分层装药对杆式射流的影响分析.pdf

doi10． 3969／ j． issn． 1001- 8352． 2018． 04． 006 分层装药对杆式射流的影响分析 * 成乐乐 ① 赵太勇① 陈智刚① 印立魁① 王维占① 郭光全② 雷文星③ ①中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室（山西太原，030051） ②晋西工业集团有限责任公司（山西太原，030051） ③晋西工业集团有限责任公司防务装备研究院第三研究所（山西太原，030051） ［摘 要］ 为了研究分层装药结构的内、外层炸药材料、装药厚度对杆式射流成型的影响，利用 True Grid 和 LS- DYNA软件对不同工况下杆式射流的成型进行数值模拟。 仿真结果表明分层装药对杆式射流的影响与内、外层装 药的爆速差△D 和厚度比 d1／ d2有关，当 d1／ d2＜ 4． 4 时，装药的爆速差△D 对射流的增益效果成正相关；当 4． 4 ＜ d1／ d2＜ 8． 0 时，分层装药对射流无明显影响；当 d1／ d2＞ 8． 8 时，爆速差△D 与射流的增益效果呈负相关。 总体上， 分层装药结构对射流形态、整体动能和头、尾速度有优化增益作用，且优化和增益效果与内、外层装药的厚度比及 材料有关，合理的装药材料以及装药比例能够有效提高杆式射流的毁伤效能。 ［关键词］ 分层装药；球缺罩；杆式射流；数值模拟 ［分类号］ TJ410． 3 Influence of Layered Charge on Jetting Projectile Charge CHENG Lele ①， ZHAO Taiyong①， CHEN Zhigang①， YIN Likui①， WANG Weizhan①， GUO Guangquan②， LEI Wenxing③ ①National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology， North University of China （Shanxi Taiyuan， 030051） ②Jinxi Industries Group Co． ， Ltd．（Shanxi Taiyuan， 030051） ③Third Research Institute of Defense Equipment Research Institute， Jinxi Industries Group Co． ， Ltd．（Shanxi Taiyuan， 030051） ［ABSTRACT］ In order to study the effects of the explosive charge and charge thickness of the stratified charge structure on the jetting projectile charge， the True Grid and LS- DYNA software were used to simulate the ation of the jetting pro- jectile charge under different working conditions． The simulation results show that the impact of stratified charge on the jet- ting projectile charge is related to the difference△D and the thickness ratio d1／ d2between the internal and external char- ges．When d1／ d2＜ 4． 4， the velocity difference△D of the charge and its effect on the jet gain positive correlation； when 4． 4 ＜ d1／ d2＜ 8， the stratified charge has no significant effect on the jet； when d1／ d2＞ 8． 8， the detonation velocity differ- ence△D has a negative correlation with the gain effect of the jet．