偏心亚半球成型装药结构的数值模拟.pdf

2 0 1 3 年4 月 偏心亚半球成型装药结构的数值模拟姚志华等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 ∞1 彤5 2 ．2 0 1 3 ．0 2 ．∞5 偏心亚半球成型装药结构的数值模拟 姚志华李德战付庆海吴川 空军场务技术试验中心 山东济宁，2 7 2 0 0 0 [ 摘要]为研究起爆方式、药型罩的高度和曲率半径对偏心亚半球装药形成射流的影响，利用I s D Y N A 有限 元分析软件对偏心亚半球装药结构射流形成过程进行数值模拟，分析了其成型过程。研究表明对于偏心亚半球 装药结构，端面环起爆形成的爆轰波形和药型罩外形匹配较好。药型罩的高度和口径比值彤A O ．2 时，形成爆炸 成形弹丸；∥，4 ≥0 ．2 时，形成杆式侵彻体。肜A 值越大，弹体越细长，头尾速度差越大，有分裂成高速射流和低速 杵体的趋势。曲率半径和口径比值肜A ≥1 ．5 时，形成的射流具有较好的外形和较高的速度。 [ 关键词]爆炸力学偏心亚半球射流数值模拟 [ 分类号] T P 6 90 3 8 3 引言 随着现代装甲目标防护能力的提高，尤其是高 强度装甲钢的研制以及非金属材料、陶瓷等复合装 甲的广泛应用，都对聚能装药威力提出了更高要求。 如何能通过改变药型罩结构来提高成型装药聚能射 流威力一直是国内外学者们研究的热点之一。 多年来，从未间断对成型装药新结构、新技术 的探索，如早期研究的喇叭形、变壁厚药型罩、双锥 罩等，目前研究的分离式药型、罩环锥式药型罩、w 形药型罩、星锥罩剖等，都是为对付防护能力不断 增强的装甲目标而提出的新型成型装药的药型罩结 构。为了在大炸高下提高射流的连续性和侵彻能 力，杆式射流【3 刮成为了研究的新热点。 本文应用有限元软件对等壁厚偏心亚半球罩形 成射流的过程进行数值模拟，分析了起爆方式、药型 罩高度和曲率半径对等壁厚偏心亚半球罩形成侵彻 体性能的影响。 1 偏心亚半球装药结构及几何模型 偏心亚半球装药结构如图1 所示，其几何结构 参数主要有药型罩直径A ，药型罩罩高日，药型罩 外曲率半径R ，，内曲率半径尺。装药直径与药型罩 口径相同，装药长度￡，壳体厚度 。。 模型参数为药型罩口径A 1 0 0m m ，药型罩罩 高胃 3 0m m ，药型罩外曲率半径尺。 1 3 4m m ，内曲 率半径R 1 3 0m m 。装药直径与药型罩口径相同， 装药长度￡ 1 5 0m m 。壳体厚度矗。 2m m 。 2 数值模拟 l 一药型罩；2 一炸药；3 一壳体；4 一起爆装置 图1偏心亚半球装药结构简图 F i g ．1 T h es t m c t u r es k e t c h e so ft h en e wc o n e s h a p e dl i n e r 2 ．1 数值模拟算法和材料参数选择 使用T m e 加d 前处理软件建立等壁厚偏心亚半 球罩成型装药的有限元模型。鉴于该结构为轴对称 结构，为节约计算所用时间，采用实体结构的l ／4 建 立有限元模型 图2 。 有限元模型中采用多物质E u l e r 算法模拟药型 罩、炸药和空气，网格均选用s o l i d l 6 4 八节点六面体 单元，整体有限元模型中共包括4 1 8 1 2 5 节点和 4 0 1 8 4 0 单元。药型罩材料选用紫铜，材料模型采用 术M A T j O H N S O N C O O K ，状态方程采用G R U N E I S E N 状态方程；炸药选用8 7 0 1 炸药，材料方程为 M A T H I G H E x P L O S I V E B U R N 高能材料模型，状 态方程为J w L 状态方程；空气材料采用流体材料模 { 收藕日期2 0 1 2 J 0 9 - 1 3 作者简介姚志华 1 9 8 4 ～ ，男，硕士，工程师，研究方向弹箭仿真技术。E m a i l 3 6 4 1 2 4 8 4 3 q q ．c o m 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第2 期 型M A T N U L L ，状态方程采用线性多项式E O S L I N E A R P O L Y N O M I A L 状态方程‘7 引。药型罩、炸 药的具体参数值见表1 和表2 ‘1 0 川。 Lb a 战斗部有限元模型； b 整体有限元模型 图2 有限元模型 a 7 1 1 h e6 n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h ew a r h e a d b T h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft } l ew h o l es t r u c t u r e F i g ．