药型罩结构对环形爆炸成型弹丸形成的影响.pdf

爆破器材E x p l c 6 i v eM a t e f i a h 第加卷第6 期 药型罩结构对环形爆炸成型弹丸形成的影响 贾伟∞昊国东。王志军①黄德雨。 ①中北大学机电工程学院 山西太原，0 3 0 0 5 1 6 6 3 5 2 部队 北京，1 0 1 5 0 8 9 9 5 8 7 4 部队 江苏南京，2 1 0 0 2 2 [ 摘要] 针对截面呈弧锥结合状的变壁厚环形药型罩结构，应用非线性有限元软件完成了爆炸载荷下弧锥结合 罩形成环形爆炸成型弹丸 E F P 过程的数值模拟。与等壁厚、环锥形、环球形三种情况进行了对比，分析了曲率半 径和锥角两种因素对环形E F T 成型的影响。结果表明合理调节药型罩壁厚能有效降低内外罩径向速度差，获得 竖直向下的环形E F T ；环弧锥结合形E F P 比环锥形E F P 成型好、速度高、材料利用率高，比环球形E F P 密实度好、侵 彻能力强；曲率半径和锥角在选择上可进行优化，为进一步研究提供了参考。 [ 关键词] 聚能装药弧锥结合罩环形药型罩变壁厚数值模拟 [ 分类号] T J 4 1 4 ．2 引言 环形爆炸成型弹丸 v , r p 是从w 型装药结构 发展而来，在串联战斗部技术中得到了广泛应用。 环形E F P 具有对炸高不敏感、侵彻口径大、装药所 占空间小等特点，其作为串联战斗部前级，对提高战 斗部侵彻能力有很大帮助。另外，环形E F P 在民用 切割技术方面也有较大应用价值。 基于环形装药毁伤效果好的特点，一些学者对 环形切割技术进行了深入的研究。文献[ 1 ] 设计了 一种具有圆形切割能力的环形切割器；文献[ 2 ] 中 经技术改进后的结构可在3 倍炸高处侵彻出0 ．7 5 倍装药口径的环形孔洞；文献[ 3 ] 和[ 4 ] 根据等冲量 原则，建立环形聚能药型罩的质量补偿设计方法，通 过数值模拟和实验研究证明环形射流在小炸高的前 提下具有良好的侵彻能力；文献[ 5 ] 通过将环形药 型罩设计成变厚度垫圈形状，获得了长度达1 ／3 装 药直径的环形E F P ；文献[ 6 ] 将环形药型罩设计成 镰刀形状，选用不同罩材进行实验研究，证实结构可 形成直径超过装药E l 径的环形E F T ；文献[ 7 ] 对环 球形和环锥形两种装药结构进行了研究，两种结构 在形成E F P 过程中容易出现偏斜和破裂，难以控制 切割口径；文献[ 8 ] 通过合理调节药型罩内外壁厚 度，避免了E F P 形成过程的飞散偏斜。 本文在前人对环形爆炸成型弹丸研究的基础 上。提出一种截面为弧锥结合形的新型环形装药结 构，并通过数值模拟对其形成过程及影响因素进行 分析。 1 装药结构及仿真模型的建立 为更好地控制切割1 3 径，调整药型罩在翻转形 成E F P 过程中的偏斜程度，设计的药型罩为变壁 厚、截面呈弧锥结合状的环形药型罩。环形弧锥结 合药型罩由两部分组成，顶部为环球缺，口部为环 锥，中间采用光滑过渡。模型的结构参数包括切割 半径R 7 5 ／l a i n ，装药高h 4 5n u n ，罩截面圆弧曲率 半径r 2 5r ／R i l l ，锥角A 1 2 0 。，罩顶厚度d 2n l l n ， 罩截面内直径c 3 0 ∞，壳体厚度b 2 ／l l n l 。如图1 所示。 秽 三；三吾葛 - ．L 一l 图1 药型罩结构简图 因结构具有轴对称特性，为节省计算时间，利用 T r u e G r i d 前处理软件建立1 ／4 模型，装药结构如图 2 所示。有限元模型如图3 所示。 r 一’一 簟- _ - 一 I 一炸药；2 一壳体；3 一药型罩 图2 装药结构简图 ●收藕日期2 0 1 1 4 4 1 3 作者蕾介贾伟 1 9 8 4 一 ，男，磺士，研究方向弹箭仿真技术。E - m a i l k 呵．1 2 3 ．c 咖 1 6 3 ．∞m 万方数据 2 0 1 1 年1 2 月药型罩结构对环形爆炸成型弹丸形成的影响贾伟等 9 1 一空气；2 一药型罩；3 一炸药；4 一壳体 图3 结构有限元模型 采用L S - D Y N A 软件进行数值计算，考虑药型 罩、炸药、壳体、空气4 种材料，采用的算法为单点多 物质流固耦合算法，即药型罩、炸药、空气被分剖成 欧拉网格；壳体的变形采用拉格朗日网格描述，拉格 朗日网格置于欧拉网格中。程序采用耦合方式求解 拉格朗日网格和欧拉网格之间的相互作用，计算中 采用的单位制为k g - m m - m 。 药型罩材料为紫铜，密度为8 ．9 6g ／c m 3 ，本构方 程选用J o h n s o n - c o o k 模型，状态方程为G r u n e i s e n 方 程；炸药选用B 炸药。密度为1 ．8 2g ／c m ，爆速为 8 4 8 0n ∥s ，其本构关系的描述选用H I G H E X P L O S I V E _ B U R N 形式，状态方程为J W L 方程；壳体采用 钢材料，密度为7 ．