起爆点对通孔柱锥组合药型罩射流成型的影响

2022-04-08李小军谢长友盖希强

兵器装备工程学报 2022年3期

卢薇，李小军，谢长友，盖希强

(军事科学院防化研究院，北京 102205)

1 引言

药型罩在爆轰波加载下不断碰撞、挤压形成高温、高压、高速侵彻体，为有效提高射流的侵彻威力性能，得到侵彻性能更优良的杆式侵彻体，学者们通过改变药型罩顶部结构形状、爆点方式及爆点位置可获得头部速度更高、长度更长的射流。

王成、张会锁通过数值模拟及试验结果发现，起爆方式会影响射流成型过程及爆轰波传播途径均不同，从而导致射流头部速度相差较大。王义鼎、安文同等对截顶M形、V形顶部结构药型罩射流成型展开研究，结果表明与平顶结构相比射流头部速度显著提高。以上研究成果均表明，改变药型罩结构、起爆方式均能获得良好形态的射流。

本文基于爆轰波原理，通过偏心起爆方式影响药型罩上的爆轰载荷分布及射流成型。借助数值模拟方法，探究本文设计的直锥组合型药型罩，起爆位置和罩顶直柱高度，对杆式射流头尾速度、长度及其成型规律。

2 爆轰波传播分析

通孔柱锥组合战斗部截面图如图1所示。显然，中心起爆方式起爆位置为点A，偏心起爆时起爆位置为点B。从图1爆轰波传播路径可知，起爆位置的改变，将影响着爆轰波的传播路径。

从图1(a)中心起爆爆轰波传播规律可知，中心起爆时，当爆轰波经过药型罩罩顶区域，部分爆轰波将从药型罩罩顶中空区域泄压，压力的泄露使得作用在药型罩上的压力减小，从而导致压力减小。此时，不利于射流头部速度的提高；图1(b)改变了起爆点的位置，随着起爆位置偏离中心轴线，爆轰波抵达药型罩最顶部位置的时间长于其他部位。此时，头部射流成型时间早于其他部位，药型罩顶部两侧向中间汇聚，提前闭合了罩顶中空区域，阻止了药型罩顶部爆轰波从中空区域的泄露。与常规弧顶结构药形罩相比，合理直柱高度的选择，可有效提高了爆轰波能量利用率。

图1 起爆点位置对爆轰波传播的影响示意图Fig.1 Detonation point location on the impact of blast wave propagation

3 数值模拟概况

3.1 有限元模型的建立

聚能装药战斗部结构示意图及其计算模型分别如图2所示，计算模型主要参数为：药型罩锥角54°，装药直径=116 mm，等壁厚药型罩厚度=2.5 mm，为药型罩罩顶直柱高，高度依次取10 mm、15 mm、20 mm、25 mm。其中药型罩中空直径如图所示取值10 mm，数值模拟过程始终保持不变。起爆点的设置以炸药顶部轴线位置为中心，分布向轴线两侧偏移0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm。数值模拟采用LS-DYNA 2D有限元软件对射流头尾速度、长度及其射流成型进行综合分析。

图2 装药结构示意图及有限元模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the charging structure and finite element model

计算时采用1/2结构建立三维有限元模型。计算网格均采用Solid164八节点六面体单元，炸药、药型罩、空气均采用多物质ALE单元。最大网格尺寸为0.3 mm,前期已经探究网格尺寸对数值模拟计算没有影响。

3.2 材料模型及状态方程

本文研究壳体材料为2 mm的钢壳，采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。药型罩选择厚度为3 mm的紫铜，主装药选8701炸药，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型和JWL状态方程描述爆轰气体的压力、体积及能量。数值计算采用cm-μsvg-Mbar单位制。

4 数值模拟结果与分析

4.1 起爆点位置对射流头尾速度的影响

=50 μs时刻图3数据可知，当药型罩结构、爆点高度不变，改变起爆点的位置发现，随着起爆点偏移轴线距离的不断增加，相同时刻成型射流头部速度，呈现平缓上升趋势。由于爆点偏移位置较近，爆轰压力波从药形罩顶部直柱空腔泄露，所以射流头部速度增加不大。随着起爆点偏移中心轴线距离增加，射流头部速度不断增大。爆轰波抵达药形罩直柱外壁面的时间，小于沿着轴线方向爆轰波抵达罩顶的时间。因此，药型罩顶部和侧向承受爆轰波作用时，存在一定的时间差。所以，当爆轰波压垮药型罩时，起爆位置的偏移可有效防止罩顶爆轰波传播至罩顶直柱部位发生泄压现象的发生，从而提高射流头部速度。