2 T h ef i n i t e e l e m e n tm o d e l 表1 铜材料模型参数‘2 1 T a b ．1P 踟e t e r so fc 叩p e r 表28 7 0 1 炸药材料模型参数‘2 1 T a b ．2P 啪m e t e r so f8 7 01e x p l o s i o nm a t e r i a l 2 ．2 数值模拟结果与分析 2 ．2 ．1 起爆方式对形成侵彻体的影响 为研究起爆方式对偏心亚半球药型罩形成杆式 射流的影响，本文对装药长径比为0 ．7 5 、1 ．0 0 、1 ．5 0 的偏心亚半球装药结构分别采用顶端点起爆、中心 线起爆和环起爆，在其它参数不变情况下进行数值 模拟。表3 为不同装药长径比在不同起爆方式下的 计算结果。 由表3 可知，在装药长径比相同情况下，3 种起 爆方式形成射流的射流长度以及头部速度依次为环 形起爆方式最大，点起爆方式次之，中心线起爆的最 小，而射流的尾部速度则变化不太明显。出现上述 情况的原因是不同起爆方式下形成的爆轰波的波形 不同。 表3 不同装药长径比、起爆方式下 在1 6 0 s 时的计算结果 T a b ．3T h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t h d i H 色I e n t ∥Aa n di n i t i a t i o nm e t h o d sa tl6 0 s 点起爆后形成球面爆轰波，线起爆后形成柱面 波，环形起爆后形成“喇叭形”爆轰波，3 种波形波阵 面与药型罩法线之间的夹角依次减小，夹角越小，药 型罩微元的压合速度则越大，罩微元的偏转角也减 小，即降低了罩微元的压合角，由于以上两种原因的 共同作用，使得射流速度和射流长度都得到了明显 提高。 所以，环形起爆方式形成射流的各项性能参数 要明显优于点起爆方式和中心线起爆方式。 2 ．2 ．2 药型罩高度对形成侵彻体的影响 为研究药型罩高度对偏心亚半球药型罩形成侵 彻体的影响，本文分别对药型罩高度为1 0 m m 、 1 5 m m 、2 0 m m 、2 5 m m 、3 0 m m 、3 5 m m 和4 0 m m 的偏心 亚半球装药结构在其他参数不变情况下进行数值模 拟。 计算结果如图3 和图4 所示。计算结果表明 当删 o ．2 时，形成的侵彻体长径比较小，即形成 ， l ∞ 昌 ≮ 越 磺 图3 不同罩高在￡ 1 5 0 “s 时 形成侵彻体的头尾速度 F i g ．3 7 I h ej e t ’sv e l o c i t yo fm e t a l l i cj e ta n ds l u g w i t hd i ￡f e r e ml i n e a rh e i g h ta t1 5 0 斗s 万方数据 2 0 1 3 年4J j 偏心亚半球成型装药结构的数值模拟姚志华等．1 9 ． 一 囊羹壹 ㈠净 月肠 o ．2 5 月，一o ．3 Ⅳ，爿 0 ．3 5 H | A 岛．A 图4 小I - J 罩高在扛1 5 0 恤s 刖 形成侵彻体的外形 F i g ．4 T h es h a p eo ff o 珊a “o np e n e t r a t i o nw i t h d i f f e r e n tl i n e a r h e 培h ta t1 5 0 斗s 爆炸成形弹丸。当日／A ≥0 ．2 时，形成的侵彻体变得 细长，即形成杆式射流。随着删值的继续增大， 弹体头尾速度差明显变大，具有典型聚能射流的特 点。 2 ．2 ．3 内外曲率半径对形成侵彻体的影响 为研究药型罩曲率半径对偏心亚半球药型罩形 成侵彻体的影响，在其他参数不变情况下，分别对曲 率半径为9 0 m m 、1 1 0 m m 、1 3 0 m m 、1 5 0 m m 和1 7 0 m m 的偏心亚半球装药结构进行数值模拟。计算结果见 表4 ，其中，秽为射流头部速度，％为射流尾部速度， L 为射流长度。 表4 不同曲率半径1 5 0 s 时的计算结果 T a b ．4T h er e s u l t so ft h en u m e c a ls i m u l a t i o n 诵t hd i 由f e r e n tl i n e a rr a d i u sa t15 0 斗s 由表4 和图5 可知侵彻体头、尾速度、射流长 度随R ／A 值增大都增加。随尺／A 值增大，侵彻体头 部逐渐变得更加密实，尾部围裙逐渐减小。考虑到 侵彻体的气动特性和速度等因素，取R ／A ≥1 ．5 较 h ． 尸 蠢h 擎p R ／／I 1 ．5 卜麓k ，≯妙 置脯 1 ．7 图5 不同药型罩曲率半径在扣1 5 0 汕s 时 形成侵彻体的外形 F i g ．