杆式射流侵彻移动靶数值模拟

2021-05-06张国伟乔通通康斌会

兵器装备工程学报 2021年4期

曹鹏，张国伟，乔通通，康斌会

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

现有的近程防空主要以高射炮弹组成的密集阵以及制导炮弹共同截击，毁伤效能主要是依靠破片的形式侵彻导弹的核心部位，使得导弹偏离预定的航线位置或直接穿透壳体引爆战斗部[1]。若是只发生偏航或解体，来袭导弹战斗部仍然有爆炸可能带来威胁。随着导弹防护能力的增强，导弹壳体的强度和厚度不断增加，同时装填新型钝感炸药材料以及更加优化的结构，使得破片战斗部对于导弹的侵彻能力不足以完成防空任务。射流具有高温、高速、高侵彻能力，对于厚壁高强度壳体能有效侵彻，从而引爆战斗部完成防空任务。国内一部分学者从理论、结构、材料等多方面研究杆式射流特性[2-4]，还有的学者结合仿真与试验发现杆式射流侵彻运动靶板具有良好的效果[5-7]。本文将导弹的厚壁壳体等效为移动靶板，重点仿真JPC(杆式射流)对移动靶板在不同角度、不同速度下的侵彻效果，为实际应用提供仿真参考。

1 仿真方案的确定

杆式射流是一种侵彻效应介于聚能射流与爆炸成型弹丸之间的聚能侵彻体，它像爆炸成型弹丸一样没有明显的杵体和射流之分，成型效果好，不像聚能射流一样成型后容易拉断。当炸药爆炸后，爆轰波作用到金属药型罩上，将金属药型罩以极高的速度沿法线方向向中心挤压，使金属药型罩发生变形并在轴线上挤压碰撞，形成一股高速的金属射流。通过给靶板设置不同速度梯度和不同角度来模拟杆式射流侵彻运动目标，利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟，得到杆式射流对移动靶板的侵彻效果以及相关规律。

2 数值模拟

2.1 材料模型

本文的数值模拟需要建立5个部分。即药型罩、炸药、空气域、壳体以及靶板。药型罩采用紫铜、炸药采用8701、壳体为钢制材料、靶板采用45#钢。

① 药型罩的主要参数：药型罩选用紫铜，采用MAT_JOHN-SON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程，其材料模型参数与状态方程参数如表1与表2所示。状态方程的基本形式为：

对于可压缩材料

(1)

对于不可压缩材料

p=ρ0C2μ+(γ0+αμ)E

(2)

② 炸药采用8701(见表3)，主要参数为：密度ρ=1.82 g/cm3，爆速VD=8.48 km/s，爆压PCJ=34.2 GPa。选用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型，状态方程为EOS_JWL状态方程，其基本形式为：

(3)

式中：p为压力；E为爆轰产物的内能；V为爆轰产物的相对体积；A、B、R1、R2和ω为待定常数，其中E0为初始内能，材料参数如表3所示。

表1 Johnson-Cook材料模型参数

表2 紫铜Gruneisen状态方程参数

表3 8701炸药主要参数

③ 空气采用MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL状态方程，其材料模型与状态方程参数如表4与表5所示。状态方程的基本形式为：

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+

(C4+C5μ+C6μ2)E

(4)

表4 空气材料参数

表5 空气状态方程参数

④ 壳体采用钢制材料，采用MAT_JOHN-SON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN状态方程。

⑤ 靶板采用45#钢。

2.2 模型结构的建立

2.2.1仿真模型及方案

本文战斗部模型选取药型罩锥角为110°、口径90 mm、壁厚2.6 mm、壳体壁厚4 mm、装药高度162 mm。靶板厚度为100 mm，距离药型罩3倍的口径距离，即270 mm。战斗部模型与移动等效靶板的交会角度设置为30°、45°、60°、75°、90°五种交会角度，如图1所示。同时设置移动靶板的速度梯度为0 m/s、170 m/s、340 m/s、510 m/s、680m/s，即0～2Ma之间5种不同的速度梯度，共计25种仿真方案。由于靶板具有角度与速度，故采用二分之一建模方式[8]，单位制采用cm-g-μs。考虑靶板建模尺寸以及边界效应，空气中添加无反射边界条件。所有网格均为六面体实体单元，采用中心单点起爆方式，炸高为270 mm。模型如图2所示。其中：V靶板表示靶板的运动速度；V射流表示射流运动速度；θ表示射流与靶板的交会角度。

图1 交会角度示意图

图2 模型示意图

2.2.2仿真算法

采用LS-DYNA软件仿真计算，在仿真中定义药型罩、炸药、空气为ALE算法，可以克服LAGRANGE单元严重畸变引起的数值求解困难，通过*ALE_MULTI-MATERIAL_GROUP关键字定义多材料物质组跟踪每一组物质，有效观察射流的运动状态。壳体与靶板为LAGRANGE算法。定义*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID流固耦合算法，用作流体与结构之间的相互作用[9-10]。

3 数值模拟结果分析

3.1 总体分析

对于所有方案来说，射流侵彻靶板前的头部速度大致相近约在5 100～5 200 m/s左右。在方案510 m/s速度，交会角度75°、90°下射流未穿透；680 m/s速度，各个角度方案下射流均未穿透靶板，其他方案均穿透靶板。对于靶板侵彻形成效果良好的“通道”。