In general， the stratified charge structure has an opti- mized gain effect on jet morphology， overall kinetic energy， and head- tail velocity， and the optimization and gain effects are related to the thickness ratio and materials of the inner and outer layer charges， and the reasonable charge materials and charge ratios can be effective to improve the damage perance of jetting projectile charge． ［KEYWORDS］ stratified charge； hemispherical liner； rod type jet； numerical simulation 引言 根据聚能装药理论可知，改善爆轰波波形和爆 轰波压力可以提高射流以及爆炸成型弹丸（EFP）的 毁伤效能。 分层装药具有特殊的内、外层装药结构， 利用不同爆速的炸药构成夹层装药，当外侧装药采 用高爆速炸药且优先于内侧装药爆轰，内侧装药在 外侧装药爆轰产物的强冲击作用下形成超压爆轰， 这种特殊的爆轰过程 ［1］ 能够更有效地驱动周围介 质，具有较高的研究价值。 近年来，国内外学者对分层装药的超压爆轰展 第47 卷 第 4 期 爆 破 器 材 Vol． 47 No． 4 2018 年8 月 Explosive Materials Aug． 2018 * 收稿日期2017- 12- 26 作者简介成乐乐（1993 - ），男，硕士研究生，从事战斗部高效毁伤技术的研究。 E- mail610214833qq． com 通信作者赵太勇（1971 - ），男，硕导，副教授，主要从事战斗部结构设计与研究。 E- mailzs_991109163． com 万方数据 开了大量研究。 吴成等 ［2］ 在定向战斗部复合装药 研究中，对夹层装药的超压爆轰增益作用进行了理 论公式推导；张先锋等 ［3］ 对夹层装药作用过程进行 了数值模拟，得出夹层装药使聚能射流的头部速度 和侵彻深度有一定提高；向梅等 ［4］ 研究了钝感复合 夹层装药结构的能量输出规律，得出了药柱尺寸与 比动能的关系，并拟合出了相关的经验公式；潘建 等 ［5］ 主要研究超压爆轰波在炸药中的传播过程，对 爆轰波相互作用后发生的正规反射和非正规反射进 行了理论分析。 Skidmored 等 ［6］ 研究了超压爆轰的 状态方程，并提出了改进的 γ方程。 Liu ［7］ 研究了超 压爆轰波的结构，得出了超压爆轰过程是不稳定的 过程，其产物声速大于爆轰波传播速度，随着爆轰波 的传播，超压爆轰很快衰减到正常的 C- J 爆轰状态， 并且其爆轰压力和速度接近于 C- J 爆轰参数。 对于分层炸药超压爆轰对药型罩的压垮研究， 国内的研究相对较少。 本文中，主要针对分层装药 结构的内、外层装药比例、材料等的不同，对聚能杆 式侵彻体（jetting projectile charge，简写为 JPC，又称 为杆式射流）在不同工况下的成型进行详细分析。 1 数值建模 1. 1 有限元模型与算法 仿真采用多物质耦合 ALE 算法来模拟聚能装 药作用的大变形过程，并建立足以覆盖整个射流范 围的空气域。 为避免压力在边界上的反射，在模型 的边界节点上施加压力透射边界条件，整体模型见 图1。 模型的几何参数为内层装药厚度记为 d1，外 层装药厚度记为 d2，内、外层装药的厚度比 b ＝d1／ d2，装药高度 h ＝80 mm，药型罩底部内径 D ＝ 54 mm，内球半径 r1＝29. 5 mm，外球半径 r2＝30. 0 mm。 为节约计算时间，根据对称性，选取1／ 4 结构建 立三维模型进行运算，并在模型的对称面上施加对 称约束条件。 计算网格均采用六面体实体单元，炸 药、药型罩、空气采用 ALE 算法，战斗部壳体采用 Lagrange 算法，其相互作用采用流固耦合算法 ［8］ 。 1. 2 材料模型 本算例中，药型罩材料采用紫铜，战斗部壳体采 用45 ＃钢，金属材料均采用 Johnson- Cook 材料模型和 Gruneisen 状态方程，金属材料参数见表1。 表 1 中， σA为静态屈服应力；B 为应变硬化系数；n 为应变 硬化指数；C 为应变率相关系数；m 为温度相关系 数；ρ 为金属材料密度。 1 - 内侧炸药；2 - 外侧炸药；3 - 壳体；4 - 药型罩。 图1 整体模型图 Fig. 1 Overall model diagram 表1 金属材料参数 Tab. 1 Metal material parameters 金属 ρ／ （g cm - 3） σA／ GPa B／ MPaCnm 紫铜8▌. 960N. 090▌. 2920 . 0250N. 31 1M. 91 45 ＃钢 7▌. 830N. 790▌. 5100 . 0140N. 26 1M. 03 内侧装药选择 RDX、8701、B 炸药和 TNT，选用 High_Explosive_Burn 材料模型和 JWL 状态方程来 描述；外侧装药选择钝感炸药 PBXN- 9404，并选择 Elastic_Plastic_Hydro 模型和 Ignition_And_Growth_ Of_Reaction_In_He 状态方程来描述，各炸药的具体 参数见表2。 表2 中，AJWL和 BJWL均为炸药的材料特 性参数，D 为炸药的爆速。 