药型罩切分方式对射流形成影响的数值模拟

雷 伟，吕春玲，刘媛媛，吴 鹏

(中北大学环境与安全工程学院，山西 太原 030051)

药型罩切分方式对射流形成影响的数值模拟

雷 伟，吕春玲，刘媛媛，吴 鹏

(中北大学环境与安全工程学院，山西 太原 030051)

为了研究药型罩切分方式对其形成射流性能的影响，利用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA对横向切分和纵向切分的药型罩以及未切分药型罩在爆轰波作用下形成射流的过程以及对45号板的侵彻能力进行了数值模拟，比较了不同切分方式的药型罩在爆轰波作用下形成射流的形状、头尾部速度、拉伸长度和抗拉伸性能及其对45号钢板的侵彻能力。结果表明，在相同装药条件下，横向切分药型罩相比纵向切分药型罩的头部速度提高约220m/s，且抗拉伸性能更好，对45号钢板的侵彻深度提高约3.26cm；横向切分药型罩相比未切分药型罩的头部速度提高约360m/s，对45号钢板的侵彻能力提高约5.62cm。

药型罩；射流；数值模拟；切分方式；侵彻；破甲战斗部

引 言

药型罩作为破甲战斗部的核心部件之一，其形状变化对破甲能力有着巨大的影响[1-2]。如双层串联药型罩[3]、双球缺组合药型罩[4]等对破甲能力具有不同的影响。目前，对药型罩的研究已取得大量成果。陈兴等[5]设计了球锥结合药型罩，并采用数值模拟与实验验证相结合的方法研究了其射流对混凝土的侵彻特性，结果表明该结构药型罩对混凝土的侵彻能力相比半球形、锥角药型罩有了一定的提高；岳继伟等[6]提出了切分药型罩的概念，并采用数值模拟的方法研究了上下结合药型罩因两部分比例的变化，对其形成射流的影响，但未研究切分药型罩耦合方式对射流性能的影响。目前，有关切分药型罩的研究相对较少。

本研究在切分药型罩的基础上，将药型罩母线的长度按1∶1进行横向、纵向切分，并采用数值模拟软件ANSYS /LS-DYNA 对不同耦合方式的切分药型罩形成射流的过程及其对45号钢板的侵彻过程进行数值模拟，以期为切分药型罩的应用及破甲战斗部的设计提供参考。

1 数值模拟

1.1 药型罩设计

为了研究药型罩切分方式对形成射流的影响，选取锥形药型罩，锥角为60°，口径为40mm，厚度1mm；将药型罩按1∶1进行横向、纵向切分成上下两部分，因切分方式不同从而造成其耦合方式也发生变化，两种切分方式药型罩以及未切分药型罩示意图如图1所示。由图1可看出，横向切分的药型罩上下两部分为搭接接触，纵向切分的药型罩上下两部分为镶嵌接触。

1.2 数值计算模型的建立

3种装药结构采用相同的装药条件，装药口径为40mm，装药高度为60mm，炸药采用8701炸药，未切分药型罩以及切分药型罩各部分材料均选用紫铜；由于装药模型具有结构对称和爆炸作用载荷对称的特性，为缩短计算时间，取1/4结构建立3D模型，在对称面上通过施加对称约束来保证计算的准确性。模型均采用solid164实体单元类型，用映射网格划分；对3种装药结构射流的成型过程进行模拟时包含有3种材料及物质模型,分别为炸药、药型罩、空气；在模拟射流侵彻45号钢板过程中有炸药、药型罩、空气、45号钢板4种材料及物质模型。为了解决射流过程中网格畸变问题，建模时炸药、药型罩、空气均划分为Euler单元，靶板用Lagrange单元，两者之间定义多物质流固耦合算法求解。建立的射流形成有限元模型及结构布局图如图2所示，建立的有限元模型及结构布局图如图3所示，其中45号钢板尺寸为200mm×20mm×20mm，炸高为120mm。

1.3 材料模型的确定

炸药选用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型，状态方程为JWL；药型罩采用MAT_JOHNSON_COOK模型，状态方程采用GRUNEISEN;空气域采用无偏应力流体动力模型，状态方程采用GRUNEISEN;靶板的模型采用MAT_JOHNSON_COOK模型，状态方程采用GRUNEISEN;其具体参数如表1～4所示。