8 3g ／c m 3 ，本构方程选用P L A S T I C _ K I N E M A T I C 模型；空气材料选用流体模型为M A T N u u ，状态方程为线性多项式E O S L I N E A R P O L YN O M I A L ，并在边界节点上施加压力求出边界 条件，避免压力在边界上的反射。炸药参数值参见 文献[ 8 ] ，药型罩、壳体、空气具体参数值参见文献 [ 9 ] 。 2 仿真结果及因素分析 2 ．1 与等壁厚药型罩形成环形E F P 的对比 因环形装药不同于一般的轴对称装药。当药型 罩设计成等壁厚时。内外罩的质量不相等且对应的 有效装药也不相等，将造成内外罩在翻转过程径向 速度不一致，使所形成的E F P 容易发生偏斜和断 裂。因此，适当调整壁厚变化率可以缩小内外罩在 翻转过程中的径向速度差距，使形成的E F P 沿直线 方向前进。为确定壁厚变化率，经过大量仿真计算 得出对于球缺部分，罩顶厚度不变，并以其为基准， 内罩厚度均匀增加6 ％，外罩厚度均匀减少6 ％；对 于截锥部分，内罩厚度均匀增加5 ％，外罩厚度均匀 减少5 ％，如图4 所示，对称轴0 0 ’左侧表示内壁。右 侧表示外壁，虚线为等壁厚时药型罩的轮廓线。为 了进行对比，不改变其它结构参数，采用环形起爆方 式分别对等壁厚、变壁厚药型罩两种装药结构进行 数值模拟。图5 是两种结构9 炉、2 4 炉、4 5 1 ．w 、6 0 p 4 个时刻E F P 形成的情况。 图4 药型罩壁厚调整示意图 ■_ l o o o ●■■- 、 卜q I 、 1 ■●●r ， 二4 l b ■_ l ■ r 4 5 【l ‘ l - l ’ ／n U l b，一1 I l L b a b a 等壁厚药型罩变形过程剖视图； b 变壁厚药型罩变形过程剖视图 图5 两种结构不同时刻E F P 形成的情况对比 在图中可以看到等壁厚情况下，E F P 在形成过 程中产生明显的向外偏斜。造成此现象的主要原因 是内外罩在翻转过程中径向速度相差较大。内罩速 度的绝对值明显要高于外罩。经过壁厚调整，E F P 的倾斜程度得到了明显改善。表1 、表2 为变壁厚 药型罩头部以及尾部的径向和轴向速度在不同时刻 的数值，图6 为合成的E F P 头、尾部的径向和轴向 速度变化曲线。 由表中数据及速度变化曲线可见在轴向上，药 型罩在0 1 5 p 。s 阶段受到装药爆轰作用影响，E F P 的头、尾部速度均快速提高；之后由于尾部速度梯度 和空气阻力的影响，头部速度逐渐减小，尾部速度逐 渐增加；在6 0 炉时头、尾部速度达到一致，即形成的 E 即在形态上趋于稳定，在轴向上停止拉伸。在径 表I变壁厚药型罩头、尾部径向速度对比 m 8 “ 时间／“ 0 1 2 2 4 3 85 2 6 6 8 0 头部0 71 17930 尾部022 3 2 8 2 4 1 8 1 5 表2 变壁厚药型罩头、尾部轴向速度对比 脚B 。1 堕唑些 丝塑墼 堡墼 头部0 2 1 2 72 0 5 91 8 9 81 8 3 81 8 1 8 1 8 1 5 尾部0 1 4 8 51 5 8 31 6 2 0 1 7 4 21 8 1 2 1 8 1 3 怫一 万方数据 1 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第加卷第6 期 ， g 越 磺 匠 暴 b a 径向速度变化曲线； b 轴向速度变化曲线 图6E F P 头、尾部速度变化曲线 向上，0 2 0 _ L s 阶段头、尾部速度均呈加大趋势；2 0 5 0 灿阶段头部速度缓慢减小，而尾部速度呈震荡 状态；5 0 9 s 之后，头、尾部径向速度再减小，且二者 之问差距也逐渐减小；7 0 p ．s 时，头、尾部速度基本稳 定，二者差距为1 5 m ／s ，说明E F P 有轻微向内偏斜的 趋势，但考虑到与轴向速度在数量级上的差距，此趋 势并不影响E F P 的飞行稳定性。 2 ．2 与环锥形、环球形药型罩形成E F P 的对比 不改变结构参数，对环锥形和环球形装药结构 进行数值模拟，得到它们在6 0 岫状态稳定时的E F P 形态，如图7 所示。依据其装药结构特性，为方便描 述，将两种E F P 记为环锥形E g P 和环球形E F P 。 图7 两种结构印妒时刻形成E F P 形态 经过壁厚调整，两种结构形成的E F P 均无明显 偏斜，验证了文中所述壁厚变化率调整数值的合理 性。环锥形E F P 稳定时速度为1 7 5 2m ／s ，在形成过 程中，崩落现象比较严重；环球形E F P 稳定时速度 为1 8 0 8m ／s ，E F P 断面内中空部分所占比例较大， 不利于侵彻。因此，与环锥形E F P 相比较．环弧锥 结合罩形成E F P 具有速度大、成型好、材料利用率 高等优势；与环球形E F P 相比较，环弧锥结合罩形 成E F P 具有密实度好、侵彻能力强等优势。 2 ．3 曲率半径对环形E F P 成型的影响 其它装药结构参数不变，改变环形药型罩截面 圆弧曲率半径r ，对r 取2 3 、2 5 、2 7 、2 9 m m 4 种情况进 行数值模拟。