柱锥结合罩射流成型过程数值模拟研究.pdf

第2 8 卷第1 期 2 0 1 1 年3 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 8N o ．1 M a r ．2 0 l l D O I 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 0 3 柱锥结合罩射流成型过程数值模拟研究 徐浩铭，顾文彬，曾政，朱铭颉，路亮 解放军理工大学工程兵工程学院，南京2 1 0 0 0 7 摘要 为了更好地研究柱锥结合罩的成型机理，建立了带壳体柱锥结合罩战斗部仿真计算模型；得出了 射流头部速度与射流最大速度变化规律；并分析了时程曲线的变化趋势以及产生这种变化的原因。针对柱 锥结合罩结构的特殊性，合理的选用材料模型及单元算法等参数，运用L S ．D Y N A3 D 对射流的形成进行了数 值模拟。研究结果表明柱锥结合罩在压垮过程中会形成上部锥角较大、下部锥角不变的双锥罩；射流形成 初期射流头部较细、其后逐渐加粗；随着指向射流头部的质量输送作用持续进行。射流头部产生了质量堆积 现象。 关键词 柱锥结合药型罩；破甲子弹；聚能射流；数值模拟；射流头部曲线 中图分类号0 3 8 5文献标识码A文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 4 N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fJ e tF o r m a t i o nP r o p e r t i e so f C y l i n d e r - c o n eS h a p e dC h a r g e X UH a o m i n g ，G UW e n b i n ，Z E N GZ h e n g ，Z H UM i n g - j i e ，L UH a n g E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fC o r p so fE n g i n e e r s ，P UU n i vo fS c i ＆T e c h ，N a n j i n g2 1 0 0 0 7 ，C h i n a A b s t r a c t F o rb e t t e rs t u d yo nj e tf o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h eC y l i n d e r ．C o n el i n e r ，t h em o d e lo fC y l i n d e r - C o n e S h a p e dC h a r g ew i t hs h e l lw a sf o r m e da n ds i m u l a t e d ．T h el a wo fm a x i m u mv e l o c i t yo ft h et o pj e ta n dt h ej e tw a so b - t a i n e d ，a n dw ea n a l y z e dt h ec h a n g et r e n do ft i m ec o u r s ec u r v ea n di t sc a u s e ．F o rs p e c i f i a ls t r u c t u r eo ft h eC y l i n d e r - C o n el i n e r ，t h eL s D Y N AW a su s e dt Os i m u l a t et h ep r o c e s so fj e tf o r m a t i o nw i t hr e a s o n a b l em a t e r i a la n da r i t h m e t i c ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed o u b l e c o n el i n e rw i t hu p p e rb i g g e rc o n ea n g l ea n dl o w e ri n v a r i a b l ec o n ea n g l ei sf o r m e d d u r i n gt h ec o l l a p s ep r o c e s s ．T h ei n i t i a ls h a p eo fj e tt o po ft h eC y l i n d e r - C o n eS h a p e dC h a r g ei st h i n ，a n db e c o m et h i e - k e rg r a d u a l l y ．