图3 爆点位置对射流头部速度的影响曲线Fig.3 Effect of detonation location on jet head velocity

图4射流尾部速度随着爆点变化规律可知，尾部速度历经缓慢下降到急剧上升。爆点的偏移可视为聚能装药能量在药形罩上能量的重新分配。当总能量不变时，射流头部速度越高，表明射流头部获得的能量越大，所以射流尾部获取的能量少、速度低。

图4 爆点位置对射流尾部速度的影响曲线Fig.4 Effect of detonation location on the velocity of the jet wake

4.2 罩顶高度对射流速度的影响

从图5、图6可知，聚能装药起爆位置固定不变，仅改变药形罩顶部直柱高度。射流的头部速度和尾部速度呈先下降后上升的规律。数值结果表明，起爆位置相同，罩顶直柱高为10 mm时，射流成型时头部速度最高。

当药形罩直柱通孔直径为10 mm，由图5、图6可知，起爆点偏移战斗部对称轴约1.5～2倍通孔直径时，射流头部速度出现拐点。当起爆点位置偏移大于2倍通孔直径后，随着罩顶高度的增加射流头部速度逐渐递增。原因是，起爆位置确定不变，罩顶直柱部分高度小于最优高度时，可有效增加射流头部速度；当罩顶直柱高超过最优高度，压垮多余罩顶部分消耗了更多的能量，从而射流头部、尾速度出现拐点。

图5 罩顶高度对射流头部速度的影响曲线Fig.5 Effect of hood top height on jet head velocity

图6 罩顶高度对射流尾部速度的影响曲线Fig.6 Effect of hood height on the velocity of the jet wake

4.3 射流长度及形态分析

由图7数据可知，50 μs时刻，罩顶直柱高为10 mm时，药形罩形成的射流长度，均长于其他工况下的射流长度；当药形罩直柱结构不变，随着起爆点位置偏移，射流长度呈现递增趋势。射流长度的不断增加，说明了杆式射流头部速度不断增大，速度梯度不断增大。

图7 射流长度变化规律曲线Fig.7 Jet length variation law

当药型罩直柱高为10 mm，得到不同起爆位置50 μs时刻射流速度云图可知，起爆位置不断向外侧偏移，射流速度梯度不断增大，射流长度不断拉长，说明了炸药装药的能量更多的汇聚到药形罩上，反应出射流的侵彻毁伤能力更强。所以起爆点位置的合理选择，能够显著提高柱锥结合药型罩结构聚能射流的头部速度。数据表明：药型罩结构相同，改变起爆位置，射流头部速度差最高可达32%，与图5、图6数值结果一致。

此外，从图8射流成形形态可看出，该结构能够有效避免射流头部出现“蘑菇头”，说明该结构药型罩具备更好的侵彻毁伤能力。

图8 50 μs时刻射流形态图(直柱高10 mm)Fig.8 Jet pattern at 50 μs (straight column height 10 mm)

4.4 爆轰波传播规律分析

针对爆点位置和药形罩直柱高度模拟数据，选择药形罩直柱高度为10 mm和15 mm结构药形罩，取值8 μs时刻进行分析爆轰波压力云图，见图9、图10。

图9 药柱高度10 mm，起爆点偏移中心点不同距离时的压力云图Fig.9 pillar height of 10 mm,the pressure cloud at different distances from the center of the detonation point offset

图10 药柱高度15 mm，起爆点偏移中心点不同距离时的压力云图Fig.10 pillar height of 15 mm,the pressure cloud at different distances from the center of the detonation point offset

由图9和图10压力云图可知，战斗部起爆后，起爆点偏移轴线距离越远，爆轰波传播速度越快，射流微元受力越大，爆轰波作用在药形罩上的压力越大，因此射流速度急剧增加。观察2种工况下压力云图可知，爆点位置偏移20～40 mm时，药形罩顶部承受的压力高达47 GPa和50 GPa，约为中心起爆方式药形罩顶部承压的两倍，所以射流头部速度较高。综合分析，药形罩直柱最佳高度为1～1.5倍通孔直径，可为实际应用提供一定参考价值。