表1 炸药材料模型及其 JWL 状态方程参数

表2 药型罩材料模型及其 Gruneisen 状态方程参数

表3 空气材料模型及其线性多项式状态方程参数

表4 靶板材料模型及参数

1.4 计算方法的确定

ANSYS/LS-DYNA程序主要包括Lagrange、Euler和ALE算法。射流成型过程中，炸药的爆炸和药型罩的压垮过程以及对靶板的侵彻过程，网格将会发生大的畸变，计算网格的畸变将导致计算过程因出现错误而终止，因此对射流成型及侵彻全过程采用Lagrange算法难以满足要求。Euler算法虽然能完成模拟过程，但网格中物质界面流动不清晰，在网格不一致时其精确性较低。ALE算法兼有Lagrange和Euler两种算法的优点，其所采用的网格既不是欧拉的固定网格，又不是拉格朗日的随体网格，而是每步或隔若干步根据物质区域的边界构造一个合适的网格，以避免在严重扭曲的网格上进行计算[7]。根据算法的优缺点，本研究在模拟射流的形成过程中采用ALE算法，在对45号钢板侵彻过程进行数值模拟时采用流固耦合算法；起爆方式均为中心点起爆。使用后处理软件lsprepost观察射流的形成过程以及对45号钢板的侵彻过程。

2 数值模拟结果分析

2.1 不同切分方式药型罩上下部分姿态的变化

为了研究切分方式对切分药型罩形成射流的影响，通过后处理软件lsprepost观察切分药型罩射流形成过程中因其耦合方式的不同，上下两部分在爆轰波作用下姿态的变化。不同切分方式切分药型罩在炸药爆炸10μs 时的形状如图4所示。

由图4(a)可看出，未切分药型罩在爆轰波的作用下从顶部到药型罩尾部逐渐被压垮，并以一定的速度向药型罩的轴线方向运动，在轴线处被压垮的药型罩发生碰撞挤压从而形成聚能射流。切分药型罩在爆轰波作用下其尾部因切分方式的不同受上部的作用力也发生变化；根据图4(b)、(c)可得出，切分药型罩的尾部在受到爆轰波驱动时不受前段药型罩的作用力，自身姿态发生迅速改变，由于切分药型罩头尾两部分的接触方式不同，所以在爆轰波作用下姿态的改变也发生变化；横向切分的药型罩在爆轰波作用下，由于药型罩的上部分搭接在下部分之上，上部分在被压垮的过程中会给下部分一个作用力，从而使药型罩下部分的姿态发生变化，使后续的爆轰波作用其上的角度减小，大大减小了爆轰能量的损耗；纵向切分药型罩在爆轰波作用下，药型罩的上部分首先被压垮形成射流，而由于其上部镶嵌在下部中，因此下部分受到上部分药型罩的作用力较小，姿态变化较小，且上部分药型罩形成射流后进入到下部分药型罩中，从而对上部分药型罩形成的射流造成了一定的干扰，然后下部分药型罩被压垮后补充到射流的尾部。

2.2 不同切分方式对药型罩形成射流性能的影响

通过对不同方式切分药型罩在爆轰波作用下上、下两部分的姿态分析发现，由于药型罩的切分方式不同，造成药型罩上、下两部分之间的接触方式发生变化，在爆轰波作用下药型罩的上、下两部分之间的作用力也发生变化，从而造成下部分药型罩的姿态发生不同的改变，进而影响射流的头尾部速度、拉伸长度等性能。不同的射流头部速度和不同的速度梯度直接决定了射流的拉伸长度及其侵彻能力。为了研究3种装药结构射流的性能，运用后处理软件lsprepost观察射流的形成过程以及形态变化；为了排除爆炸激波的干扰，观察射流在100μs 时在空气域中的形态，如图5所示，相关参数见表5。

