圆筒形辅助结构对半球罩射流成型影响的研究

2020-03-20张小静吴国东王志军董方栋

火炮发射与控制学报 2020年1期

张小静，吴国东，王志军，董方栋

(1.中北大学机电工程学院，山西太原 030051；2.瞬态冲击技术重点实验室，北京 102202)

随着复合装甲、反应装甲、主动防御装甲等新型装甲不断出现，为了提高常规弹药的毁伤能力及应对不同的装甲目标，研究者提出了许多不同的战斗部方案，对药型罩的改进就是其中一个重要的方向。许多新型战斗部也被不断设计出来，串联药型罩、复合药型罩、汇聚式药型罩、星型药型罩、多层药型罩和各种组合药型罩等都已经出现，并且进行进一步的优化研究[1-3]。

国内外许多研究者对带有辅助结构的药型罩做了许多研究，V.F.Minin等提出并定义了超聚能射流的概念，做了初步的仿真研究[4]；徐文龙等从理论和实验的角度研究了超聚能射流的成型过程[5]；石军磊等研究了超聚能结构中，辅助结构的材料对射流性能的影响[6]；陈莉等研究了截顶辅助药型罩的材料对射流成型的影响和一种叠加辅助药型罩的射流成型过程，分别得出钛和钽组合优于其他组合和叠加辅助药型罩装药结构可提高主药型罩材料的利用率的结论，并可有效增加杵体的速度[7-8]；何洋扬等对圆锥、球缺组合式战斗部空气中成型技术进行数值模拟研究[9]；周方毅等对圆锥-球缺药型罩聚能战斗部结构优化设计进行研究，采用了正交优化设计进行了优化设计[10]。

虽然超聚能射流在国内外已做了较多研究，但是多数都是对锥形药型罩进行截顶处理，形成超高速射流。为了提高半球形药型罩形成的杆式射流速度，笔者在半球罩的顶端加上圆筒形辅助结构，研究射流的成型过程，以及圆筒的直径和高度不同时对药型罩射流成型的影响，提高侵彻能力。

1 爆轰波对药型罩的作用原理

为提高杆式射流的侵彻能力，在半球罩的顶端加上一个圆筒形的辅助结构，使得形成的杆式射流具有更高的头部速度和射流长度。爆轰波对带有圆筒形辅助结构半球罩的作用原理如图1、2所示。

由图1可以看出点起爆的爆轰波以球面波的形式向前传播，先触碰到圆筒形辅助结构，所以圆筒形辅助结构首先被压垮，随后半球罩再被压垮。

由图2可以看出爆轰波对药型罩的作用力方式，首先爆轰作用于圆筒形辅助结构的筒顶与圆柱面上，使得圆筒药型罩沿着轴线L压垮成多股小射流，在主轴线P点处汇聚，形成速度更高的一股射流，这股射流一部分由于速度快，到达杆式射流头部；一部分在杆式射流后面，对杆式射流有加速作用。

2 数值仿真模型的建立

带有圆筒辅助结构的半球罩如图3所示。图3(a)是在AutoCAD中绘制的全模型，弹体直径D为100 mm，装药直径d为94 mm，长径比为1.2,装药长度L为120 mm，壳体壁厚b为2 mm，药型罩厚度δ为3 mm，半球药型罩外半径R2为50 mm，内半径R1为48 mm，圆筒外径Φ与圆筒高度h为待研究参数。在Autodyn-2D中创建二分之一有限元模型，如图3(b)所示。

因为Lagrange算法在计算过程中，网格会随材料产生变形，变形太大会使时间步严重变小，导致计算时间加长，甚至使计算出错，所以Lagrange算法适合小变形计算；而Euler算法在计算中，网格固定不动，材料在网格中流动，不会因为变形太大而出现畸变。在爆炸过程中，炸药、药型罩和壳体都会产生很大的变形，所以本文中炸药、药型罩和壳体都使用Euler算法，而靶板采用Lagrange算法。

空气域边界类型定义为Flow-Out，表示所有物质可以流出，来模拟无限空间，以防止材料在边界反射使得仿真结果出现较为严重的误差，确保仿真的可靠性。起爆方式采用点起爆，计算时长为100 μs，网格密度为1个/mm.