5 T h es h a p eo ff o 珊a t i o np e n e t r a t i o n w i t hd i ＆r e n t l i n e a rr a d i u sa I l 5 0 斗s 为合理。 3 结论 通过对偏心亚半球成型装药结构的数值模拟， 可以得出以下结论 1 对于偏心亚半球装药结构，顶端环起爆形成 的射流性能要优于端面点起爆和中心线起爆。 2 当药型罩的高度和直径的比值日／A o ．2 时，形成爆炸成形弹丸。当肜4 ≥O ．2 时，形成杆式 侵彻体。删值越大，有分裂成高速射流和低速杵 体的趋势。 3 射流头、尾速度、射流长度随曲率半径和直 径比值删值增大而增大。侵彻体头、尾速度，射 流长度随R ／A 值增大都增加。随删值增大，侵彻 体头部逐渐变得更加密实，尾部围裙逐渐减小。考 虑到侵彻体的气动特性和速度等因素，取R ／A ≥1 ．5 较为合理。 参考文献 [ 1 ] 王志军，吴国东．一种新型星锥状药型罩形成射流的 数值模拟[ J ] ．兵工学报，2 0 0 7 ，2 8 1 1 1 3 9 7 1 4 0 0 ． W a n gZ h i j u n ，W ue u o d o n g ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nj e t f 0 珊a t i o no fan e ws t a rs h a p e dl i n e r [ J ] ．A c t aA n n a m e n t 捌i ，2 0 0 7 ，2 8 1 1 1 3 9 7 1 4 0 0 ． [ 2 ]范晨阳，王志军，吴国东．星锥状药型罩形成射流侵彻 混凝土的数值模拟[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 1 0 ，3 0 多▲少 参一寥 汹≥≥≥ ，，●■l-l■■■■l‘-l 万方数据 ．2 0 ．爆破器材E 1 p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 2 卷第2 期 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 3 9 9 1 0 2 ． F a nC h e n y a I l g ，W a n gZ h i j u n ，W uG u o d o n g ．N u m e r i c a l s i m u l a t i o no nj e tf o 舢a t i o na n dp r o j e c t i l ei n t oc o n c r e t e t a r g e to fan e ws t a rs h 印e dl i n e r [ J ] ．J o u m a lo fP r o j e c t i l e s ，R o c k e t s ，M i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 1 0 ，3 0 3 9 9 1 0 2 ． 李成兵，裴明敬，沈兆武．高速杆式弹丸三维数值模拟 [ J ] ．高压物理学报，2 0 0 7 ，2 l 2 1 6 5 一1 7 2 ． L iC h e n g b i n g ，P e iM i n 西i n g ，S h e nZ h a o w u ．7 I h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eh i g hv e l o c i t ym d s h 印e dp r o j e c t i l e [ J ] ． c h i n e s eJ o u m a lo fH i g hP r e s s u r e P h y s i c s ，2 0 0 7 ，2 l 2 1 6 5 1 7 2 ． F r e dI ，S t a n l e yG ，G o l a s k iK ．H y d m c o d ec o m p u t a t i o n s a n d e x p e r i m e n t e di n v e s t i g a t i o n s o f e x p l o s i V es t a g e d s h a p e dc h a r g ed e v i c e s ，A D A 1 0 9 7 1 4 [ R ] ．u s A D ， 1 9 8 1 ． 张雷雷，朱鸿瑞，黄风雷．大锥角药型罩聚能装药结构 对混凝土介质侵彻研究[ J ] ．弹箭与制导学报，2 0 0 7 ， 2 7 3 1 3 4 1 4 6 ． Z h a n gL e i l e i ， Z h uH o n g m i ， H u a n gF e n 9 1 e i ．