Zr基非晶合金药型罩射流的成型研究

陈 亮,祖旭东,黄正祥,肖强强,韩 伟

(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094;2.中国人民解放军32381部队,北京 100071)

非晶合金材料具有远高于对应晶态材料的断裂强度和脆性,其综合力学性能要优于常规金属,同时普遍具有较大的密度,具备了应用在药型罩上的可能。试验发现,采用非晶材料作为药型罩,可以形成非凝聚射流,由于其速度大,散布也较大,为提高聚能装药扩孔能力提供了新思路,但目前国内外相关研究较少。WALTERS等对非晶合金材料药型罩进行研究,拟突破非晶合金材料应用于药型罩的技术难题,结果表明射流主要呈现以大量粒子构成的高速集束粒子流形态,高速粒子间运动相互独立且具有一定的径向速度,炸高在2.3倍装药直径时能达到0.51倍装药直径大小的开孔效果。TRISHIN等研究了孔隙度对聚能射流的形成影响,发现当孔隙度大于某个值时,射流就会由凝聚转变为发散。在非晶合金材料药型罩的应用方面,郑娜娜等提出W-Cu-Zr非晶合金药型罩材料,通过对该材料综合力学性能的研究,设想其用作药型罩材料时有利于提高战斗部的侵彻威力。文献[4-5]通过冷淬法制得Zr基、Fe 基、Cu基非晶合金材料,具有高强高韧性能和良好的成型工艺性能,并成功制备出80 mm药型罩。刘迎彬考虑药型罩的初始孔隙度对射流成型的影响,提出了多孔隙药型罩压垮速度和聚能粒子流速度的计算公式,给出了多孔药型罩形成聚能粒子流的判断准则。

有关Zr基非晶合金药型罩的研究,在射流成型特性,特别是非凝聚性方面的研究很少,对于不同材料性质药型罩射流凝聚性差异的研究尚未开展。射流的凝聚性关系到射流的尺寸和密度,从而关系到射流对目标的开孔能力和侵彻深度。本研究利用数值仿真方法分别对Zr基非晶合金和Cu药型罩射流成型过程进行模拟,并通过脉冲X光试验进行验证,对比已有的金属和高聚物药型罩射流成型结论,分析Zr基非晶合金射流的本质及成因。研究结果对于选取非凝聚射流药型罩材料具有一定参考价值。

1 数值仿真建模

1.1 数值方法

考虑到非晶合金药型罩形成的射流呈非凝聚态特征,射流头部的状态是离散的、膨胀的,传统计算凝聚射流的欧拉方法不适用于描述这种情况,因此采用SPH光滑粒子流体动力学方法进行数值模拟。

1.2 数值模型

本数值仿真采用标准56 mm口径药型罩结构,其具有结构简单、加工方便、成型射流稳定等优点,填充粒子间距为0.2 mm,聚能装药结构尺寸如图1所示。

图1 聚能装药结构尺寸

1.3 材料模型

通过万能实验机(MTS)获得准静态压缩条件下的应力-应变曲线,如图2所示。该试验采用4 mm×8 mm的标准试件,通过图2可看出,Zr基非晶合金材料(具体组分为ZrTiNiCuBe)在受压缩破坏前没有塑性应变,压缩屈服强度高达1 860 MPa,远大于铜的屈服强度227 MPa,应看作脆性材料。针对其弹性-脆性、非多孔的材料性质,本仿真采用Johnson-Holmquist本构模型(JH-2模型),此强度模型主要用于描述脆性材料在高应变率、高压、大变形、材料损伤破坏环境下的动态力学响应行为。

图2 Zr基非晶合金和铜准静态应力-应变曲线

本文以Zr基非晶合金药型罩为研究对象,为研究其形成射流形态与传统金属药型罩形成射流形态的差异性及主要影响因素,利用仿真软件分别模拟了Zr基非晶合金和Cu 2种材质药型罩的射流成型过程。Cu采用Johnson-Cook强度模型和Shock状态方程进行描述;Zr基非晶合金选用JH-2强度模型及失效模型和Polynomial状态方程进行描述,主要参数如表1所示,表中,为密度;为剪切模量;,,,,为材料常数。主装药均选用8701炸药,主要参数如表2所示,表中,,,,,为材料常数;为爆速;为爆压。