3 材料模型

仿真模型中所用到的材料均是从Autodyn自带材料库中选取，壳体用铝合金AL 2024-T4，药型罩材料用紫铜COPPER；炸药用爆速和爆压较高的B炸药COMP B, 密度为1.717 g/cm3，爆速为7 980.001 m/s, 爆压为29.5 GPa，以上材料的状态方程、强度模型和失效模型如表1所示。

B炸药的状态方程为JWL，用来描述高能炸药爆炸及爆轰产物膨胀到100 MPa压力时的状态；铝合金和铜的状态方程为Shock冲击方程，用来描述密度、压力、能量、粒子速度和冲击速度之间的关系；4340钢的状态方程为linear，是用来定义一个线性的、与能量无关的状态方程。铝合金的强度模型为Steinberg Guinan，用来定义材料融化前的剪切模量；4340钢的强度模型为Johnson Cook，尤其用来描述金属材料在大应变、高应变率和高温的强度问题；铜的强度模型为Piecewise JC，是Johnson Cook模型的修正版。4340钢的失效模型为Plastic Strain，用来模拟材料的塑性破坏。

从图3(b)中可以看出有COPPER1和COPPER两种铜的编号，其实这两种铜编号的状态方程、强度模型和失效模型都一样，这里采用不同编号是为了区分辅助药型罩部分形成的射流和半球药型罩部分形成的射流，为研究射流成型和分析射流参数等方面提供了方便。

4 仿真结果及其分析

为了使射流的形态、速度和长度等达到最好，将对辅助圆筒结构的高度和直径进行优化。

4.1 带有圆筒辅助结构的半球药型罩射流成型过程

带有圆筒辅助结构的半球药型罩是一种新的组合药型罩结构，为研究圆筒辅助结构对半球罩射流成型的影响，选择圆筒高度为18 mm、圆筒直径为34 mm时进行研究，射流成型过程如图4所示。

由图4可以看出带有圆筒辅助结构组合药型罩的射流成型过程。在0～15 μs的过程中，爆轰波首先压垮圆筒辅助结构，形成两股小射流，向轴线处汇聚，在20 μs时完成二次汇聚，形成一股射流；在20～34 μs的过程中，圆筒形成的射流继续拉长，在34 μs时被半球罩形成的射流截断成两部分，为便于叙述，将半球罩形成的杆式射流命名为射流2，圆筒罩形成的射流有一部分到了射流2前面，形成射流1，留在尾部的形成射流3，下文中所有的射流都依照此方法进行编号；在34～45 μs的过程中，射流继续成型，在45 μs时，射流1与射流2出现裂缝，有断裂的趋势；在65 μs时，射流1与射流2完全拉断；在65～100 μs的过程中，随着速度梯度的不断增大，射流1与射流2断裂距离拉大，射流2继续拉长，射流基本成型。

4.2 圆筒直径对半球罩射流成型的影响

为研究圆筒辅助结构的直径Φ对半球药型罩射流成型的影响，设置初始圆筒高度为18 mm，圆筒直径分别为10、14、18、22、26、30、34和38 mm共8组进行研究，取100 μs时射流的数据进行分析，射流成型形态如图5所示。由图5可以看出，当圆筒直径为10 mm时，圆筒罩形成的射流都留在射流2尾部；当圆筒直径大于14 mm后，射流1的体积逐渐增加；随着圆筒直径的增大，射流2也逐渐变得细长；射流2的体积远大于射流1，在侵彻目标时起主要作用。

射流头部速度、射流长度和有效射流质量随圆筒直径变化关系如图6所示。

由图6可以看出：随着圆筒直径的增大，射流2的头部速度呈先增大后减小的趋势，在圆筒直径为30 mm时达到最大；随着圆筒直径的增大，射流2的长度呈先增大后减小的趋势，在圆筒直径为30 mm时达到最大；圆筒直径从10 mm到26 mm变化时，有效射流质量呈锯齿形下降；圆筒直径在26 mm时，射流有效质量急剧增加，在圆筒直径为30 mm时，射流有效质量达到最大；当圆筒直径大于30 mm后，射流有效质量急剧下降。

综上所述，当圆筒直径为30 mm时，射流的综合性能达到最优。

4.3 圆筒高度对半球罩射流成型的影响

为研究圆筒辅助结构的高度h对半球药型罩射流成型的影响，选择圆筒直径为30 mm，圆筒高度分别为3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33和36 mm共12组进行研究，取100 μs时射流的数据进行分析，射流成型形态如图7所示。

由图7可以看出，当圆筒高度在3～12 mm之间时，基本没有形成射流1，圆筒高度为15 mm时，射流1开始出现，并且随着圆筒高度的增大，射流1断裂程度加剧；随着圆筒高度逐渐增大，射流2变得更加细长，圆筒高度在大于33 mm后，射流2头部断裂严重。

射流头部速度、射流长度和有效射流质量随圆筒高度变化关系如图8所示。

由图8可以看出：随着圆筒高度的增加，射流2的头部速度先波浪形增大后减小，在圆筒高度为30 mm时射流2头部速度达到了最大；随着圆筒高度的增加，射流2的长度先波浪形增大后不变再减小，在圆筒高度为30～33 mm时射流2长度达到了最大；随着圆筒高度的增加，有效射流质量逐渐减小，这是因为随着圆筒高度的增加，形成射流1的圆筒罩逐渐减小；圆筒高度在3～36 mm之间变化时，有效射流质量只有十几克的变化，而且射流1断裂严重，对射流侵彻能力影响较小。

结合图7、8可以发现，当圆筒高度为30 mm时，射流的整体性能最好。