图8 为8 0 p 。s 时不同曲率半径时形成 E F P 速度云图。 谜度梯艘速他忡J 0进度梯胜迎J 簦梯J l 图8 不同曲率半径下环形E F P 速度云图 仿真结果显示，r 取2 3 m m 时环形E F P 断面密 实度最好，r 取2 9 m m 时E F P 速度最高。整体规律 为曲率半径较小时，E F P 的断面内中空部分较小， 密实度较好，但速度偏低；曲率半径增大后，状态稳 定后的E F P 速度逐步提高，但其断面内中空部分所 占比例也相应加大。 2 ．4 锥角对环形E F P 成型的影响 其它装药结构参数不变，改变环形药型罩截面 锥角A ，对A 取1 1 5 。、1 2 0 。、1 2 5 。、1 3 0 。4 种情况进行 数值模拟。图9 为8 0 “s 时不同锥角时形成E F P 速 度云图。 仿真结果显示，随着锥角增加，状态稳定后的 E F P 速度不断减小；从断面形态上看，锥角1 3 0 。时 形成的E F P 与环锥形装药结构类似，锥角11 5 。时形 成的E F P 相对其他三种情况成型较好。 速度梯度速度梯度速度梯崖建度梯度 ⋯l ⋯4 ，一。I 一1 r 膏三I 三I 疋 图9 不同锥角下环形E F P 速度云图 3 结论 I 初步数值模拟表明，截面为弧锥结合状的 环形药型罩在爆炸载荷下能够形成形态稳定的环形 E F P 。 2 通过对药型罩环球缺段调整壁厚变化率 6 ％、对环锥段调整壁厚变化率5 ％，可以有效降低 内外罩径向速度差距，得到竖直向下的环形E F P 。 一■色l／赵斟星啦 ～ 一 一n、7讲 F l ， 一 ～m巧r ■F矿同 万方数据 2 0 1 1 年1 2 月 药型罩结构对环形爆炸成型弹丸形成的影响贾伟等 结合形E F ’P 比环球形E F P 密实度好，侵彻能力强。 3 同等装药结构条件下，环弧锥结合形E F P 比环锥形E F P 成型好、速度高、材料利用率高；环弧 锥结合形E F P 比环球形E F P 密实度好，侵彻能力 强。在曲率半径和锥角的选择方面可以进行优化。 参考文献 [ I ] G a z o n a sCA 。S e g l e t e sSB ，P a x t o nCV ，e ta 1 ．H y D - c o d es i m u l a t i o no ff l e x i l i n e a rs h a p e dc h a r g ej e tp e n e t r a t i o ni n t o 趴e x p l o s i v ef l i e dc y l i n d e r [ C ] ．1 8 t hI n t e r n a - t i o n u lS y m p o s i u mo nB a l l i s t i c s ，S a nA n t o n i o ，U S A ， 1 9 9 9 5 1 3 - 5 1 9 ． [ 2 ] C h i c kMC ，B u a s e l lTJ ，I ．a mCP ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to f Bc o o k i e - c u t t e re x p l o s i v e l yf o r m e dp r o j e c t i l e [ C ] ．1 7 t hI n - 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 ，M i d r a n d ，S o u t hM - f l e a ，1 9 9 8 2 5 - 2 7 ． 【3 ] 吴成，曾艳春，张向荣，等．环形聚能药型罩的设计新 方法与实验[ J ] ．北京理工大学学报，2 0 0 7 ，2 7 4 2 9 1 ．2 9 4 ． [ 4 ]王成，恽寿榕，黄风雷．w 形聚能装药射流形成及侵彻 的实验和数值仿真研究[ J ] ．兵工学报，2 0 0 3 ，2 4 4 4 5 1 ．4 5 4 ． [ 5 ] K s n i gPJ ，M o s t e r tFJ ．仉d e s i g na n dp e r f o r m a n ho f a n n u l a rE F P ’s [ C ] ．1 9 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo f B a l l i s t i c s ，I n t e r l a k e n ，S w i t z e r l a n d ，2 0 0 1 7 4 9 - 7 5 4 ． [ 6 ] M e i s t e rJ ，H a i l e rF ．E x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls t u d i e s o fa n n u l a rp r o j e c t i l ec h a r g e s [ C ] ．