W i t ht h em a s st r a n s m i s s i o nt ot h et o pj e tc o n t i n u o u s l y ，t h em a s so ft h et o pj e ta c c u m u l a t e d ． K e yw o r d s c y l i n d e r c o n el i n e r ；a n t i - a r m o rb o m b l e t s ；s h a p e dc h a r g ej e t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t h ev e l o c i t y ． t i m ec u r v eo fj e tt o p 柱锥结合罩战斗部是一种应用和研究较少的新 型聚能装药结构。在某型反坦克子弹研制过程中， 由于空间尺寸限制，难以实现最佳炸高爆炸。为了 提高破甲深度，研究人员试图通过提高药型罩的母 线长度，增加射流长度和质量，设计了头部呈圆柱的 柱锥结合罩。结合某型子母弹在限定炸高、尺寸的 条件下的设计要求，提出了柱锥结合罩的设计方案， 收稿日期2 0 0 9 1 2 2 9 作者简介徐浩铭 1 9 8 5 一 ，男，助理工程师，硕士研究生，主要从事 爆破器材理论与应用研究， E - m a i l 1 0 2 0 5 0 1 9 1 6 3 ．G o m 。 并进行了数值模拟。 试验和数值模拟研究发现⋯，合理设计柱锥结 合罩装药的结构尺寸，小炸高条件下可以获得更大 的射流速度、更高的射流／杵质量比、更均匀的速度 分布等射流成型性能参数，实现小炸高最佳破甲效 应J 。以射流头部速度、射流最大速度以及射流速 度沿轴向分布等参数为主要研究内容，将柱锥结合 药型罩射流形成过程划分为装药爆轰结束前、药型 罩压垮作用结束前以及射流拉伸作用3 个阶段，揭 示柱锥结合药型罩不同时间段内射流成型机理、射 万方数据 第2 8 卷第1 期徐浩铭，顾文彬，曾政，等柱锥结合罩射流成型过程数值模拟研究 1 1 流头部速度、射流最大速度随时间变化规律。 1 数值模拟模型建立 图l 为简化的子弹结构图，图2 为药型罩结构 图。其中d ，、d 2 、f 、6 、a 、h 分别表示药型罩圆柱部分直 径、装药直径、圆柱罩高度、罩壁厚、罩锥角和药型罩圆 锥部分高度。具体尺寸d 。 5 ．8m i l l 、如 3 7 ．8m i l l 、 l 2 ．9 5m m 、6 1 ．1 5m m 、a 5 2 。、h 2 0 ．9m m 。 子弹外壳材料为3 5 铬锰硅，材料模型采用运动塑性 模型旧] ，空白状态方程；装药为J H 2 炸药，采用燃烧 模型和J W L 状态方程；药型罩为紫铜，采用流体弹塑 性和G r i i n e i s e n 状态方程MJ 。根据刘建青、顾文彬等 对相同装药材料和密度、相同药型罩材料的爆炸成型 战斗部试验和数值模拟研究结果∞J ，J H - 2 炸药和紫 铜材料模型及状态方程参数分别列于表1 和表2 中。 图l 子弹简化结构 示意图 F i g ．1D i a g r a mo ft h e b o m b l e t s 图2 柱锥结合药型罩 结构示意图 F i g ．2 D i a g r a mo fC y l i n d e r C o n e 表1J H ．2 炸药本构方程与状态方程参数 T a b l e1 C o n s t i t u t i v ea n ds t a t u se q u a t i o n p a r a m e t e r so fJ H - 2d e t o n a t o r 参数名。0 娶，。喜鬈P 蛐。／G 加P a 鬻善淼 表2 紫铜本构方程与状态方程参数 T a b l e 2C o n s t i t u t i v ea n ds t a t u se q u a t i o n p a r a m e t e r so fc u p r u m 2 数值模拟结果分析 2 ．1装药爆轰结束前药型罩压垮形成射流 图3 是子弹装药爆轰作用结束前，不同时刻射 流形成过程数值模拟结果示意图。由图3 a 可知， 当t 3 ．4 “s 时刻，药型罩圆柱部分径向挤压、轴向 向下流动作用下，开始形成初始射流。数值模拟结 果表明，此时，射流头部速度约为64 7 0m ／s ，而数值 模拟得到相同锥角的锥形药型罩形成的初始射流头 部速度仅为51 6 1m ／s ，射流形成的对应时间为 t 3 ．2 炉，前者射流头部初始速度比后者提高很多。 表明柱锥结合罩能明显提高射流头部初始速度，这种 结构的破甲战斗部有利于提高毁伤威力指标。 