随着外罩金属材料密度的增加，杆式射流头部速度，射流整体动能及内罩外表面所受爆轰波压力均降低，呈负相关关系；当外罩材料为密度、冲击阻抗较低的聚乙烯材料时，射流头部速度、整体动能均获取最大值，且长径比适中，相对于其他金属外罩所形成的杆式射流，内层铜罩材料质量利用率较高，形成射流的所有材料质量均来自内层铜罩，射流动能利用率较高。从这几方面来看，聚乙烯/铜复合杆式射流对目标具有较佳的侵彻能力。

2.3 冲击阻抗与杆式射流性能的关系

在聚能装药药型罩层间界面处或外层与装药之间，有较多由装药爆炸产生的能量反射，该部分能量不能横穿界面来形成射流，能量是以波的形式传播的，不同的材料质量对波能的转换、吸收和反射不同，因而其阻抗不同。通过对药型罩各层材料的声阻抗或冲击阻抗合理匹配可减小或消除材料各层界面处由爆轰力引起的能量反射或反冲，促使炸药能量通过材料界面时，最大限度地转变为具有最大冲量的高速射流。

根据阻抗匹配原理[7]，炸药爆炸产生的爆轰波从低阻抗介质炸药入射到高阻抗介质紫铜界面时，入射的压力波产生反射和透射冲击波，根据文献[3]得到复合药型罩透射系数对单层罩透射系数的增大倍率公式见式(1)：

(1)

式中：t为透射系数增大倍率；R1为外罩阻抗；R0为炸药阻抗；Rcu为内罩铜阻抗。

利用Matlab软件对该二次关系式进行图线绘制，透射压力增大倍率、射流头部速度、内罩压力分别与外罩材料冲击阻抗的关系曲线如图4所示。由图4(a)可得出，当外罩材料的冲击阻抗(t)大于1.75倍单位冲击阻抗时，相对于单层铜罩，透射系数增大倍率(t)随着外罩材料冲击阻抗的增大而减小，故内层药型罩所受透射冲击波压力也减小。当4.1>R1>1.1时，内罩所受压力大于单层铜罩条件下所受压力，有利于提高射流头部速度；当R1>4.1或R1<1.1，内罩所受压力小于单层铜罩条件下所受压力，不利于提高射流速度。

由图4可知，外罩材料的冲击阻抗对射流头部速度、内罩压力有相似的影响规律。外罩为金属材料时，随着外罩材料冲击阻抗的减小，内罩所受压力及形成的射流头部速度呈总体降低的趋势。图4(b)中外罩为低密度材料聚乙烯时，射流头速度最高，原因是聚乙烯材料虽然冲击阻抗较低，但其塑性、延展性较好，质量较小，变形所吸收的能量远远小于金属外罩变形所吸收的能量，虽然内罩所受压力较小，但炸药爆炸大部分能量转化为金属内罩动能，故速度、动能较高。

12μm时内罩压力与射流头部速度的关系曲线如图5所示。由图5可知，在外罩为金属材料条件下，内罩所受压力与所形成射流头部速度呈现正相关的规律，与图4(a)分析结论一致，外罩材料的选取对破甲威力具有重要影响作用，所以要提高破甲威力，外层药型罩尽量使用密度和硬度较小、延展性较好、冲击阻抗较低的材料[8]。

3 试验验证

试验选用聚乙烯/铜、铝/铜复合药型罩，采用先冲压后车制的加工方法。铝/铜复合药型罩实物如图6所示。

试验装药采用B炸药压制而成。靶板采用直径180mm的45#钢锭，靶板1采用高50mm+50mm+100mm钢锭叠摞而成，靶板2采用高50mm+100mm+100mm钢锭叠摞而成，铝/铜复合药型罩侵彻靶板1，聚乙烯/铜复合罩药型侵彻靶板2。侵彻试验参数见表3，侵彻靶板后的正反面图片如图7所示。