空气采用空物质材料 （Null）描述，状态方程为多线性状态方程。 表2 炸药材料参数 Tab. 2 Explosives material parameters 炸药类型 ρ／ （g cm - 3） D／ （m s - 1） AJWLBJWL RDX1. 8208 800▌8 . 52418ム. 000 B1. 7177 980▌5 . 4207▌. 670 TNT1. 6306 930▌3 . 7123▌. 230 8701 1. 7228 325▌5 . 2427▌. 678 PBXN- 9404▌1. 8408 800▌ 2 数值模拟结果与分析 2. 1 分层装药爆轰波传播过程 装药首先由外侧装药的顶部外缘 3 点起爆，3 63 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 个起爆点的所在角度分别为 0 、90 和 180 ，并由外 侧装药引爆内侧装药。 当外侧装药 3 点起爆以后， 爆轰波向内侧装药传播，并在 t ＝ 4 μ s 时引爆内侧 装药，内侧装药在外侧装药爆轰产物的强冲击作用 下形成超压爆轰和收敛型爆轰波，并在其爆轰波向 下传播的较长距离内保持超压爆轰状态，进一步提 高了对药型罩的做功能力，从而提高了杆式射流的 动能。 具体过程如图2 所示。 图 2 不同时刻的爆轰波形 Fig. 2 Detonation waves at different times 在爆轰波向下传播的过程中，壳体壁面和药型 罩外表面上的反射冲击波同时也在装药轴线上汇 聚；当药型罩被压垮成近似平面时，发生垂直正反 射，反射冲击波近似垂直反射，不再向轴线汇聚，冲 击波压力随之减小，对药型罩的压垮作用也逐渐 减小 ［8］ 。 相比于单一装药结构中的爆轰波，分层装药结 构中的超压爆轰波增大了对药型罩的压垮作用，使 杆式射流的头、尾速度和射流形态以及速度梯度均 发生明显变化。 2. 2 分层装药对射流形态和速度的影响 不同工况下，杆式射流形态区别较大，文中选取 内侧炸药为B 炸药或RDX 时的射流进行详细分析。 当内侧装药为 B 炸药时，杆式射流的形态以及 速度分布呈现一定差异，如图 3 所示。 当 d1＝ 16 mm 时，因为射流头部速度较大，射流延伸最长，头 尾速度差和速度梯度最大；当 d1＝ 22 mm 时，杆式 射流各速度分段较均匀，射流长度进一步减小，速度 梯度也随之减小；当 d1＝ 27mm，即均为 B 炸药时， 杆式射流短而粗，与 d1＝ 16 mm 时的头部速度差接 近1 000 m／ s，速度梯度最小。 图4 中，内侧炸药为 RDX，3 种工况下杆式射流 的形态差异较小，速度分布及速度梯度差异也较小。 图3 杆式射流（B）50 μ s 的形态、速度分布 Fig. 3 Morphology and velocity profile of rod jet （B） at 50 μ s 图4 杆式射流（RDX）50 μ s 的形态、速度分布 Fig. 4 Morphology and velocity profile of rod jet （RDX） at 50 μ s 与 B 炸药相比，RDX 与 PBXN 的爆速差很小，内、外 层装药的厚度变化对杆式射流形态以及速度分布的 影响并不明显。 2. 3 不同工况下杆式射流的参数对比 2. 3. 1 杆式射流头部速度的对比 图5为射流头部速度vt与内侧炸药厚度d1的 关系曲线，可以说明分层装药结构能够有效地提高 杆式射流的头部速度vt。随着d1不断增大，vt总体上 逐渐减小，其变化趋势随炸药材料的不同而呈现差 图5 JPC 头部速度与内侧装药厚度的关系曲线 Fig. 5 Relationship between head velocity of JPC and inner charge thickness 732018 年8 月 分层装药对杆式射流的影响分析 成乐乐，等 万方数据 异。当d1最小为16 mm时，炸药依vt大小的排列 顺序为TNT、B、8701、RDX；当d1最大为27 mm，即 为单一装药时，炸药依vt大小的排列顺序为RDX、 8701、B、TNT。 杆式射流的头部速度差△vt也呈现 出相似变化规律。 在 16 mm ＜d1＜ 27 mm 的范围 内，不同工况的△vt先增大后减小至几乎为零，随后 又逐渐增大。 △vt减小至0 的点说明了存在某一特 定的值，即 d1无限接近 24 mm 时，内外装药的材料 性能差异对 vt的影响很小；而在 d1＝ 24 mm 的左右 两侧，vt、△vt的变化规律完全相反。 图 5 表明分层 装药结构的内、外层装药性能以及装药量对杆式射 流的头部速度有一定影响，总体上当 d1＜24 mm 时，内外装药的爆速差越大，vt越大；当 d1＞ 24 mm 时，爆速差越大，vt越小。 2. 3. 2 杆式射流尾部速度的对比 图6 为射流尾部速度 vc与内侧炸药厚度 d1的 关系曲线。 