杆式钽射流侵彻水介质的数值模拟

刘亚昆，吴国东，王志军，尹建平，张 冲

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

【弹道工程和火药工程】

杆式钽射流侵彻水介质的数值模拟

刘亚昆，吴国东，王志军，尹建平，张 冲

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

为研究钽在水下聚能效应的应用，设计了一种亚半球聚能装药结构，运用非线性动力学软件AUTODYN-2D对其形成的杆式射流进行侵彻水介质数值模拟。分析钽射流侵彻无限水域的空腔效应和经过300 mm水介质对靶板的侵彻性能，结果表明：在相同结构条件下，钽射流侵彻水介质各项性能参数均优于铜射流。

钽；水下聚能效应；杆式射流；空腔效应

杆式射流(JPC)是基于聚能效应发展的一种新型侵彻体结构形式，它是利用一定的起爆方式，与装药和药型罩的匹配关系得到的一种介于射流(JET)和爆炸成型弹丸(EFP)之间的聚能侵彻体[1-2]。与聚能射流相比，具有攻击距离远、药型罩利用率高、侵彻孔径大等优点，与爆炸成型弹丸相比，具有速度较高、侵彻深度更大等优点[3]。钽的密度是铜的1.86倍，其硬度适中，富有延展性，热膨胀系数很小，且具有出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。钽由于其具有高密度，高动态延展率等优良特性，目前已成功应用于破甲弹的药型罩材料[4]。

目前各国大型水面舰船舷侧采用多层装甲加液舱防御结构，对于含水防护舱，普通的水下爆破战斗部难以对舰船形成致命毁伤，而聚能战斗部不但能利用聚能效应将目标贯穿，而且侵彻体贯穿目标后弹后水介质冲量会对破孔造成二次毁伤[5]。聚能效应在水下的应用要比在空气中复杂，由聚能效应产生的JET、JPC和EFP等入水后会迅速与水发生发应，被水介质侵蚀掉大量能量，导致毁伤效能显著减弱，同时聚能效应与水作用时会在水中形成瞬时空腔。对此，国内外针对聚能效应的水下应用，提出了随进串联装药和单装药双罩的结构设计思想。其毁伤机理为：聚能装药水下作用时产生两部分以上侵彻体，利用前侵彻体水中侵彻形成的瞬时空腔为随进主侵彻体提供无能耗通道，以显著提高主侵彻体的毁伤效能[6]。

本文设计一种亚半球聚能装药结构，对所形成的杆式钽射流进行侵彻水介质数值模拟，与铜射流作比较，分析钽作为药型罩材料用于水下聚能效应时的优异性能，所得结论可为水下聚能效应研究提供参考价值。

1 计算模型

1.1 结构模型

亚半球聚能结构如图1所示，药型罩直径D=100 mm，罩高H=45 mm，药型罩外曲率半径为R=70 mm，内曲率半径为R1=68 mm，壁厚为δ=2 mm，装药长度为L=100 mm，即装药长径比为1，壳体厚度为h=2.5 mm。中心点起爆，起爆点在装药顶端面。

图1 聚能装药简图

1.2 材料模型

利用非线性动力学软件AUTODYN-2D建立有限元模型，为充分模拟杆式射流水下侵彻空腔形成闭合过程，采用大水域计算，并在水域边界施加“FLOW-OUT”边界，避免反射波干扰。为节省计算时间，将成型杆式射流采用映射技术映射到大水域计算模型中，并添加高斯点A，模型具有轴对称型，只需建立1/2模型，如图2所示。

图2 大水域计算模型

炸药、壳体、药型罩和水均采用欧拉算法。材料选用AUTODYN软件库中材料[7]，其中炸药为Octol，密度ρ=1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，爆压34.2 GPa，壳体为铝，密度ρ=2.77 g/cm3，所选材料状态方程和强度模型如表1所示。

表1 材料模型

Autodyn中水的状态方程有冲击方程和多项式方程，冲击方程无法通过设置比内能来改变水的静水压力，固选用多项式方程。μ为水的压缩比，μ=ρ/ρ0-1，ρ为水压缩或膨胀后的密度，ρ0为水的初始密度，大水域中忽略密度在深度方向的变化，即认为水的初始密度ρ0=1.0 g/cm3。

当水压缩时(μ>0)时，状态方程为：

P=A1μ+A2μ2+A3μ3+(B0+B1μ)ρ0e

当水膨胀时(μ<0)时，状态方程为：

P=T1μ+T2μ2+B0ρ0e

水面处大气压Po=1.013×105Pa，单位质量水的内能：e=(P0+ρ0gh)/(B0ρ0)，P为水中压力，式中A1、A2、A3、B0、B1、T1和T2为常数，如表2所示。

表2 状态方程参数

2 杆式射流侵彻水介质

空腔效应[8]是高速投射物(弹丸、破片等)侵彻组织时所发生的一种变化迅速的物理现象。杆式侵彻体撞击水面瞬间，形成幅值很高的冲击波，并以球形压力波的形式传播，其持续时间很短。撞击水面后，临近的水质点会产生径向扩张而形成圆锥形空腔，空腔惯性膨胀到内部压力小于环境大气压时，外部气体进入空腔，随着侵彻距离的增加，水质点径向出现反向速度，空腔开始闭合。研究中所使用的药型罩材料如表3所示。

