双层药型罩射流形成的仿真研究.pdf

第2 8 卷第3 期 2 0 1 1 年9 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．3 S e p ．2 0 1 1 D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 11 ．0 3 ．0 0 4 双层药型罩射流形成的仿真研究 夏杰，段卫东 武汉科技大学理学院，武汉4 3 0 0 6 5 摘要分析了聚能装药外罩对内罩的加速作用。用非线性动力学软件A U T O D Y N 模拟射流的形成，找到 形成射流和杵体的几何材料分界，以在药型罩分界线两侧分别设计2 种不同金属材料。比较不同药型罩组 合射流伸长到2 C D 2 倍炸高 时射流的连续性和头部速度，发现当内外层材料密度相当时，射流连续性变化 不大；当外罩比内罩的声阻抗小时，射流头部速度增大，且射流头部速度随声阻抗差的增大而变大j 关键词聚能装药；双层药型罩；射流；声阻抗 中图分类号0 3 8 3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 x 2 0 1 1 0 3 一0 0 1 3 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o nS t u d yo fJ e tF o r m a t i o no f D o u b l e - l a y e r e dS h a p e dC h a r g eL i n e r X I AJ 诡，D U A NW e i d o n g C o l l e g eo fS c i e n c e ，W u h a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 6 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h ea c c e l e r a t i o ne f f e c tb yo u t e r - l i n e rt oi n n e r - l i n e ro fs h a p e dc h a r g eW a ga n a l y z e d ．t l l en o n l i n e a rd y - n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r eA U T O D Y NW a Su s e dt os i m u l a t e dt h ef o r m a t i o np r o c e s so fs h a p e dc h a r g ej e t t i n ga n dt of i n d t h ep a r t i t i o nc o n t o u ro fj e t t i n ga n ds l u g g i n gi nt h el i n e r ，8 0 舾t os e p a r a t e l yf i l l e dt w od i f f e r e n tm e t a l l i cm a t e r i a l si n t o t h et w op a r t ．W h i l et h ej e ts t r e t c h e st o2 C D t w ot i m e so fb l a s th e i g h t ，c o m p a r i n gt h ec o h e r e n c ea n dt h ev e l o c i t ya t 2 C Do ft h ej e t ，w ef i n dt h a tw h e nt h ei n n e ra n do u t e rl i n e rm a t e r i a l sa c o u s t i ci m p e d a n c ei sq u i t e ，t h ec o h e r e n c eo ft h e j e tj u s tc h a n g eal i t t l e ；a n dw h e nt h ea c o u s t i ci m p e d a n c eo fo u t e rl i n e ri s s m a l l e rt ot h ei n n e rl i n e r ，t h et i p v e l o c i t y w i l lb e c o m eh i g h e r ，a n dt h el a r g e rt h ed i f f e r e n c eo fa c o u s t i ci m p e d a n c e ，t h eg r e a t e rt h ej e t - t i pv e l o c i t y ． K e yw o r d s s h a p e dc h a r g e ；d o u b l e ．