钨铜粉末药型罩射孔弹对钢靶侵彻的数值模拟.pdf

2 0 1 2 年2 月钨铜粉末药型罩射孔弹对钢靶侵彻的数值模拟赖康华等 钨铜粉末药型罩射孔弹对钢靶侵彻的数值模拟‘ 赖康华杜明章王庆兵赵世华 四川石油射孔器材有限责任公司 四川隆昌，6 4 2 1 7 7 [ 摘要]利用A 珊y s ／h D y 岫软件对钨铜粉末药型罩射孔弹侵彻钢靶过程进行了数值模拟。运用混合物的叠 加原理对钨铜混合材料的状态方程参数进行了计算，得到钨铜 2 0 W S O C u 粉末药型罩的参数。采用多物质A L E 算法，模拟了钨铜药型罩射流的形成及侵彻钢靶的过程，模拟8 9 型号射孔弹作用4 5 。钢靶。穿深为1 5 3 r a m ，孔径为 96 m m ，并与实际情况对比，效值模拟结果与实验结果差别在5 ％以内o [ 关键词] 钨铜粉末药型罩数值模拟A L E 算法侵彻 [ 分类号] T J 5 1 0 ．1T D 2 3 5 ．2 2 引言 钨铜粉末药型罩与传统的密实铜板罩相比较， 具有较低炸高、无杵堵、深穿透等特点，已经广泛用 于石油射孔行业。钨铜药型罩受到国内外学者的关 注，J a m e t ⋯研究了钨铜药型罩烧结工艺对射流性能 的影响，S e o n g 【2 1 研究了锻压钨铜药型罩聚能射流的 侵彻性能，李如江”1 等研究了孔隙度对粉末药型罩 的影响，王凤英’等通过试验，研究了钨铜射流的 侵彻性能。雷锋斌”1 等对钨铜粉末药型罩形成聚 能射流做过数值模拟，胡晓艳”1 等对大角度聚能装 药射流形成进行过数值模拟，而对于钨铜粉末药型 罩石油射孔弹侵彻钢靶的数值仿真方面的研究较 少。 本文使用A n s y s ／L q ．d y n a 软件对钨铜粉末药型 罩石油射孔弹侵彻4 5 。钢靶进行模拟计算，并且与 实际试验数据做比较。 1 模型的建立 1 ．1 网格的划分 数值模拟计算中，聚能装药直径为9 3 8m m ，装 药高度为4 3l I L r f l ，药型罩直径为9 3 8m m ；靶板材料 为4 5 。钢，直径为a 1 2 0m m ，高度为2 0 0l n l n 。 计算模型如图1 所示。炸药、药型罩、空气3 种 材料采用E u l e r 网格建模，单元使用多物质A 比算 法。4 5 。钢靶和弹壳用拉格朗日网格建模，并且钢靶、 弹壳与空气、药型罩材料问采用耦合算法。”。由于 射孔弹装药是线性的，可以将模型简化为平面对称 问题，先建立半个平面，然后在结果查看中选择对称 即可。为了方便建模，本次采用单层实体网格建模， 可以充分利用A n s y s d L s ．d y n a 程序中的多物质A L E 图1 模型的建立 算法，又可以将模型的尺寸减小。 1 ．2 材料模型及其参数 1 ．2 ．1 炸药 炸药为8 7 0 1 炸药，关键字为M A T - H I G H E X P L O S I V E B U R N ，采用程序起爆法描述炸药的反应 和压力。起爆压力由下式计算 P 印。 v ，E 1 式中，为燃烧质量分数，在模拟爆轰过程中控制能 量的释放；p 。为爆轰产物压力；y 为相对体积；E 为单 位初始体积的内部能量密度。 关键字中所需参数”’如表1 所示，P 为炸药压 实密度，D 为爆速，P c I 为爆轰压力，E 为内能。 表1 炸药8 7 0 1 参数 炸药爆轰后，用J W L 状态方程来计算各产物的 膨胀压力，关键字为 E O S 一胛几，假定爆轰波以固 定速率传播，以炸药爆轰产物压力几表示的J w L 状 态方程为 收藕日期2 0 1 I - 0 9 2 7 作者筒介赣康华 1 9 8 4 一 ，男，硕士，主要从事石油射孔弹研究。E - m a i l ．a n m l y S 4 6 i a a ．∞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 l 卷第1 期 式中y 詈；p 。为炸药初始密度；p 为为爆轰产物 密度；E 为内能；A 、B 、R ，、R 和∞为软件模拟时输 人参数；I i o 为初始相对体积。 具体见表2 C 8 1 。 表2炸药爆轰产物的J W L 状态方程参数 1 ．2 ．2 药型罩 在A n s y s ／L s - D y n a 程序中，用本构模型描述偏 应变和偏应力之间的关系，并用方程表示应力张量 的球张量部分、密度和能量之间的关系。在计算中 选取M i e G r u n e i s e n 状态方程【5 】，此状态方程适合解 决冲击问题。在射流形成的第一阶段，即爆轰波传 到药型罩顶部时，药型罩材料中的应力是由状态方 程控制的；在第二阶段，即在发生塑性应变期间，由 于持续时间较长，药型罩材料中的应力是由本构模 型控制的。