1 9 t hI n t e r n a t i o n a lS y m p e s i u mo fB a l l i s t i c s ，I n t e r l a k e n ，S w i t z e r l a n d ，2 0 0 l 5 7 5 - 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c o n e E F Ph a dh a v eb e t t e rc o m p a c t n e s sa n dp e n e t r a t i o nt h a na n n u l a ro r I e B ．M o r e o v e r ，c o n ea n g l ea n dc u r v a t u r er a d i u sc o u l db e o p t i m i z e dw h i c hp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rf u r t h e rs t u d y ． [ K E YW O R D S ] s h a p e dc h a r g e ，a r c - c o n el i n e r ，a n n u l a rl i n e r ，v a r i a t i o nt h i c k n e s s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上接第7 页 T h eS t u d yo fS o l v e n tE f f e c to nt h eT h e r m a lR e a c t i o no fB ／B a C r O ．D e l a yC o m p o s i t i o n G U OH o n g ，L IY a n c h u n ，Z t l UX u q i a n g ，X I A OX i n h u a ，C H E N GY i S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N 柚j i n gU n i v e m i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] S i l i c o no i lw 硇u s e d ∞a d h e s i v et om a k eB ／B a C r O ．d e l a yc o m p o s i t i o n ．E t h a n o la n db e n z e n ew e 陀∞l e c t e d ∞s o l v e n t ．T h eT G D S C M S F T I Rw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs o l v e n to nt h et h e r m a lr e a c t i o no fB ／B a C r 0 4d e h y c o m p o s i t i o n ．T h ea c t i v a t i o ne n e r g yw s , sc a l c u l a t e db yO z a w am e t h o dt os t u d yt h er e a c t i o nm e c h a n i s m ．T h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e r ew e r et h r e es t e p si nt h et h e r m a lr e a c t i o no fB ／B a C r O d e l a yc o m p o s i t i o nu s i n ge t h a n o lo rb e n z e n es 8s o l v e n t ．T h e f i r s ts t e pw a st h es o l v e n tv o h t i l i z a t ／o na ta b o u t1 0 0 。G ．T h es e c o n ds t e pw ．e t 6t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o no fs 出c o no i l 毗a b o u t 3 2 0 ℃．A n dt h el a s ts t e pw a st h er e a c t i o nb e t w e e nBa n dB a C r 0 4a t7 7 0 q C ．U n d e rt h ee f f e c to fe t h a n 0 1 ．t h ea c t i v a t i o ne n e r - 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