8 t - - 3 ．4 斗8b t 3 ．8p s c t 5 ．1p s 图3 装药爆轰作用过程中射流成型过程数值模拟结果 F i g ．3N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ej e tf o r m i n gp r o c e s s 根据仿真计算结果可知，当t 5 ．1 s 时刻子 弹装药爆轰结束。此时，药型罩口部尚未产生径向 压垮变形，而未进行轴向碰撞作用的药型罩则变成 锥角更大锥型罩，如图3 c 所示。事实上，自药型 罩圆柱部分径向压实变形后，爆轰波扫过的药型罩 锥体部分变形为锥角逐渐增大的锥型罩。在某一时 刻，柱锥结合药型罩变形为上部锥角较大、下部锥角 不变的双锥罩，如图3 a 、图3 b 所示的典型情 况。正是由于爆轰作用后的药型罩锥角逐步增大， 即药型罩微元压垮角逐渐增大，使得罩微元转变成 射流的质量比例逐渐增大，从而导致数值模拟得到 的射流头部较细、其后射流逐渐加粗的仿真结果，如 图3 C 所示。 表3 是t 3 ．4 5 ．1 斗s 时间段内，爆轰波作用 结束前，不同时刻变形后药型罩圆柱部分上方不同 时刻爆炸产物剩余压力峰值、圆柱部分径向压缩特 征尺寸、以及射流头部速度等参数的数值模拟结果 列表。由表3 可知，当t 3 ．8 “s 左右时刻，射流头 部速度达到最大值72 4 4m ／s ，此后射流头部速度逐 渐减小。 由表3 可知，在t 3 ．4 ～3 ．8 灿s 时间内，药型罩 圆柱部分上方爆炸峰值压力由6 ．7 3G P a 减小到 4 ．5 8G P a 。由于变形后药型罩圆柱部分上方压力快 速降低，受压面积减小，使变形后药型罩圆柱顶面产 万方数据 1 2 爆破2 0 1 1 年3 月 生沿着轴线向上的变形运动，且随着时间的增加向 上运动的速度加快。圆柱部分顶部向上运动的速度 由t 3 ．4 炉的一1 9 3m ／s 增加到t 3 ．8 s 的 一2 4 4m ／s 假设射流速度向下为正 。但是，由于 t 3 ．4 ～3 ．8 斗s 时间内圆柱部分径向压缩变形量较 大，变形后的圆柱部分顶部压力远大于射流前面的 压力，使得t 3 。4 3 ．8 炉时间内射流向下的轴向 流动远大于圆柱部分顶部向上运动速度，根据质量 和能量守恒，使射流头部速度继续增加。由表3 可 知，在t 3 ．8 炉之后，变形后药型罩圆柱部分上方 爆炸载荷的峰值压力由t 3 ．8 汕s 时刻的4 ．5 8G P a 快速下降到t 5 ．1 斗s 时刻的2 ．3 9G P a 。由于变形 后药型罩圆柱部分上方爆炸产物压力更低，受压面 积更小，使得变形后的圆柱部分材料径向压缩形变 后由只能向下流动，变成继续径向压缩形变和向下 流动的同时，产生更大速度向上轴向流动，圆柱部分 顶部向上运动的速度由t 3 ．8 斗s 时刻的一2 4 4m ／s 增加到t 5 ．1 斗s 时刻的一3 6 5m ／s 。根据质量和能 量守恒，作为射流的向下流动圆柱部分材料的速度 必然逐渐降低。 表3 爆轰结束前射流成型参数和顶部压力仿真计算结果 T a b l e 3J e tf o r m i n gp a r a m e t e r sa n dt h ec a l c u l a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t so ft o p - s t r e s sb e f o r ed e t o n a t i o nf i n i s h 由于t 5 ．1 斗s 时刻之前，药型罩锥体部分发 生压垮碰撞形成射流的罩微元较少，在压垮角度较 小的条件下，药型罩锥体罩微元轴向碰撞产生的射 流质量比较小，导致的射流最大速度与射流头部速 度差别不大，变化规律基本相同，表现为图3 中 t 5 ．1 斗s 之前射流速度时程曲线。 2 ．2 药型罩压垮作用结束前射流成型 图4 是破甲子弹装药爆轰结束后、柱锥结合药 型罩压垮作用结束前，t 5 ．1 ～1 2 ．Op 时间内、不 同时刻射流成型过程数值模拟结果示意图。由图4 可知，子弹装药爆轰结束后，在高压爆轰产物作用 下，药型罩锥体部分的罩微元继续向轴线压垮变形 运动，使罩微元在轴线碰撞作用前获得一定撞击速 度。爆轰产物对罩微元作用压力越大，罩微元径向 压垮变形行程越大，罩微元在轴线的撞击速度就越 大，由这部分罩微元轴线碰撞产生的射流速度就越 大。因此，在高压爆炸产物作用结束前，罩微元越接 近药型罩口部，罩微元在轴线的撞击速度就越来越 大，因而射流最大速度就越来越大。这正是图4 所 示t 5 ．1 ～7 ．5 “s 时间内，射流最大速度就越来越 大的原因。需要指出的是，不同时刻射流最大速度 的位置不同。 图4 爆轰结束后药型罩压垮成型过程数值模拟结果 F i g ．