在计算过程中。选用S t e i n b e r g 本构模 型【9 】，关键字为E O S S T E I N B E R G ，计算射孔弹 药型罩材料的塑性应变，该模型结合了压力效应、温 度和塑性延展率，适合于塑性应变率高于1 0 5 s 。1 的 情况一J 。 1 ．2 ．2 ．1G r u n e i s e n 状态方程 药型罩在压缩状态下，受到压力为 P o C 2 ／z [ 1 卜孚 肛一和] P l ■r i 一 [ 1 一 s - 一1 p 一是南] 一s 石裔] 2 灿十lL 工‘十IJ 帕 甲 E 3 当材料发生膨胀时，受到压力为 P l p o c ■ 帕 口／z E 4 式中p 卫；p 为药型罩材料受到爆轰波后的密度； p o P 。为药型罩材料初始密度；C 为材料的静态体声速； S 。、是、s 3 为材料冲击绝热线的有关系数；T o 为 G r u n e i s e n 系数；口为对帕的一阶体积修正量。 G r u n e i s e n 系数；口为对讹的一阶体积修正量。 钨铜混合材料的状态方程参数可使用混合物的 叠加原理进行求解【l 】设藏表示第i 种组分的质量 分数，则混合物的密度P 、声速C 、材料冲击绝热线相 关系数S 、G r u n e i s e n 系数讹、比容C ，等参数可通过 下列公式计算 上∑氟上；旦Ex,百ViPP iT o ； 7 ‘ C ∑茁i C i ；C y 5 x i C ∥；S ∑茗i S ‘ 5 对于本次模拟结构的药型罩，材料的物理参数 如表3 所示。混合材料w 、C u 的质量分数分别为 2 0 ％、8 0 ％。 1 ．2 ．2 ．2 S t e i n b e r g 模型【7 1 在S t e i n b e r g 本构模型中，材料模型关键字为 M A T _ S T E I N B E R G 。剪切模量C 和屈服应力叮， 都随压力增大而增大，同时随温度的升高而减小。 当达到材料的熔化温度时均接近于零。 材料在熔化前的剪切模量为 G C o i l 6 p 一一．| l 簪一3 0 0 ] e 鑫 6 尺，华 7 式中c o 、b , h 、厂为试验时确定的材料常数；J R7 为普适 气体常数，y 为比容；置为所在某一温度时的能量； E 。为冷压缩能量；E 。为熔化能量，其值取决于熔化 温度r ；P 为密度；A 为摩尔质量。 S t e i n b e r g 模型中定义材料的屈服强度由下式给 出 O y 盯』l J B ％F e 2 ， ] 。 8 式中盯、卢为材料参数，y ；为初始塑性应变；8 、P 、n 为试验时确定的材料常数。 钨铜粉末药型罩材料的计算参数[ | 1 见表4 。P 为混合物密度。 1 ．2 ．3 空气 在多物质A L E 方法的计算中，还需要建立覆盖 整个范围的空气网格。为了避免压力在边界上的反 射，需要在边界节点上施加压力流出边界条件。空 气采用流体模型，状态方程为线性多项式。 表32 0 W S O C u 粉末药型罩组分及计算参数 迪y 心 e ∞面 一 Be 甜币 一A p 万方数据 2 0 1 2 年2 月钨铜粉末药型罩射孔弹对钢靶侵彻的数值模拟赖康华等 - 9 P C o F e 2 C l l Z c ∥ c ∥ c 4 c 班 c ∥ E o 9 c o 、C 。、G 、c 3 、c 4 、c 3 、c 6 为方程系数。 具体输入参数‘5 1 见表5 。 表5 空气模型参数 } 日 3 j 图3 射流头部速度曲线 1 ．2 ．4 弹壳和钢靶 钢靶和弹壳都是采用4 5 ‘钢，关键字为 M A T _ _ P L A S T I C K I N E M A T I C 。这个模型适合模拟等向和 运动强化塑性，适合壳体和固体靶板，在A n s y s ／L s - D y ．a 中参数‘7 1 设置具体如表6 。 ‘8 ’”’ ”’ 表6 弹壳和钢靶模型参数 2 数值模拟结果 采用射孔弹导爆索起爆孔位置起爆，计算得到 射孔弹压垮粉末药型罩、射流形成等过程，如图2 所 示。 图2 射流的形成过程 射流头部速度曲线如图3 所示。 从计算可以看出主炸药在起爆3 ．5I t s 后，药型 罩表面开始受到炸药爆轰的冲击作用，先被压垮成 伞状，紧接着翻转。压合过程中，钨铜粉末药型罩的 上半部分直接向轴线汇合，钨铜粉末药型罩在轴线 处碰撞后，分成射流和杵体两部分。从曲线及整个 计算过程可以看出，速度达到最大值3 8 0 0m ／s 后逐 渐减小。 图4 中显示了钢靶被侵彻的过程。 