一种带隔板双层药型罩结构的优化设计

段聪慧，尹建平，马国徽，张小静

(1.中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.陆军驻南阳地区第一军代室， 河南 南阳 473000)

随着装甲防护能力的不断提高，各种聚能装药战斗部也不断出现，研究人员还在不断探索着新的结构的战斗部，如复合药型罩战斗部、多层串联战斗部、星锥状药型罩战斗部、梅花形药型罩战斗部和不同装药战斗部等[1]。

在战斗部内部添加隔板使到达药型罩时的爆轰波压力增加也是一种提高射流性能的手段。有许多人对此进行了研究，李如江等[2]通过详细的原理计算把隔板对聚能射流性能的影响进行了理论叙述和数值模拟；岳继伟等[3]研究表明了隔板对偏心起爆具有放大作用；李运禄等[4]研究分析了隔板对偏心亚半球罩聚能装药的影响，得出了尼龙作为隔板材料时射流性能较好，隔板直径为主要影响因素，隔板顶部与药型罩顶部距离对射流性能影响不大等等。但还没有人研究过隔板对双层药型罩有何影响，本文对这一问题进行研究与探索。

1 隔板影响爆轰波原理

如图1所示，隔板要选择音速较小、隔爆性能好的材料，要保证路径2的爆轰波到达药型罩表面前，路径1的爆轰波不能提前到达药型罩表面[5]。

图1 爆轰波的传播路径示意图

隔板的主要作用是改变爆轰波到达药型罩时的着角，路径1代表未加隔板的情况下，进行点起爆时爆轰波的传播路径，可以看出爆轰波沿直线传播到药型罩表面，爆轰波面切线与药型罩母线的夹角为α；加了隔板后，爆轰波传播包括路径1和路径2两条，一部分爆轰波会沿着直线穿过隔板到达药型罩表面，因为要穿过介质，所以爆轰波的能量会有所损失；一部分爆轰波沿着路径2到达药型罩表面，爆轰波面切线与药型罩母线的夹角为β。到达药型罩表面的初始压力可由式(1)算出。

Pm=Pcj(cosx+0.68)

(1)

其中：Pcj为爆压;x为爆轰波面切线与药型罩母线之间的夹角。

由式(1)可以知道，随着夹角x的减小，爆轰波作用在药型罩的压力就越大，当角度减小到0°时，到达药型罩的压力达到最大。所以隔板的作用就是尽可能减小爆轰波到达药型罩时的角度。由图1可以明显看出，增加隔板之后，爆轰波到达药型罩表面的角度β小于直线传播过来的角度α，结合式(1)可以知道，起到了增加爆轰波压力的作用。

另一方面，路径1的爆轰波和路径2的爆轰波在药型罩顶部进行汇合，形成速度更强的波，使形成的射流头部速度大大提高。

下面通过调整隔板的参数，使到达药型罩的爆轰波压力尽可能大，同时保证射流的形态稳定。

2 数值仿真模型的建立

2.1 结构模型

图2是在AutoCAD中绘制的全模型，弹体直径为D=100 mm，隔板直径为d，壳体壁厚为t=3 mm，药型罩厚度为δ=2.5 mm，内罩厚度为λ=1 mm，药型罩顶部距离隔板n=5 mm，装药底部距离隔板m=8，隔板平台x，药型罩锥角为2α=60°，长径比为1.5,装药长度L=150。

图2 带有隔板的几何模型示意图

在Autodyn-2D中创建二分之一有限元模型(如图3)。在战斗部爆炸时，不论药型罩还是炸药，都会产生很大变形，所以计算模型均采用Euler算法，因为Euler算法中只有材料在网格间流动，避免了Lagrange算法在计算过程中，网格发生大变形造成的计算时间太长甚至出错的麻烦。空气与边界类型定义为Flow-Out，来模拟无限空间，以防止材料在边界反射影响正常仿真结果。

图3 带有隔板的有限元模型示意图

2.2 材料模型

仿真中所应用到的材料均来自Autodyn自带材料库中选取[6]，壳体用硬铝AL 2024-T4，内层药型罩用紫铜COPPER，密度为8.93 g/cm3，外层药型罩采用硬铝AL 2024-T4，炸药用COMPBJJ1,密度为1.717 g/cm3，隔板材料为尼龙NYLON，密度为1.14 g/cm3;以上材料模型的状态方程、强度模型和失效模型如表1所示。