4 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ej e tf o r m a t i o na t t h el i n e rc o l l a p s ep r o c e s sa f t e rd e t o n a t i o nf i n i s h 表4 是t 5 ．1 ～7 ．5 斗s 时间内，间隔0 ．5 斗s 射 流头部速度和最大速度仿真计算结果列表。由表4 可知，射流头部速度在t 5 ．1I x s 时刻之后仍然继 续减小，这是由于药型罩圆柱部分径向压缩与轴向 流动所产生射流不断拉伸作用所导致的。 表4t 5 ．1 7 ．5 炉时间内射流头部速度和最大 速度仿真计算结果歹l j 表 T a b l e4N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ev e l o c i t yo ft h e t o pj e ta n dm a x i m u mv e l o c i t yo ft h ej e ta tt 5 ．1 7 ．5 坶 时间／岬 5 ．15 ．56 ．06 ．57 ．07 ．5 头部速度／ m s “ 70 9 670 5 270 0 569 5 369 1 069 0 7 最大速度／ m - s “ 71 2 573 0 278 8 783 0 485 1 485 6 7 由表5 所示可知，在t 7 ．5p s 时刻之后，射流 头部速度开始增加，而射流最大速度开始减小。仿 真计算结果表明，t 7 ．5 妒之后破甲子弹装药的爆 炸作用基本结束，爆炸产物压力急剧下降，t 7 ．5 炉 时刻作用在变形后锥体部分药型罩上的压力仅为 0 ．8 6G P a 。因此，由于作用于药型罩微元的压力减 小，罩微元获得的压垮速度也会降低，导致了对应药 型罩微元轴线碰撞产生的射流最大速度将逐渐减 万方数据 第2 8 卷第l 期徐浩铭，顾文彬，曾政，等柱锥结合罩射流成型过程数值模拟研究 1 3 小。正是由于射流头部与射流最大速度位置之间的 流态射流存在很大的速度差，以及射流中流态罩材 料的有限可压缩性，射流中后部物质将推动前部物 质加速，产生由后向前的质量输送和速度传递。尤 其是在t 7 ．5 肛s 之后，由于射流头部与射流最大 速度位置之间的流态射流速度梯度达到最大，这种 指向射流头部的质量输送和速度传递作用将加快， 并导致射流头部速度止跌回升，最大速度值下降、位 置前移。这就是射流头部速度增加的原因。表5 是 子弹装药爆炸作用后、药型罩压垮作用结束前， t 7 ．5 ～1 2 ．O 斗s 时间内，不同时刻射流头部速度和 最大速度仿真计算结果列表。 表5t 7 ．5 1 2 ．0 芦时间内射流头部速度和最大速度仿真计算结果列表 T a b l e 5N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ev e l o c i t yo ft h et o pj e ta n dn Ⅱu 湎u mv e l o c i t yo ft h ej e ta tt 7 ．5 1 2 ．0p s 时间／炉 7 ．58 ．08 ．59 ．09 ．51 0 ．01 0 ．51 1 ．01 1 ．51 2 ．0 69 0 769 2 669 4 669 r 7 270 0 470 5 271 0 871 9 272 6 873 4 3 85 6 784 8 784 5 484 1 283 6 683 2 082 7 082 1 981 6 181 0 4 头部速度／ m s 。 最大速度／ m s “ 2 ．3 射流继续拉伸阶段 t 1 2 ．0 炉之后，由于射流最大速度与射流头部 速度之间存在速度梯度，指向射流头部的速度传递作 用使得两者的速度趋于～致、使得最大速度位置趋近 头部。仿真计算表明，当t 1 8 ．0 舻时刻，射流最大速 度约为76 9 9m ／s ，而射流头部速度约为76 9 7m ／s ，此 后两者的速度基本相同，在图6 中表现为t 1 8 ．0 炉 之后的2 条曲线基本重叠现象。另一方面，指向射流 头部的质量输送作用，使射流后部的高速流体罩材料 向射流头部流动，使得射流直径逐渐减小、长度增加， 并导致射流头部产生质量堆积，如图4 h 所示。 2 ．4 数值模拟与试验结果对比 图5 为t 2 7 ．6 斗s 时刻，柱锥结合罩形成射流 的X 光机试验和数值模拟结果及其对比图。由图5 可知，试验得到的射流长度为1 7 1 ．6i n i n 、杵体长度 为3 4 ．5m m ，杵体长度与总长度之比为2 2 ．2 ％；数 值模拟得到的射流长度为1 6 9 ．8m m 、杵体长度为 4 0 ．7m m ，杵体长度与总长度之比为2 4 ．