从图4 a 可以看出，2 0 p , s 时射流刚达到钢靶 a 钢靶对接触射流； b 钢靶被射流开孔； c 钢靶被射流作用后 图4 钢靶的变形过程 位置，之后粉末罩射流开始侵彻钢靶，此时射流头部 速度为3 0 0 0m ／s ，射流头部与钢靶高速撞击后，在 钢靶周围形成塑性变形区和高温高压区，对靶板产 生较强的冲击波。 在起爆3 0 斗s 后，如图4 b 所示，在钢靶内部 开出一个孔道，之后射流继续侵彻，但是受到高温高 压和钢靶阻碍作用，射流发生了较大的塑性变形，射 流头部减小，动能降低。在1 1 5 “s 后，射流头部破 坏严重，速度降低，此时已经不能对钢靶继续侵彻， 整个穿孔过程结束。 数值模拟中穿深为1 5 3 m m ，孔径为9 ．6 m m 。 3 模拟结果与实验对比 为了验证模拟的准确性，生产了6 发8 9 型粉末 药型罩射孔弹，并对其进行打靶试验，靶板材料为 4 5 。钢，直径为0 1 2 0 m m ，高度为2 0 0 m m ，如图5 。 一 一’一L1 嘲曼■ f a b a 射孔弹在4 5 ’钢靶上试验； b 钢靶被作用后穿孔 图5 粉末药型罩射孔弹试验 拈0 ；～n 0 ～ 半一 爪 ～ I ～ 万方数据 1 0 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第4 l 卷第1 期 试验装配情况如图5 a 所示，炸高为4 0m l n 。 图5 b 为射孔弹作用靶板后穿孔孔径情况。 射孔弹对钢靶的穿深和孔径数据如表7 。穿深 平均值为1 4 7m m ，平均孔径为9 ．2m m 。实验结果 小于模拟数据均因为实际中存在不确定性的因素影 响。模拟结果与实验穿深和孔径对比，差别不超过 5 ％，表明此数值模拟方法比较合理。 表7 射孔弹穿深和孔径实验 4 结论 用A n s y s ／L s - D y n a 软件建立射孔弹对4 5 ’钢靶 的侵彻模型。炸药、药型罩、空气3 种材料采用E u l ． e r 网格建模，单元使用多物质A L E 算法，4 5 。钢靶和 弹壳用拉格朗日网格建模，并且钢靶、弹壳与空气和 药型罩材料问采用耦合算法。此外，还模拟了普通 射孔弹对4 5 ‘钢靶，数值仿真结果与实际结果差别 不大。 利用混合物的叠加原理对钨铜混合材料的状态 方程参数进行了计算，得到了2 0 W8 0 C u 粉末药型罩 的参数。 模拟的穿深为1 5 3m m ，孔径为9 ．6m m ，试验穿 深平均值为1 4 7m m ，平均孔径为9 ．2m m ，计算结果 与试验结果存在一定的差距，数值模拟计算涉及许 多影响因素，有待继续探讨。 参考文献 [ 1 ] J a m e tF ．，L i c h t e n b e r g a rA ．I n v e s t i g a t i o no fc o p p e r - T u n g ． s t e nS h a p e dC h a r g eL m e m [ c ] ／／P r o c e e d i n g so f9 t hT h ． t e m a t i o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ．E n g l a n d ，1 9 8 6 2 3 3 ． 2 3 6 ． [ 2 ] L e eS ．，K i mE ．P ．，K i mY ．，e ta 1 ．P e n e t r a t i o np e r f o r m ． 蛐c 髓o ft u n g s t e n - c o p p e rs h a p e dc h a r g el i n e r [ C ] ／／P r o - e e e d l n g so f2 2 n dI n t e r n a t o o n a lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ． C a n a d a 。2 0 0 5 4 3 7 4 4 3 ． [ 3 ] 李如江，沈兆武，刘天生，等．铜粉末药型罩试验研究 [ J ] ．工程爆破，2 0 0 8 ，1 4 3 1 8 - 2 0 ． [ 4 ] 王凤英，刘天生，苟瑞君，等．钨铜镍合金药型罩的研 究[ J ] ．兵工学报，2 0 0 1 ，2 2 1 1 1 2 ．1 1 4 ． [ 5 ] 雷锋斌，曹瑞林．钨铜粉末药型罩形成聚能射流的数 值模拟[ J ] ．火炸药学报，2 0 1 0 ，3 3 6 1 1 2 ．1 1 4 ． [ 6 3 胡晓艳，刘天生。王凤英，等．大角度聚能装药射流形 成及对钢靶侵彻的数值模拟[ J ] ．弹箭与制导学报， 2 0 1 1 ，3 1 1 9 7 9 ． [ 7 】时党勇，李欲春，张胜民．