表1 Zr基非晶合金的主要材料参数

表2 8701炸药的主要材料参数

2 数值仿真及结果分析

药型罩的材料类型是影响射流成型的关键因素,Zr基非晶合金是金属在凝固过程中通过工艺避免结晶而形成的材料,与金属材料的特性有本质区别。Zr基非晶合金药型罩和Cu药型罩射流的仿真成型过程如图3所示。

图3 射流成型及拉伸过程

2.1 射流速度差异分析

由图3对比可看出,Zr基非晶合金射流与Cu射流轮廓相近,头部最大速度分别为7 252 m/s、6 819 m/s,相差不大。这是因为Zr基非晶合金密度为6.11 g/cm,Cu密度为8.93 g/cm,密度相差不大且药型罩结构一致。但随着时间的延长,Cu射流在40 μs已经有明显的颈缩现象,60 μs时局部明显拉断,同时刻下Zr基非晶合金射流连续性仍良好并无颈缩现象。随着时间延长,Zr基非晶合金射流头部直径不断增加,表现出非凝聚特性,50 μs时Cu射流头部直径达到11.1 mm,同时刻Zr基非晶合金射流头部直径达到20.2 mm,接近前者2倍。在2种药型罩模型内外侧相同位置设置多个高斯点,任取运动到射流头部的3个高斯点,径向速度变化对比如图4所示,图中,射流轴向方向为方向,径向方向以笛卡尔坐标系分为、方向,可以看出,在2种药型罩同一微元位置,Zr基非晶合金射流在碰撞点汇聚后微元径向速度曲线均远比铜射流平稳,说明物质微元处于力平衡状态,不受因速度差造成拉伸时的内部作用力;Zr基非晶合金射流稳定后径向速度均不小于铜射流,因此Zr基非晶合金射流头部直径显著大于Cu射流头部直径;虽然Zr基非晶合金屈服强度1 860 MPa远大于Cu的屈服强度227 MPa,但两者起始加速时刻几乎一致,说明在爆轰波远高于两者屈服强度的加载下,两者均被瞬时压垮,但由于Zr基非晶合金密度小于Cu密度,其压垮速度略大,汇聚时间略短。

图4 头部径向速度曲线

CHOU等在研究平面轴对称碰撞机制时总结出射流形成的准则:亚声速碰撞时,总会形成一个密实凝聚射流;超声速碰撞时,存在一个形成附体冲击波的最大角度,若压垮角>,则会形成非凝聚射流,若压垮角<,则不会形成射流。

Zr基非晶合金的体声速为5 824 m/s,远超过接近4 000 m/s的压垮速度,不满足传统金属材料形成非凝聚射流的声速准则要求,说明Zr基非晶合金形成的射流性质不同于常规金属射流。

2.2 射流密度差异分析

由于Zr基非晶合金射流与Cu射流凝聚性存在差异,因此其质量、密度分布应有不同。图5所示为两者在30 μs时的粒子密度分布情况。

图5 30 μs时射流密度分布云图

由图5可以看出:对于Cu射流,由于射流整体凝聚性很好,在30μs时射流密度整体基本保持在7.8 g/cm以上,密度极差约为2.0 g/cm,密度变化幅度22.4%,密度分布为从外表面到核心逐渐减小。而对于Zr基非晶合金射流,在30μs时除射流核心部分仍然在5.6 g/cm以上外,射流外部密度普遍较小,密度极差约为5.1 g/cm,密度变化幅度91.7%,密度分布为从外表面到核心逐渐增大。Cu射流所表现出的密度分布特点是具有流体性质的射流的共同点,应是射流拉伸时流体黏性产生的影响。而Zr基非晶合金射流很明显不具备这一典型特点。结合Zr基非晶合金射流无颈缩现象,射流主体直径基本保持不变,头部物质微元处于力平衡态的情况。Zr基非晶合金射流的非凝聚现象应采用非凝聚高速集束粒子流来解释。