1 a y e rs h a p e dc h a r g el i n e r ；j e t ；a c o u s t i ci m p e d a n c e 聚能装药射流的侵彻能力与射流的密度、头部 速度和速度梯度密切相关⋯，因此常选用一些重金 属作为药型罩材料。爆轰波在重金属药型罩表面将 产生强的反射，单层罩的能量转换机制不够合理，而 通过在炸药和药型罩之间配置声阻抗适中的材料， 就能使透射到药型罩上的压力达到最大值，从而提 高射流性能o 。 C H O UPC 研究了不同材料所形成射流的连续 性问题【3 】，C H A N T E R E T 通过在铜罩和炸药之间配 收稿日期2 0 1 1 0 3 - 2 2 作者简介夏杰 1 9 8 3 一 ，男，硕士研究生。爆炸理论及其应用， E m a i l w k d x j 2 0 1 0 1 2 6 ．C O n l o 置1 层镍罩H J ，解决了铜射流的不连续问题，C U R T I S JP 研究了不同材料复合药型罩的射流形成模型p J 。 国内臧涛成等对铜一铝复合药型罩形成射流的理论做 了相关试验研究M ’7 J ，郑宇和袁建飞建立了双层药型 罩射流形成的数学模型【8 40 | ，其实验和数值仿真结果 证明了双层药型罩能有效提高射流性能。 1 双层罩加速理论 研究发现‘2 1 ，药型罩内壁材料形成射流，其余 部分则形成速度很低、几乎没有侵彻能力的杵体，射 流质量大约占整个药型罩的1 5 ％一2 0 ％，材料的利 用率很低。因此可以选用2 种或者几种金属，设计 万方数据 4爆破 2 0 1 1 年9 月 l 嚣2 ㈩ “2 万■瓦两丽“i ， 2 双层罩仿真模型 2 ．1 聚能装药结构 本实验用A U T O D Y N 非线性动力学仿真软件模 拟射流的形成，聚能装药结构采用二维平面轴对称 模型，考虑到结构的对称性，只建立平面模型的上半 部分，其结构如图1 所示。装药直径1 0 0m m ，药型 罩厚度1 ．5m m ，锥角2 l 。。 图1 铜药型罩聚能装药二维仿真模型 F i g ．I 2 Ds i m u l a t i o nm o d e lo fC u l i n e rB l l a p e dc h a r g e 2 ．2 材料模型 实验选用铝、铜和镍作为药型罩材料，因为镍和 铜密度相当，但声速要大得多，而铜的延性比镍好， 铝的密度比铜小很多，但材料声速却比铜大，实验结 果具有可比性。试验所用材料及参数见表1 。 表1 实验材料模型 T a M e1M a t e r i a l sm o d e lu s e db yt h es i m u l a t i o n 部件 材料 鞣麓篱 g 乞- 3 药型罩AA L 2 0 2 4 S h o c kN o n eN o n e 药型罩口C O P P E R S h o c kN o n eN o n e 药型罩C N i c k e lS h o c kN o n eN o n e 外壳 S T E L L1 0 0 6S h o c kJ o h n s o n C o o kN o n e 炸药 O C T O L J W L N o n eN o n e 空气 a i rI d e a lG a s／／ 2 ．3 监测点设置 为实时跟踪药型罩压合过程中药型罩材料和射 流形成过程的速度变化情况，仿真时设置监测点。 图2 为靠近药型罩顶点位置的前2 个固定监测点与 其对应的前2 排活动监测点，轴线上红色圆点为固 定监测点，药型罩内黑色圆点为活动监测点。 I2对称轴 图2 固定和活动监测点位置布置 F i g ．2 F i x e da n dm o v i n gG a u g e sp l a c e 固定监测点位于对称轴线上，以监测射流速度 变化和射流拉长等信息，监测点间距1 0m i l l ，总共 3 3 个。活动监测点设置在罩材料上，以跟踪药型罩 压合过程中形成杵体和射流的微元，每排第1 个点 位于药型罩和空气的分界线上，第2 个监测点位于 第1 个点正上方0 ．