表3 药型罩材料参数

由高斯点A得到A质点径向速度在400 μs左右时出现反向速度，空腔开始闭合，400 μs时两种材料的杆式射流水中侵彻空腔效应如图3所示。

图3 杆式射流水中侵彻空腔效应

由图3可知，钽射流水中侵彻形成的空腔较为连续，而铜射流形成的空腔中间发生断裂，空腔过早的闭合。针对聚能效应的水下应用，与铜相比，将钽作为前级侵彻体材料，可以形成连续的瞬时空腔为随进主侵彻体提供无能耗通道。

杆式射流侵彻水介质的过程中，由于水介质的阻碍作用，射流头部会受到极大的侵彻阻力，使射流的速度不断衰减，当水介质作用在射流头部的压力远超过射流材料的屈服强度时，就会造成射流质量的损耗。射流侵彻水介质过程中，速度和质量都在变化，固取射流动能为研究指标。研究中将杆式射流对无限水域进行侵彻，得到两种材料对水介质的极限侵彻深度为：钽(1 566 mm)和铜(1 413 mm)。动能衰减曲线如图4所示。

图4 动能衰减曲线

由图4可知，铜射流入水后，动能在700 μs时衰减为0，其动能衰减速度大于钽射流，钽射流入水时动能小于铜射流，但是由于钽的高密度，耐腐蚀等特性，钽射流受水介质的侵蚀程度小于铜射流，使得最终钽射流对水介质的侵彻深度大于铜射流。

3 杆式射流水中侵彻靶板

将成型杆式射流映射到计算模型中，经过300 mm水介质后侵彻无限靶，有限元模型如图5所示。

图5 侵彻靶板有限元模型

靶板采用拉格朗日算法，并在靶板边界施加“Transmit”边界，消除应力波干扰。靶板材料为AUTODYN材料库中4340钢，材料参数如表4所示：

表4 4340钢参数

铜射流对靶板侵彻深度为291 mm，孔径为17 mm，钽射流对靶板侵彻深度为429 mm，孔径为20 mm，射流的动能衰减曲线如图6所示。

图6 侵彻靶板动能衰减曲线

由图6可知，射流在100 μs时穿过300 mm水介质，由于铜射流受水侵蚀较为严重，此时其动能小于钽射流，在400 μs时丧失侵彻能力。综上，在经过300 mm水介质侵彻靶板钽射流相比铜射流，侵彻深度提高47%，孔径提高17.6%。

4 结论

在相同聚能装药结构下，钽射流侵彻水介质各项性能参数均优于铜射流。钽在水介质中动能衰减速度和质量损耗率均小于铜。侵彻大水域，钽相比铜形成的空腔更连续，且侵彻深度比铜提高了10.8%。经过300 mm水介质侵彻钢靶，钽相比铜侵彻深度提高了47%，孔径提高了17.6%。

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

[2] 张先锋, 陈惠武.三种典型聚能射流侵彻靶板数值模拟[J].系统仿真学报, 2007, 19(19):4399-4401.

[3] 伊建亚, 尹建平, 王志军,等.偏心亚半球钼罩形成杆式射流特性研究[J].兵器材料科学与工程, 2015(2):53-57.

[4] 彭海健, 闫晓东, 李德富.钽在破甲弹药型罩中的应用[J].稀有金属, 2006, 30(5):678-681.

[5] 姚熊亮.舰船结构振动冲击与噪声[M].北京：国防工业出版社, 2007.

[6] 王海福, 江增荣, 俞为民,等.杆式射流装药水下作用行为研究[J].北京理工大学学报, 2006, 26(3):189-192.

[7] Century Dynamics Inc.Interactive Non-Linear Dynamic Analysis Software: AUTOFYN User’s Manual[M].Houston,USA：Century Dynamics Inc,2003.

[8] 安波, 蒋建伟.高速钢球对水介质侵彻时瞬时空腔形成的数值模拟[J].爆炸与冲击, 1998(bz):245-250.

NumericalSimulationofRodShapedTantalumJetPenetratingintoWaterMedium

LIU Yakun， WU Guodong， WANG Zhijun， YIN Jianping， ZHANG Chong

(School of Mechatronics Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

In order to study the application of tantalum in underwater mohaupteffect,design a sub hemispherical shaped charge structure, the use of rod jetnonlinear dynamics software AUTODYN-2D to simulate the formation of the penetration of water medium. The cavity effect of tantalum jet penetration into infinite water and the penetration performance of 300 mm water medium on target plate are analyzed.The results show that under the same structural conditions, tantalum jet penetration water medium performance parameters are better than the copper jet.

tantalum； underwater mohaupt effect； cavity effect

2017-09-06；

2017-09-28

国家自然科学基金资助项目(11572291);山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助项目(20160033)

刘亚昆(1993—)，男，硕士研究生，主要从事弹药毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.026

本文引用格式：刘亚昆，吴国东，王志军，等.杆式钽射流侵彻水介质的数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017(12):112-114,123.

formatLIU Yakun，WU Guodong，WANG Zhijun，et al.Numerical Simulation of Rod Shaped Tantalum Jet Penetrating into Water Medium[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):112-114,123.

TJ413

A

2096-2304(2017)12-0112-03

(责任编辑唐定国)