图6 中，不同爆速的内侧炸药对射流尾 部速度 vc的影响并不相同，爆速相对较低的 TNT 和 B 炸药对应的 vc随 d1增大而逐渐减小，跳动幅度很 小；当内侧装药为爆速较高的 RDX 和8701 时，vc出 现小幅度的跳动，总体上呈现减- 增- 减的变化趋势。 图 6 JPC 的尾部速度与内侧装药厚度的关系曲线 Fig. 6 Relationship between tail velocity of JPC and inner charge thickness 随 d1增大的过程中，依 vc大小对炸药进行排 序。 在18 mm ＜ d1＜ 22 mm 范围内，炸药的排列顺 序为 TNT、B、8701、RDX；在 d1＜ 18 mm 和 d1＞ 22 mm 的范围内，爆速较高的炸药所对应的射流尾部 速度也较高，排列顺序为 RDX、8701、B、TNT。 综合图 5 和图 6 中杆式射流头、尾速度的变化 趋势，可以得出，分层装药对杆式射流的增益作用与 分层装药的厚度比及其爆速差并非线性关系，而是 在4. 4 ＜ d1／ d2＜ 8. 0 范围的两端，呈现完全相反的 规律。 2. 3. 3 杆式射流长度的对比 图7 为杆式射流长度 L 随内侧装药厚度 d1的 变化关系。 同一内侧装药时，射流长度 L 整体上随 d1增大而不断减小，但爆速最高的 RDX 炸药所对 应的射流长度仅表现为轻微波动，爆速较低的 TNT 和 B 炸药对应的射流长度变化幅度都很大，说明 内、外层装药的爆速差越大，对射流长度的影响程度 越大。 图 7 射流长度与内侧装药厚度的关系曲线 Fig. 7 Relationship between rod jet length and inner charge thickness 内、外层装药厚度相同时，炸药性能对射流长度 的影响有明显区别。 当 d1＝ 16 mm 时，炸药依射流 长度的排列顺序为 TNT、B、8701、RDX；当 d1＝27 mm 时，炸药依射流长度的排列顺序为 RDX、B、 8701、TNT。 在 16 mm ＜ d1＜ 27 mm 的范围内，随 d1 增大，各炸药（除 RDX 外）对应的射流长度均逐渐 减小；当 22 mm ＜ d1＜ 24 mm 时，不同工况时的射流 长度差别很小，而在此范围的两端，内、外层装药的 爆速差对射流长度 L 的影响程度变化较大。 根据图5、图 6 和图 7 可知，内、外层装药的爆 速差及其厚度比是影响杆式射流速度和形态的重要 因素。 当4. 4 ＜ d1／ d2＜ 8. 0，即内侧装药半径为 22 mm ＜ d1＜ 24 mm 时，内外装药爆速差对射流的影响 很小；在 d1／ d2＜ 4. 4 时，爆速差越大，对射流的增益 作用也越大；当 d1／ d2＞ 8. 8 时，爆速差越大，对射流 的增益作用也越小。 2. 3. 4 杆式射流的速度梯度对比 图8为杆式射流速度梯度与内侧装药厚度d1 的关系曲线，当炸药为RDX、B和8701时，射流的速 度梯度随d1增大而上下波动变化 ；炸药为TNT 时，射流速度梯度变化幅度最大，表现为急剧下降- 平稳波动- 急剧下降的动态变化。 射流速度梯度由 大到小，炸药的排列顺序为 TNT、B、8701、RDX，与 各炸药按爆速大小的排序相反。 射流的平均速度梯 度与其vt、vc、L 均有关联，而TNT 与 PBXN 的爆速差 最大，使得分层装药对射流的影响程度最大，导致炸 药为 TNT 时射流的整体速度梯度较大。 83 爆 破 器 材 第 47 卷第 4 期 万方数据 图 8 JPC 速度梯度与内侧装药厚度的关系曲线 Fig. 8 Relationship between velocity gradient of JPC and inner charge thickness 2. 3. 5 杆式射流动能的对比 图9 为射流动能与内侧装药厚度 d1的关系曲 线。 对于爆速较高的 RDX 来说，射流动能仅出现轻 微波动变化，内侧装药厚度 d1对其影响甚微；当内 侧装药为 8701、B 炸药和 TNT 时，内外装药的爆速 差越大，对射流动能的影响程度也越大。 图9 射流动能与内侧装药厚度的关系曲线 Fig. 9 Relationship between kinetic energy of rod jet and inner charge thickness 3 结论 在不同工况下，仿真模拟分层装药对杆式射流 的成型，得出以下结论 1）分层装药结构能有效地提高杆式射流的头、 尾速度和整体动能，对射流的成型和侵彻有一定的 增益作用。 2）内、外层炸药的爆速差和厚度比是影响射流 的形态、性能的重要因素。 当 d1／ d2＜ 4. 4 时，内外 炸药的爆速差越大，对射流速度和形态的增益作用 也越大；当 4. 4 ＜ d1／ d2＜ 8. 0 时，分层装药结构对射 流的影响很小；当 d1／ d2＞ 8. 8 时，内外装药的爆速 差越大，对射流的增益作用越小。 参 考 文 献 ［1］ 张先锋，赵晓宁.夹层装药的超压爆轰研究综述［J］. 含能材料， 2011，19（3）352- 360. 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