S h a p e d c h a r g ew i t hl a 略ec o n ea n 出ep e n e t r a t i o nt oc o n c r e t et a r g e t [ J ] ．J o u m a lo fP r o j e c t i l e s ，R o c k e t s ，M i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 0 7 ，2 7 3 1 3 4 1 4 6 ． 吴晗玲，段卓平，汪永庆．杆式射流形成的数值模拟研 究[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 6 ，2 6 4 3 2 8 3 3 2 ． W uH a n l i n g ，D u a J lZ h u o p i n g ，W a n gY o n g q i n g ． S i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o no fm d l i k ej e t s [ J ] ．E x p l o s i o na n d S h o c kW a v e s ．2 0 0 6 ，2 6 4 3 2 8 - 3 3 2 ． 曹德青，恽寿榕，丁刚毅，等．用A L E 方法实现射流侵 彻靶板的三维数值模拟[ J ] ．北京理工大学学报， 2 0 0 ，2 0 2 1 ’7 1 一l ’7 3 ． C a oD e q i n g ，Y u nS h o u m n g ，D i n gG a n g y i ，e ta 1 ． 3 一D N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fj e ‘ p e n e t r a t et a r g e tu s i n ga l e m e t l l o d [ J ] ．T r a n s a c t i o n so fB e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ．2 0 0 0 ，2 0 2 1 7 1 1 7 3 ． [ 8 ] 段卓平，张震宇．杆式射流形成的初步研究[ J ] ．弹箭 与制导学报，2 0 0 4 ，2 4 4 3 0 8 3 1 0 ． D u a nZ h u o p i n g ，Z h a n gZ h e n y u ． E l e m e n t a r ys t u d yo ft h e m d l i k e dj e tf o m a t i o n [ J ] ，J o u m a lo fP r o j e c t i l e s ，R o c k e t s ，M i s s i l e sa n dG u i d a n c e ，2 0 0 4 ，2 4 4 3 0 8 3 1 0 ． [ 9 ]时党勇，李裕春，张胜民．基于A N s Y s ／I s D Y N A8 ．1 进行显示动力分析[ M ] ．北京清华大学出版社， 2 0 0 5 2 8 2 2 9 7 ． S h iD a n g y o n g ，L iY u c h u n ，Z h a n gS h e n g m i n ．E x p l i c i td y n a m i ca n a l y s i su s i n gA N s Y S ／L s D Y N A8 ．1 [ M ] ．B e i j i n g Q i n g h u aU n i v e 璐i t yP r e s s ，2 0 0 5 2 8 2 2 9 7 ． [ 1 0 ] 张会锁，赵捍东，黄延平，等．起爆方式对聚能射流影 响的数值仿真研究[ J ] ．含能材料，2 0 0 8 ，1 6 4 4 1 5 4 1 9 ． Z h a n gH u i s u o ，Z h a oH a n d o n g ，H u a n gY a n p i n g ，e ta 1 ． N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fe f 耗c to fi g n i t i o nw a y so ns h 印e d c h a r g ej e t [ J ] ．c h i n e s eJ o u m a lo fE n e F g e t i cM a t e r i a l s ， 2 0 0 8 ，1 6 4 4 1 5 _ 4 1 9 ． [ 1 1 ] 成风生，宋浦，顾晓辉，等．T N T 装药爆炸波在刚性平 面上方传播反射的数值研究[ J ] ．