靶板编号b/mmD1/mmD2/mmD3/mmq/mm12403426141972240281911224

注：b为炸高；D1为入孔1直径；D2为入孔2直径；D3为入孔3直径；q为侵彻深度。

由表3和图7可知，聚乙烯/铜复合杆式射流对钢靶侵彻深度较铝/铜杆式射流提高了13.7%,但平均开孔孔径减小了22.9%。可见外内罩厚度比为1∶2的聚乙烯/铜复合杆式射流侵彻威力较好，开孔能力相对降低。与数值模拟结果一致。

4 结 论

(1)利用LS-DYNA软件，描述了聚乙烯/铜、铝/铜、钛/铜、铁/铜、铜/铜、钼/铜、钽/铜、钨/铜8种不同材料组合的复合杆式射流成型过程。从杆式射流动能、头部速度、形态等方面分析得出使用聚乙烯材料作为外罩材料优于其他金属材料。

(2)数值模拟研究发现,当内罩材料为紫铜时，外罩材料密度越大，杆式射流速度和动能越小；同时，外罩材料阻抗越大，杆式射流速度和动能越小,验证了阻抗匹配原理的正确性。

(3)通过静破甲试验，与铝/铜复合杆式射流破甲威力对比，聚乙烯/铜复合杆式射流破甲威力提高13.7%，开孔能力相对降低，平均开孔孔径减小22.9%，验证了数值模拟的可靠性。

[1] Hong S C, Niu Y M. Numerical simulation of the multiplayer explosively formed projectle [C]∥Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistic.St.Antonio:International Digital Electrontic Access Library,1995:315-324.

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ExperimentalVerificationandNumericalSimulationonCompositeRod-typeJetMoldingandPowerPerformance

WANG Wei-zhan1, ZHAO Tai-yong1, CHEN Zhi-gang1,YIN Li-kui1, YANG Bao-liang2,ZHANG Xiao-zhong3, GUO Guang-quan4

(1. National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology, North University of China, Taiyuan 030051，China;2.Xi′an Institute of Modern Control Technology,Xi′an 710065,China;3.Shanxi North Jindong Chemical Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000,China;4. Jinxi Industries Group Co., Ltd., Taiyuan 030051，China)

To clarify the performance of composite rod-type jet，eight kinds of composite ball imperfection covers with different materials, including polyethylene/copper, aluminum/copper, titanium/copper, iron/copper, copper/copper, molybdenum/copper, tantalum/copper and tungsten/copper, were designed, and three-dimensional numerical simulation of the forming process of rod-type jet was performed by LS-DYNA software, the power performance of the rod-type jet was analyzed, and the numerical simulation results were verified via static armor experiment. The results show that under the condition of keeping the inner cover material as red copper, the overall velocity of jet decreases with increasing the density of outer cover material, while the density of outer cover material increases with inner shell material is copper, and the kinetic energy of jet decreases with increasing the density of outer cover material. When outer cover is made of metal material, the greater the impact resistance of outer cover materials, the smaller the transmission pressure of the detonation wave in the inner cover, and the overall velocity and kinetic energy of the jet decreases with increasing the shock resistance of outer cover. By contrast, it is found that the overall velocity of polyethylene /Cu composite rod-type jet is the highest, the kinetic energy is the largest, and the armor is better, the aluminum/copper composite rod-type jet is the second. The experimental results of static armor show that the penetration depth of the steel/copper composite rod-type jet is better than that of the aluminum/copper composite rod-type jet, which is consistent with the numerical simulation results.

power performance; composite ball imperfection cover; impact resistance; numerical simulation;rod-type jet;shaped charge jet

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0093-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.018

2017-04-17；

2017-05-24

王维占(1990-)，男，博士研究生，从事弹药工程与毁伤技术研究。E-mail:530056679@qq.com

赵太勇(1971-)，男，副教授，从事弹药毁伤技术研究。E-mail:zs_991109@163.com