非凝聚集束高速粒子射流是药型罩在压垮过程中,受药型罩材料力学特性影响不能形成凝聚态射流和杵体,转而大部分质量全部形成高速粒子束状态的射流。用Zr基非晶合金射流性质为高速粒子流这一推论可解释Zr基非晶合金射流与Cu射流密度变化幅度相差极大这一现象。假设Cu射流为不可压缩黏性流体,2种射流组成性质的不同造成密度分布的差异性。Cu射流在碰撞点汇聚时,压垮速度小于体声速,不会产生激波面,射流不会受到突跃的扰动影响。Cu射流在空气介质中运动时,会在边界上与空气产生强烈的剪切力,这个剪切层的黏性作用减小了射流外部速度,而内层因不受力(或受力小)而速度要大于外部,因此轴心物质微元拉伸较快,密度较小。Zr基非晶合金射流在碰撞点汇聚时,大量高速粒子撞击后应会发生质量重新分配,密度大的粒子受径向力影响小,径向速度小,在射流内部;密度小的粒子受径向力影响大,径向速度大,在射流外部。同时因材料本身的高脆性,受大加载时会产生部分破碎的小密度粒子,扩大了密度的极差。

综上可以说明:Zr基非晶合金射流性质不同于Cu射流,不是流体性质,应为高速集束粒子流,因此造成Zr基非晶合金射流与Cu射流密度分布相反的现象。

3 试验验证

数值仿真将Zr基非晶合金按照脆性材料处理,没有考虑到高压、高应变率和高温对非晶材质的影响。为验证分析数值仿真结果所得到的结论,本文开展了射流成型X光摄像实验,Zr基非晶合金药型罩如图6所示,现场布置如图7所示。

图6 Zr基非晶合金药型罩实物图

图7 X光实验布置图

2种药型罩脉冲X光图像与数值仿真结果对比如图8所示,其中图8(b)中X光图像引用自文献[14],均为标准56 mm口径药型罩,图中的标注为X光片上的尺寸,放大比例为2。可以看出,起爆后30 μs时,射流轮廓清晰,能够明确观察到射流各部分形态,Zr基非晶合金射流整体凝聚性良好,头部略有膨胀现象,整个射流连续性良好,对称性良好;从起爆后60 μs时图像来看,射流整体连续性良好,不存在颈缩现象,对称性发生劣化,射流整体边缘略微模糊,类似雾化,射流尾部形态出现明显雾化。对比2个时间节点可发现,射流尾部与杵体衔接处形态变化不明显,这是因为药型罩底部有效装药比较少,射流粒子加载速度较小。

图8 射流X光图像(左)与数值仿真结果(右)

从脉冲X光照片与数值仿真结果的对比图像来看,两者在2个时刻形貌均很接近,说明采用SPH方法能较好地描述非凝聚射流和凝聚射流2种情况。结合表3的测量数据,射流头部速度、头部直径及射流长度的仿真值和实测值均吻合较好,说明在该时间跨度内,数值仿真具有真实性和可靠性。针对Zr基非晶合金射流图像,=30 μs时,射流成型时间较短,边缘粒子径向行程较小,射流还没有明显发散。当=60 μs时,随着粒子流的不断运动,边缘低密度粒子已产生了较大的位移。以上X光图像特征符合前文关于Zr基非晶合金射流为集束高速粒子流的推论。

表3 射流成型数值仿真与试验结果对比

4 结束语

本文针对Zr基非晶合金药型罩射流成型情况展开研究,通过数值仿真方法对比了Zr基非晶合金药型罩与铜药型罩的射流成型差异,并通过脉冲X 射线成像技术对仿真结果的有效性进行了试验验证。得到如下结论:

①Zr基非晶合金射流与Cu射流有明显差异,由于Zr基非晶合金材料屈服强度极高、塑性极低,药型罩在压垮时形成高速粒子流,头部粒子碰撞后会产生明显的发散效应,此现象适用于其他脆性材料。

②Zr基非晶合金射流具有良好的连续性,由于其本质是离散粒子,不会因头尾速度差产生颈缩现象,射流成型稳定后,密度基本不会随时间变化,密度大小分布为轴心到表面逐渐递减。

③基于脆性材料模型的数值仿真方法能够在一定时间范围内对Zr基非晶合金射流成型进行准确模拟,当射流因药型罩破碎形成的高速粒子质量分布不对称而造成的形貌改变不可忽略时,仿真与实际具有一定差距。