1m m ，其它监测点的位置依次类 推。每排活动监测点的横坐标与其正下方固定监测 点坐标值相等。 网格划分时采用非等分网格，总共5 0 0 x2 0 0 个 微元，区域中间和轴线处网格最细，以保证药型罩和 射流形成区的网格最密，轴向和径向网格移进步长 都为0 ．5m i l l 。外壳用L a g r a n g e 方法建模，炸药、空 气和药型罩用E u l e r 建模，求解采用L a g r a n g e ／E u l e r 自动耦合算法，求解时间5 5 “s 。 3 舾如M 2 n p 7 9 8 7 8 5置 置L 丝 万方数据 第2 8 卷第3 期夏杰，段卫东双层药型罩射流形成的仿真研究 2 - 4 皇妻黧竺燃。。。。。。。。。 3 实验结果分析 仿真结束后，选择相关活动监测点数据并作出 一一一⋯” 其速度变化曲线，以找出流进射流部分的药型罩微3 ．1 射流速度变化 元。图3 为铜罩第1 排和第2 排活动监测点对应材当射流伸长到2 C D 时，采集各固定监测点的数 料的速度变化曲线。 据，作出此时的铜射流速度分布曲线，如图4 所示。 彳、 旦 蠢 a o 篁 琏 o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o o o o o o o o o 0 oo ．o lo ．0 2o ．0 3o ．0 4o0 5 ，“ b 图3 药型罩上活动监测点速度曲线 F i g ．3 V e l o c i t y - T i m ep l o tf o rm o v i n g g a u g e so fl i n e rp a r t i t i o n 从图3 a 可以看出，此排药型罩微元速度瞬时 增加后又立即减小到1k m s 。1 以下，可知这部分 微元全部形成了杵体。由图3 b 可以看出，药型罩 上的3 9 、4 0 和4 l 三个监测点速度瞬时增加到 7k m s “以上后并不再减小直到仿真结束，可知这 部分微元形成了射流。监测点4 2 、4 3 与图3 a 中 监测点速度曲线状态一致，可知这些点所在微元都 形成了杵体。用同样的方法可以判断出其他1 0 排 活动监测点中流进射流的监测点个数分别为3 、3 、 4 、4 、5 ⋯678 、9 和9 。可以看出，从药型罩顶点至底 部，内层药型罩形成射流的微元逐渐增加，与理论情 况相符。这些点的连线即为形成射流和杵体内外层 药型罩材料的分界线。为了保持分界面的连续，选 择第1 排的第3 个点和最后I 排的第9 个点为参 考，与内层药型罩一起构成1 个封闭的四边形，以此 为依据配置双层药型罩结构，如A ／B 模型，外层罩 为A 1 2 0 2 4 ，内层罩为C O P P E B 。 e 童 宣 g 迭 图4 固定监测点速度曲线 F i g ，4V e l o c i t y - T i m ep l o tf o rf L x e dg a u g e s 从图中第1 个到第1 3 个点的曲线可以看出，药 型罩顶点附近微元速度突然增大后又迅速降低到 0 ．5k m s “以下，甚至反向，可知这部分微元全部 形成了杵体。第1 3 个和第1 5 个点在5 5 “8 时速度 相差了将近3k m s ～，而其距离仅为2 0h i m ，可知 此时这段射流速度梯度很大，将会急剧的拉长。从 第1 5 个点到第3 3 个点，射流速度梯度逐渐减小，但 由于射流沿着速度的方向逐渐变细，颈缩有可能最 先发生在这部分射流。射流中速度最高的位置在第 3 3 号点，即射流的头部，达到了约9k m s ～。同理 可以画出其它药型罩结构射流的速度曲线，数据表 明其射流速度分布与铜射流相似。 3 ．2 射流连续性 图5 、图6 、图7 为不同药型罩材料配置射流伸 长到2 C D 时的射流形态。 b 】 c 图5A L 、A V A L 和C u ／A L 射流到达2 C D 时的形态 F i g ．5 A L 、A L ／A La n dC u ／A Lj e ta t2 C D 从图5 a 和5 b 可以看出札和A L ／A L 射流 形状基本一致说明仿真对材料的耦合处理得相当好。 对C u ／A L 组合，内层药型罩铝完全形成射流，且连续 ●3 5 7 9}79l 3 ；5 7 9lIi22 2 2 2 3 3 磷哺幛蛘蚌锥砷讳磷磷哺哺晴哺悻砷“肆 5 E ‘1 0 0 S S 5 g g g g ＆ S S u U u u U u u u u u U u U U u U U u ●●t■■j■a a s●■●■CGOCGCCCCCCGGGGCCC I{二l|||～～ 0 O 0 O 0 0 0 瑚删圳㈣Ⅲ砌 一．．