O ％。图中 距杵体顶部3 5 ．3m m 处有宽1 4 ．7m m 的圆环，这是 试验子弹定位环的x 光投影，其设计尺寸为1 7m m 。 射流长度的试验值与数值模拟结果的相对误差为 1 ．0 6 ％，杵体长度与总长度之比的相对误差为 一1 ．8 ％。表明试验与数值模拟结果吻合较好，计算 模型和参数正确。 2 ．5 射流成型过程数值模拟研究 柱锥结合罩射流成型过程包括圆柱罩径向压 缩、轴向向下流动形成初始射流；柱锥结合罩压垮形 成射流；药性罩压垮结束后射流拉伸等。图6 是 图5 进行数值模拟得到的柱锥结合药型罩射流头部 速度、射流最大速度时间变化规律曲线。根据仿真 结果，由图6 可知，射流头部速度经历了先快速增 大、后逐渐减小、然后再逐渐增大的变化过程，而位 于射流头部之后的射流最大速度经历了先快速增加 再减小、然后急剧增加再减小的过程；大约在t 3 ．8 斗s 时刻射流头部速度和最大速度开始减小，大约 t 5 ．1 斗s 时刻射流最大速度开始回升，大约 t 7 ．5 斗s 时刻射流头部速度与最大速度之间的速 度差达到最大，当t 1 7 炉时刻射流头部速度与最 大速度趋近相同，且最大速度前移到射流头部。 图5t 2 7 ．6 炉射流成型x 光试验与模拟结果对比 F i g ．5 T h ec o m p a r i s o no ft h ej e tf o r m a t i o no fX R a y t e s ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t s { g 削 鲻 时间t l l x s 图6 射流头部速度与最大速度计算结果对比 F i g ．6T h ec o m p a r i s o no ft h ev e l o c i t yo ft h et o pj e t a n dm a x i m u mv e l o c i t yo ft h ej e t 下转第5 7 页 万方数据 第2 8 卷第l 期吴胜文，杨兴国，肖培伟漫湾电站二期工程岩锚梁开挖保护措施研究 5 7 隔孔间隔装药、崩落孔加密孔间隔装药措施。即采用 “短进尺，多循环”的施工方法，孔深可以优化控制为 2 ．O 一2 ．5m 。另外，除周边孔采取光面爆破外，可将 临近周边孑L 的第2 排炮孔改设为光面爆孔，即双层 光面爆破技术，从而使爆破振动对开挖岩面的影响 降到最低。 针对斜面下拐点容易被破坏的情况可采取的改 进措施一是在下拐点孔与上、下两孑L 之间增设一个 空孔，起导向作用；二是严格控制线装药密度。还可 以在离岩台拐点1 5c m 处布置4 个不装药孔作为导 向孔。 5 结论及建议 1 现场测试及施工实践证明，漫湾水电站二期 工程地下洞室开挖所采用的爆破技术参数及保护措 施是积极有效的，为二期工程的安全、快速施工提供 了重要的技术支撑。 2 爆破作业对周围环境的影响应引起高度重 视，本项目研究中，试验人员还就洞挖爆破对附近山 体和民房的影响进行了现场测试，为项目建设管理 提供了科学的客观依据。 3 岩壁吊车梁对大型地下厂房来说，是非常重 要的部分，为确保其开挖施工质量，建议在正式施工 开始前，一定要先进行开挖爆破试验，在试验研究的 基础上再制定详细的旅工方案。 4 本项目的研究思路、方法和结果可供类似工 程参考。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] J O H A N S E NPM ．M o d e lf i e l dt e s t so nc r a n er a i lb e a m sa t S k j o m e na n dK v i U d a lp o w e rs t a t i o n s [ R ] ．O s l o ，N o r w a y N o r w e g i a nG e o t e c h n i c a lI n s t i t u t e ，1 9 8 4 ． [ 2 ] L I E NR ，K R I S T I A N S E NJ ，P R A NLS ．S u s p e n d e ds u p p o r t f o rc r a n er a i l s i nN o r w g i a nu n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e [ J ] ． I n t e r n a t i o n a lW a t e rP o w e ra n dD a mC o n s t r u c t i o n ，1 9 9 0 ， 4 2 4 4 8 - 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