由图5可看到，3种药型罩的拉伸长度以及拉断间隙均有变化。

表5 不同切分方式药型罩形成射流的相关参数

注：v为射流速度；d为射流杵体直径；L为射流拉伸长度；t为射流断裂时间；E为射流侵彻前动能。

由表5可知，药型罩被切分后形成的射流头尾部速度以及拉伸性能均有提高，切分方式对射流的头尾部速度以及拉伸性能有较大影响。横向切分药型罩的头部速度比纵向切分药型罩提高约220m/s，比未切分药型罩提高约360m/s。横向切分药型罩形成的射流头部速度最大、速度梯度最大、拉伸长度最长、抗拉断性能最好，根据射流的侵彻机理[8]可得出，在相同的装药条件下，横向切分药型罩形成的射流侵彻能力最强。

2.3 不同切分方式药型罩形成射流的侵彻能力

使用数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA 对3种药型罩在相同装药条件下对45号钢板的侵彻过程进行数值模拟；选取3倍装药口径，120mm炸高，靶板尺寸为200mm×20mm×20mm，3种装药结构失去侵彻能力时靶板效果图如图6所示。

由图6可看出，在相同的装药条件下，3种药型罩所形成的射流对45号钢板的侵彻能力有一定的差异，这是由于3种装药结构的射流头尾部速度、速度梯度、拉伸长度等均不同，从而造成3种射流的侵彻能力发生变化。经过测量3种装药结构失去侵彻能力后靶板侵彻孔参数如表6所示。

药型罩切分方式H/cmd/cm未切分 13.201.02横向切分18.820.83纵向切分15.560.71

注：H为侵彻深度；d为开孔直径中，横向切分药型罩。

由表6可知，横向切分药型罩对45号钢板的侵彻深度比纵向切分药型罩提高约3.26cm，比未切分药型罩提高约5.62cm，表明在相同的装药结构中，横向切分药型罩形成的射流侵彻能力最强，纵向切分药型罩形成的射流次之，未切分药型罩的侵彻能力最弱。

2.4 实验验证

图7为未切分药型罩形成射流对靶板的侵彻试验结果。

由图7可知，未切分药型罩的平均开孔直径为1.03cm,平均侵彻深度为13.79cm。 数值模拟结果表明，未切分药型罩形成射流对45号钢板的侵彻深度为13.20cm。试验结果与模拟结果误差不超过5%，证实了数值模拟计算的准确性。根据以上模拟结果可以推断，横向切分和纵向切分药型罩的侵彻试验也能取得与未切分药型罩相同的结果。

3 结 论

(1)与未切分药型罩相比，切分药型罩形成射流的头尾部速度增加，射流的拉伸长度增加，有效提高了药型罩材料的利用率。

(2)在装药条件相同的情况下，切分药型罩可有效提高射流的侵彻能力，不同切分方式对药型罩的射流性能有较大影响，横向切分药型罩比纵向切分药型罩形成的射流性能更好，侵彻能力更强。

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NumericalSimulationontheEffectofDifferentSegmentationMethodsofShapedChargeLinerontheFormationofJet

LEI Wei, Lü Chun-ling, LIU Yuan-yuan, WU Peng

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

To study the effect of different segmentation methods of shaped charge liner on the formation of jet, the numerical simulation of the formation process of jet under the effect of detonation wave for different segmentation methods of shaped charge liner, including horizontal segmentation and longitudial segmentation, shaped charge liner without segmentation, and the penetration ability to 45# steel plate were performed by employing numerical simulation software ANSYS/LS-DYNA. The shape and head to tail speed of jet, stretching length and tensile properties formed under the effect of detonation wave for different segmentation methods of shaped charge liner and its penetration to 45# steel target plate were compared. Results show that under the same charge conditions, compared to longitudial segmentation type shaped charge liner, the head speed of horizontal segmentation type shaped charge liner improves by about 220m/s and its tensile performance is better, the penetration depth to 45# target plate increases by about 3.26mm. Compared with shaped charge liner without segmentation, the head speed of horizontal segmentation type shaped charge liner improves by about 360m/s, and the penetration depth to 45# steel target plate increases by about 5.62cm

liner; jet; numerical simulation; segmentation method；penetration; armor-penetrating warhead

TJ55;O358

A

1007-7812(2017)05-0102-05

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.05.020

2017-04-19；

2017-06-20

雷伟(1993-)，男，硕士，从事含能材料性能研究。E-mail:997343585@qq.com