∞．日一暮huo■蝴、J鼍 万方数据 1 6爆破2 0 1 1 年9 月 性也较好，但是其头部明显偏离对称轴线，形成了空 的射流头部。在射流的中心，被铝包裹着的铜射流虽 然很细，但也呈现出良好的连续性。仿真结果表明 N i ／A L 组合射流形态与C u ／A L 组合基本一样。 图6C u 、A I ／C u 和N ／／C u 射流到达2 C D 时的形态 F i g ．6 C u 、A L ／C ua n dN i ／C uj e ta t2 C D ’ a c J 图7N i 、A ／N i 和C u ／N i 射流到达2 C D 时的形态 F i g ．7 N i 、A L ，N ia n dC u ／N i j e ta t 2 C D 从图6 可以看出C u 、A L ／C u 和N i ／C u 射流都表 现出良好的连续性，值得注意的是A L ／C u 射流头部 覆盖着1 层铝，可能与接近轴线处的内层药型罩几 何位置有关。由图7 可以看出，3 种射流的连续性 都较好，但是N i 射流呈现出最先断裂的趋势，且所 有射流最先断裂位置与前面分析一致。 3 ．3 射流头部速度 仿真结束后，采集固定监测点处射流头部速度 数据，作出其变化曲线，如图8 所示。 图8 铜药型罩射流头部速度曲线 F i g ．8T i pv e l o c i t yf o raC o p p e rl i n e rb yf i x e dg a u g e s 仿真得到铜射流头部到达2 C D 时的速度为 9 ．2 1 48k m s ～，与C H O UPC 的实验测得值 9 ．0 9k m S - 1 仅相差1 ．3 7 ％，说明本试验建立的模 型能够真实反应铜射流的形成情况Ⅲ。 不同药型罩材料配置时射流头部到达2 C D 时 的速度值参见表2 。 寰2 不同材料组合射流头部在2 C D 时的速度 T a b l e2T h ej e tt i p - v e l e d t yo fd i f f e r e n t m a t e r i a l sc o m b i n a t i o na t2 C D 药型罩声阻抗／声阻抗i S ／V z c o速度变化率 类型 N m ～s x 一 ／ k m 8 一 ／％ 由表2 数据可知，当内层药型罩为A I J ，在外层 配置c u 和N i 后，射流头部在2 C D 处速度明显减 ／b ；当内层药型罩为c u ，在外层配置声阻抗比其小 5 7 ．8 ％的A l 后，速度大约提高3 4 0 3 ％，而当外层 材料用声阻抗比其大1 2 ％的N i 时，速度减小了 0 ．5 7 1 ％；当内层药型罩为N i ，外层用声阻抗比其小 的A l 和C u 时，射流头部速度也得到了显著提高。 可以看出，内层药型罩与外层药型罩材料的声阻抗 比值越大，射流头部速度增加得越砚显，反之，射流 头部速度减小得也越明显。 4 结语 在理论上分析了聚能装药外层罩对内层罩的加 速作用，发现可以设计合理的内外层药型罩厚度，使 得内层罩完全形成射流。数值仿真结果表明，在单 层罩中，射流头部速度与药型罩材料的声阻抗成反 比；而当在药型罩和炸药之间配置1 层声阻抗比内 罩小的材料后，能显著提高射流的头部速度，而且内 罩材料大部分都形成了射流。因此，如果能合理的 设计药型罩的结构尺寸，就能使得具有良好侵彻能 力的内罩材料能更多的形成射流，甚至全部形成 射流。 参考文献 R e f e r e n c e s 】 [ 1 ] H E L DM ．H y d r o d y n a m i c st h e o qo f 蜊c h a r g ej e tp e n - e t l - m J o n [ J 】．J o u r n a lo fE x p l o s i v ea n dP r o p e U a n t s ，V o l7 ， 1 9 9 2 9 - 2 4 ． 下转第2 5 页 万方数据 第2 8 卷第3 期都的箭，梁雪莹，邓正栋，等埋地管线爆炸地冲击作用下解析解计算研究 2 5 上接第1 6 页 [ 2 ]李国宾．复合药型罩的研究进展[ J ] ，兵器材料科学与 工程，1 9 9 5 ，1 8 1 6 3 - 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