基于A N S Y S ／L 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 1 9 8 - 2 0 0 ． 【8 ] 朱亮，李慧子，王晓鸣，等．炸药材料性能参数对J P C 成型的影响[ J ] ．四川兵工学报。2 0 1 1 ，3 2 3 1 4 ．1 6 ． [ 9 ] M e y e rMA ．D y n a m i cB e h a v i o ro fM a t e r i a l s [ M ] ．N e w Y o r k J o h nW i l e ya n d8 0 n 8 ，i n c ．1 9 9 4 3 2 7 - 3 3 9 ． N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fP e n e t r a t i n gS t e e lT a r g e tf r o mT u n g s t e na n d C o p p e rP o w d e rL i n e r sP e r f o r a t i n gB u l l e t s L A IK s n g h u a ，D UM i n g z h a n g ，W A N GQ i n g b i n ，Z H A OS h i h u a S i c h u a nP e t r o l e u mP e r f o r a t i n gM a t e r i a l sC o ．，L t d ． S i c h u a nL o n g c h a n g 。6 4 2 1 7 7 [ A B S T R A C T ] P e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e tp r o c e s so fT u n g s t e na n dC o p p e rp o w d e rl i n e r sp e r f o r a t i n gb u l l e t s Ⅷs i m u l a t e d t h r o u g hn u m e r i c a lm e t h o d0 ft h eA n s y s ／L s D y I l as o f t w a r e ．T u n g s t e n C o p p e r 2 0 W S O C u m i x e dm a t e r i a le q u a t i o n0 f s t a t ep a r a m e t e mw e r ec a l c u l a t e db a s e do nt h em i x t u r eo ft h es u p e q x k s i t i o np r i n c i p l e ．M u l t i m a t e r i a lA r b i t r a r yL s g r s n g I a n E u l e r i a n A L E a l g o r i t h mi su s e dt Os i m u l a t et h ef o r m a t i o np r o c e s s0 ft h es h a p e dc h 且r g ej e ta n dp e n e t r a t i n gs t e e lt a r g e t p r o c e s s ．T h et y p e8 9p e r f o r a t i n gc h i c sf o r4 5 。s t e e lt a r o to fp e r f o r a t i o nd e p t h1 5 3 衄，d i a m e t e r9 ．6 m m 。i ss i m u l a t e d ． C o m p a r e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ed o s et Oe x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t h i n5 ％d i f f e r ． e n c e ． [ K E YW O R D S ] T u n g s t e na n dC o p p e rp o w d e rl i n e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，A L Ea l g o r i t h m 。p e n e t r a t i o n 万方数据