罩顶过渡弧半径对特氟龙射流冲击起爆夹层装药的数值研究

吴迪，张渝，张文超

（中北大学机电工程学院，山西太原，030051）

0 引言

爆炸反应装甲（Explosive Reaction Armor， ERA）能够导致金属射流丧失侵彻主装甲的能力，使传统反装甲武器面临巨大的冲击。目前反ERA主用弹药为串联战斗部[1]，其中最为典型的是破-破型串联战斗部，为了避免采用延时机构，使战斗部结构更为紧凑，串联型战斗部前级装药药型罩多采用特氟龙、尼龙等低密度、低声抗特点的高分子材料，爆炸产生的射流对ERA的破坏效果为穿而不爆，为主装药射流开辟侵彻通道，实现战斗部威力最大化[2-3]。在对低密度射流穿而不爆的影响因素研究中，多针对药型罩锥角、壁厚和装药长径比展开分析。董方栋等[4]通过改变特氟龙药型罩的锥角和壁厚，实现了对ERA的穿而不爆。崔斌等[5]分析了药型罩锥角、壁厚及装药长径比对尼龙射流侵彻夹层装药穿而不爆的影响情况，并得出了冲击引爆夹层B炸药的阈值。整体来看，在现有研究中，药型罩罩顶过渡弧对冲击起爆ERA的影响情况分析相对较为少。

文中采用非线性动力学软件AUTODYN，对特氟龙射流侵彻ERA的过程进行数值模拟，得到了罩顶过渡弧半径对冲击起爆ERA的影响情况，证明了通过改变罩顶过渡弧半径可实现对ERA的穿而不爆，旨在为反ERA战斗部的设计提供一定的理论支撑。

1 计算模型

■1.1 几何和有限元模型

图1 聚能战斗部几何模型

聚能战斗部几何模型如图1所示，装药口径为30mm，1.5倍口径装药高度，药型罩壁厚为2mm，锥角为60°，药型罩罩顶过渡弧半径为R3，起爆方式为中心起爆。

由于该聚能战斗部为轴对称结构，故采用AUTODYN-2D软件来建立1/2有限元模型，如图2所示，仿真过程中不考虑壳体的影响情况。由于装药爆炸、药型罩压垮和闭合以及聚能射流的形成都是大变形问题，为了避免网格畸变，聚能战斗部采用Eular算法。将爆炸式反应装甲等效为带壳装药结构，带壳装药的面板、夹层装药及背板厚度分别为2mm、4mm和2mm[6]，采用Lagrange算法，在夹层装药中每隔5mm设置一个高斯点，共设置6个高斯点，如图3所示，以便于观察夹层装药中各点的压力及反应度。夹层装药与聚能战斗部及空气之间采用流固耦合算法。为更好的模拟射流成型过程，在欧拉域射流成型的中心通道上采用加密网格的方式建立有限元模型，并在边界上添加“Flow-out”边界条件，用以消除边界效应。数值模拟过程中采用cm-gμs单位制。

图2 聚能战斗部1/2有限元模型

图3 夹层装药模型

■1.2 材料模型及参数

模型中，空气采用Ideal Gas状态方程描述；主装药为B炸药，采用JWL状态方程描述；药型罩材料为特氟龙，采用Shock状态方程和von-Mises强度模型进行描述；夹层装药的面板和背板均为4340钢，用Linear状态方程和Johnson Cook强度模型进行描述；带壳装药的夹层装药也选用B炸药，采用Lee-Tarver状态方程和von-Mises强度模型进行描述。各材料参数具体如表1-4所示[3]。

表1 B炸药JWL状态方程主要参数

表2 特氟龙Shock状态方程主要参数

表3 4340钢主要参数

表4 夹层装药Lee-Tarver状态方程主要参数

2 数值模拟结果及分析

■2.1 射流成型过程

以药型罩罩顶过渡弧半径R3=3mm为例，特氟龙射流成型过程如图4所示。

图4 特氟龙射流成型过程

如图4所示，特氟龙药型罩的成型过程与传统金属射流药型罩成型过程基本一致。装药起爆后，药型罩受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击，罩顶微元首先出现压垮变形，随着爆轰波的向前传播，这种变化由上到下相继发生，各罩壁微元互相碰撞、挤压，并在轴线上汇合后沿轴线方向运动。由于存在头尾速度差，导致射流在运动中逐渐拉伸伸长，出现颈缩现象，最终在一定炸高处射流被拉断。

■2.2 罩顶过渡弧半径对射流头部速度的影响

为探究药型罩过渡弧半径对特氟龙射流头部速度的影响情况，在聚能装药其他参数不变的情况下，仅改变过渡弧半径R3的大小进行仿真分析，过渡弧半径R3分别为3mm、5mm、7mm、9mm和11mm。分别在1-6倍炸高处设置高斯点，记录特氟龙射流头部速度。射流头部速度随药型罩罩顶过渡弧半径变化情况如图5所示。

由图5可知，特氟龙射流在前向流动的过程中，射流头部速度会随着炸高的增加逐渐降低，即射流头部速度与炸高成反比。

图5 射流头部速度随过渡弧半径变化情况

■2.3 冲击起爆分析

根据M.Held等[7]提出的u2d值作为起爆判据，即：

其中K为常数，当K值达到阈值时，装药就会发生爆轰，是装药起爆的判据。对于不同材料的射流，K值也不同，B炸药的K值为23mm3/μs2；u为高能炸药中的开坑速度；d为射流直径；v为聚能射流的速度；ρH为装药的密度；ρp为射流的密度。

文献[4]中认为，在对u2d进行计算时，因特氟龙药型罩在压垮形成射流的过程中，特氟龙密度存在变化，密度已经不再是2.153g/cm3，应该取射流侵彻ERA前的密度，密度取值在1.34g/cm3-1.4g/cm3之间。

当药型罩壁厚、锥角及装药长径比确定时，随着罩顶过渡弧半径的逐渐增大，特氟龙药型罩形成射流的u2d值会单调减小，二者呈线性关系，拟合所得公式为：

由此可见，随着特氟龙药型罩罩顶过渡弧半径的增大，形成的射流对ERA侵彻过程中，夹层装药会逐渐由起爆转为未爆，可实现对ERA的穿而不爆。

3 结论

文中对不同罩顶过渡弧半径所形成的特氟龙射流冲击起爆夹层装药进行了数值模拟，分析了罩顶过渡弧对夹层装药冲击起爆的影响情况，得到如下结论：

（1）改变特氟龙药型罩罩顶过渡弧半径，将会影响射流头部速度，随着药型罩罩顶过渡弧半径增大，在相同炸高处射流速度减小，装药过渡弧半径大小与射流头部速度成反比关系。

（2）当药型罩壁厚、锥角及装药长径比确定时，随着特氟龙药型罩罩顶过渡弧半径的增大，形成射流的u2d值呈持续下降的状态。

（3）当药型罩壁厚、锥角及装药长径比确定时，随着罩顶过渡弧半径增大，射流可实现对夹层装药的穿而不爆。证明了增大药型罩罩顶过渡弧半径是实现穿而不爆的一种方法，为后续研究提供思路。