表6 侵彻靶板效果图

杆式射流在侵彻动态靶板过程中，在靶板速度较低时，射流未被拉断，形成一条弯曲的“通道”，具有良好的侵彻效能；在靶板速度较高时，杆式射流侵彻较深距离后，由于射流持续不断受到靶板横向力的干扰，导致侵彻通道中未完成侵彻作用具有破甲能力的射流发生弯曲甚至是断裂。并且射流与两侧靶板孔挤压发生侵蚀作用，少部分速度较低的金属射流将附着在孔壁内侧直至速度为0 m/s。整个过程使得靶板内部侵蚀体积增加，同时降低整体射流的速度。

3.2 作用时间分析

射流侵彻靶板的作用时间是指：从射流接触侵彻靶板开始到穿透靶板这整个过程所用的时间。由于炸高为270 mm，射流从形成到接触静态靶板的时间均为68 μs。通过计算在建模时保证靶板在不同速度下运动到射流侵彻靶板时的距离为270 mm。图3所示为射流作用时间曲线。

图3 射流作用时间曲线

从数据上看，在靶板速度为0 m/s和170 m/s的速度下，由于速度较低，射流在不同角度下侵彻靶板的作用时间基本没什么变化；在340 m/s、510 m/s、680 m/s速度逐渐增加下作用时间随着角度的增加而增加。这是因为角度的增加会改变靶板径向的速度变化，使得径向速度对射流横向干扰加大，使射流对于孔径“通道”内壁侵蚀消耗越大，所以作用时间会增加。

3.3 射流速度分析

射流的速度分析主要从射流头部剩余速度和速度下降程度来考虑，由于模型相同射流从成型到接触靶板前的速度基本上相同，在5 100～5 200 m/s 左右。

从数据分析，靶板速度为0 m/s时，随着交会角度的增加，射流剩余速度越来越大；靶板速度为170 m/s和340 m/s时，随着交会角度的增加，射流剩余速度呈现先减少后增加，具体表现在30°～60°减少60°～90°增加；靶板速度为510 m/s和680 m/s时，随着交会角度的增加，射流剩余速度逐渐递减。数据表明，在静态下垂直穿靶能够更加有效穿靶，节约射流动能；在靶板低速下，射流与靶板交会角度在45°～75°间，越靠近60°，剩余速度越小，侵彻过程损失动能越大；在靶板高速下，射流剩余速度随交会角度增大而减小，且明显速度降差距大，在未穿透靶板的方案中，射流的z轴方向速度已经降至0 m/s无法继续侵彻。图4与图5分别表示射流剩余速度和射流相对速度降低百分比。

图4 剩余速度曲线

图5 射流速度降低百分比曲线

3.4 射流偏移分析

射流侵彻动态靶过程中不可避免发生偏移，侵彻角度和靶板速度共同影响着偏移距离。以图6中方案为例，射流与靶板45°交会，靶板速度为340 m/s，分析从射流开始侵彻靶板到射流穿透靶板整个过程：

图6 射流不同时刻下侵彻靶板示意图

68～108 μs时，射流在侵彻靶板之初，头部射流速度较大，受到靶板的横向扰动较小。能够快速侵彻靶板开孔，让后续射流能够无障碍的进入；128～148 μs时，随着侵彻过程继续进行，速度较低的中部以及尾部射流受到靶板横向扰动，出现弯曲甚至是断裂[11]。靶板的运动大大降低了射流轴向速度，但是一定程度上增加了射流径向速度，使得在射流侵彻靶板过程中增加了对孔径内壁的侵蚀，扩大了孔径形成效果良好的“通道”；178 μs时，头部射流和中部射流完全断开，头部射流在靶板横向运动干扰下继续向下侵彻靶板，中部以及尾部射流在孔径内侧侵蚀，扩大“通道”，部分尾部射流在这一过程中速度降为0 m/s黏在“通道”内壁上。在所有方案中当速度一定时，随着交会角度的增大，射流受到横向扰动越大，偏移的距离越远，靶板内射流侵彻成型的“通道”越弯曲；当交会角度一定时，靶板速度越大，射流受到横向扰动越大，偏移的距离越远，靶板内射流侵彻成型的“通道”越弯曲。表7表示各方案射流的偏移距离。

表7 不同方案下射流偏移距离

3.5 靶板开坑分析

射流本身具有很高的速度与动能，在侵彻靶板的瞬间产生极高的压力和温度，侵彻后会在靶板表面形成一个孔洞。当头部射流撞击靶板开孔时，后续射流持续不断的推动头部射流向前侵彻靶板，直至射流完全穿透靶板或射流能量消耗散尽无法向前侵彻。射流完全穿透靶板时会在靶板上下表面形成相应的孔径，直观上靶板表面孔口部呈喇叭形，孔径周围会压缩变形，靶板会有一定程度上的外翻。开坑直径主要是因为中部和尾部的射流受到靶板横向扰动，不断侵彻靶板表面形成。随着靶板速度的增加，开坑直径越来越大。射流侵彻靶板作用时间增加，靶板内部孔径扩大，通道体积增加。表8是各个方案中射流侵彻靶板相关数据。