爆破器材，2 0 1 1 ，4 0 4 1 4 ． C h e n gF e n g s h e n g ，S o n gP u ，G uX i a o h u i ，e ta 1 ． N u m e r - i c a li n V e s t i g a t i o ni n t ot h ep r o p a g a t i o na n dR e n e c t i o no f T N Tb l a s tw a v ea b o v er i g i dp t a J l e [ J ] ．E x p l o s i v eM a t e r i a l ，2 0 1 l ，4 0 4 1 4 ． N 哪e d c a lS i m I l l a t i o no fS h a p eC h a r g e 埘t ha nE c c e n t r i cS u b _ h e m i s p h e r eL i n e r Y A 0z h i h u a ，L ID e z h a n ，F uQ i n g h a i ，w uc h u a n A i 出i l dT e c h n o l o g yT e s tC e n t e ro fA i 面r c e S h a n d o n gJ i ’n i n g ，2 7 2 0 0 0 [ A B s T R A c T ] I no r d e rt os t u d yt h ee f f e c to fi n i t i a t i o nm e t h o d s ，h e i 曲t sa n dr a d i u so fl i n e ro nt h ef o m a t i o no fj e t ，L s D Y N As o f t w a r ew a su s e dt on u m e r i c a U ys i m u l a t e 龇l da n a l y z et h ef o 肿a t i o np r o c e s so fj e “nt h i sp a p e r ．T h er e s e a r c hs h o w s t h a t ，f b rt h ee c c e n t r i cs u b h e m i s p h e r ec h a r g es Ⅱ1 J c t u r e ，i tp I _ o v e dt ob eb e t t e rw h e nt h es h a p eo fd e t o n a t i o nw a v eu n d e r a n n u l a ri n i t i a t i o nm a t c h e st h eo u t s i d es h a p eo ft h el i n e r ．T h el i n e a rf o n I l st h ee x p l o s i v e l yf o 珊e dp r o i e c t i l e ，w h e nt l l em t i o b e t w e e nh e i 曲ta n dd i a m e t e r 肌似 0 ．2 ．n el i n e a rf o 瑚st h em dp r o j e c t i l e ，w h e nt h er a t i o ∥A ≥0 ．2 ．r 1 1 l eg r e a t e r 尼似 V a l u e ，t h em o r es l e n d e rt h ep r o j e c t i l eb o d yc o u l db e ，a n dt h eg r e a t e rt h es p e e dd i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh e a dj e ta n dt h et a i l j e tc o m e st ob e ．T h e r ei st h et I ．e n dt h a tt h el i n e a rf o 硼st h eh i g h s p e e dj e ta n dt h e1 0 ws p e e ds l u g ．T h ef o 珊e dj e th a st h e g o o ds h a p ea n dh i g hs p e e d ，w h e nt h er a t i ob e t w e e nm d i u sa n dd i 锄e t e r j t ／A ≥1 ．5 ． [ K E Yw O R D s ] e x p l o s i o nm e c h a n i c s ，e c c e n t r i cs u b h e m i s p h e r e ，j e t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 万方数据