表1 材料模型

3 仿真结果及其分析

3.1 有无隔板对爆轰波和射流的影响

第1节通过理论分析了隔板对爆轰波传播的影响。下面将应用Autodyn-2D对上述结构和材料的双层药型罩进行仿真验证(如图4)。

图4 爆轰波波形

从图4可以看出，不加隔板时，爆轰波是典型的球面波，且在7.1 μs时达到药型罩顶部，从左侧的压力表中可以看出最大压力只有3.161×104MPa；加隔板后，爆轰波从两边绕过隔板，13.28 μs时在药型罩顶部汇聚成超压波，压力达到了1.827×105MPa，压力远大于不加隔板时候的爆轰波压力。

由图5结合表2可以看出无隔板时，射流的长度和速度明显小于有隔板的射流，有隔板时的速度比无隔板时速度提高了37.68%，长度伸长了36.76%，可以看出加隔板对射流的速度和长度有很大的作用。无隔板时射流比较短粗，杵体比较粗大；有隔板的射流呈细长状态，杵体较小，这是由于药型罩受到的压力很大，射流速度快，迅速被拉长。

表2 在60 μs时有无隔板对射流的影响

3.2 隔板直径对双层药型罩射流成型的影响

为研究隔板直径对双层药型罩射流成型的影响，保持其他变量不变，只改变隔板直径进行研究，分别将隔板直径分为72 mm、76 mm、80 mm、84 mm和88 mm 5组研究射流的头部速度、射流长度和形态。在60 μs时，射流已成型，仿真结果如图6与图7所示。

图6 隔板直径对射流成型的影响曲线

图7 不同直径隔板的射流成型

图6可以看出随着隔板直径的增大，射流的速度也在增大，这是由于随着隔板直径增大，沿路径2传播的爆轰波面切线与药型罩母线之间的夹角不断减小，从而使爆轰波在此路径作用于药型罩的压力不断增大，导致射流速度的增大；射流的长度随着直径的增大先增大后减小，在隔板直径为 84 mm 时，射流的长度达到了最大；由图7可以看出，加了隔板后，射流不同程度的在头部出现了拉断，这是因为射流速度太高所导致的，其中隔板直径为88 mm时，射流拉断比较严重，不但射流头部出现拉断，射流中部也出现了拉断的趋势，射流成型较差。综上所述，当隔板直径为84 mm时，射流的速度较高，射流长度最长，射流形态较好，总体性能优于其他直径时的射流性能，所以下面进一步研究时选择隔板直径为84 mm。

3.3 隔板平台长度对双层药型罩射流成型的影响

为研究隔板平台x对双层药型罩射流成型的影响，将隔板平台分成x=10 mm、20 mm、30 mm和40 mm 4部分进行射流成型仿真。在60 μs时，射流已成型，仿真结果如表4所示。

表4 在60 μs时隔板平台长度对射流的影响

由表3可以看出，隔板平台的长度对射流速度和射流长度都有影响，影响机制复杂，不具备线性规律，根据实验条件所得，隔板平台长度为20 mm时，射流的速度达到了最高，隔板平台长度为10 mm时，射流长度达到最大。综上分析，隔板结构优化中选取隔板长度应在10～20 mm选择。

4 结论

通过理论分析，得知在锥角为60°的双层药型罩，材料模型为壳体用硬铝AL 2024-T4，内层药型罩用紫铜COPPER，密度为8.93 g/cm3，外层药型罩采用硬铝AL 2024-T4，炸药用COMPBJJ1，密度为1.717 g/cm3，隔板材料为尼龙NYLON，密度为1.14 g/cm3的情况下，隔板可以提高爆轰波到达药型罩表面时的压力，再加上双层罩的加速作用，可以使射流的速度进一步提高。对本文构建的直径100 mm样弹模型而言：

1) 相比较于无隔板，增加隔板使得射流的头部速度比无隔板时提高了37.68%，射流长度伸长了36.76%，杵体直径更小，射流长径比更大。

2) 隔板的直径d为84 mm时，射流的头部速度达到10 030 m/s，射流长度达到最大，射流的形态也比较好，射流整体性能达到最好。

3) 隔板平台在x=20 mm时，使射流头部速度达到最大；在x=10 mm时，射流长度达到最大；所以x在选取时应该为10～20 mm。