不同锥角药型罩的金属射流性能仿真分析

 王立蒙，张国伟

 （中北大学  机电工程学院，山西  太原  030051）

摘要：以深侵彻弹为目标，对药型罩锥角这一影响金属射流性能的因素进行了详细的分析研究。在分析国内外有关聚能装药的基础上，利用ANSYS／LS-DYNA有限元分析软件进行仿真计算，模拟结果表明，在靶板速度一定的条件下，锥角为110。的圆锥形药型罩形成的射流对运动体的侵彻效果最好。

关键词：锥角；金属射流；药型罩；仿真  中图分类号：TP391.9   

0引言

    聚能装药在发生爆炸后形成高速的金属射流，其头部速度可达到6 km/s～8 km/s，尾部速度大约为2km／s，射流金属约占金属罩总质量的6%～11%。圆锥药型罩锥角的大小对所形成射流的各项参数、破甲效果以及后效作用有很大的影响。当药型罩锥角过小时，虽然可以形成很高速度的射流、增加破甲深度，但同时其侵彻孔直径较小、后效作用较低，特别是其侵彻的稳定性较差；当药型罩锥角过大时，虽然其射流速度有所降低、破甲深度有所下降，但其侵彻孔直径有所增大、后效作用较好，特别是具有较好的稳定性。本文通过实验仿真来找出最佳的圆锥药型罩锥角。

1  金属射流形成的过程

    金属射流的形成过程如图1所示。金属罩在炸药所产生的爆炸波的作用下，高速向中心挤压，并在轴线上发生碰撞，随着动能进一步提高，锥形药型罩材料在中心线上压合使一部分的药型罩挤出，从而形成高速的金属射流。

    圆锥角药型罩所形成的聚能射流按照射流与杵体随锥角大小的变化特点可分为三类：①当药型罩锥角在300～900之间时，称为小锥角金属聚能流；②当药型罩锥角在900～1200之间时，称为中锥角金属聚能流；③当药型罩锥角大于1200时称为大锥角金属聚能流。随着药型罩锥角的变化，所产生的金属聚能流的外形和物理参数也发生变化。

2材料模型及参数的确定

    在仿真计算中，主要建立药型罩、主装药、壳体、空气和目标靶板5种材料的破甲战斗部有限元模型，调整适宜的网格密度，设置恰当的边界约束（空气域无反射边界约束），使用正确的算法（ALE算法），确保计算结果准确。求解计算时的单位为cm-g- μs-Mbar。

    在数值计算过程中，材料模型以及材料各参数的选取直接影响到计算结果的准确性，一些重要参数值必须通过试验确定。本文所使用的5种材料都是数值仿真中经常用到的，各材料模型和状态方程参数与实际情况相符。

2.1  炸药的确定

    炸药的爆轰压力是主要影响因素，欲取得较大的爆压，应尽可能增大装药的密度和爆速，因此装药时应采用高爆速炸药和增大装填密度。

    综合安全、成本、制作工艺等因素，选取一种最为常见的炸药即B炸药，材料模型为HIGH—EXPLO-SIVE _BURN，状态方程为JWL，其压力表达式为：

2.2  炸药的确定

    炸高是指破甲弹在起爆瞬间药型罩底端口部到装甲表面的距离，通常选择有利炸高的上限，这样既能保证破甲深度，又可减轻弹重。本文的药型罩材料为铜，3倍的罩底直径为最佳炸高，所以本文选择的炸高为3倍的罩底直径。

2.3  药型罩参数的确定

    药型罩是形成金属射流的关键部位，是整个战斗部的“执行部件”，药型罩参数从根本上会影响金属射流的侵彻能力。

    本文数值仿真中选用的药型罩材料为紫铜，材料模型为JOHNSON一COOK，状态方程为GRUNEISEN。

    本文选择中锥角的药型罩战斗部，即其锥角范围为900～1200，这种药型罩形成的射流既有小锥角射流的高速特性，又有大锥角射流的高稳定性特性，同时可以满足抵御靶板速度对其的剪切干扰和侵彻大壁厚的要求。药型罩的锥角变化对金属射流侵彻能力的影响是本文的研究重点，本文将分别对药型罩锥角为900、1000、1100、1200四种情况进行模拟仿真。

    除此之外，本文选用普通钢为壳体材料，材料模型为JOHNSON—COOK，状态方程为GRUNEISEN。选取空气作为战斗部作用的介质，材料模型为NULL，状态方程为LINEAR_POLYNOMIAL。

3仿真模型的建立及计算方案

3.1  有限元模型的建立

    为达到毁伤目标的目的，本文将目标选择为弹体的圆柱部，聚能射流侵彻直径相对其弹体较小。同时若建立整个弹体模型，则数值计算量非常大，浪费不必要的人力和物力，因此将钻地弹弹体的圆柱部简化为100 mm的平面厚靶板，取其一段以缩小数值计算量，并建立等效模型。另外为了能贴合实际，更加真实地模拟在实战中战斗部攻击拦截钻地弹的情况，结合真实弹目交汇条件，本文在以前简化模型的基础上，赋予靶板一定初速和倾角。

    图2为破甲战斗部几何模型，采用90 mm口径，锥角分别为900、1000、1100、1200的破甲战斗部。

    图3为战斗部侵彻高速运动靶板的结构简化模型。考虑到战斗部和目标靶板结构的轴对称性，简化模型为二分之一模型，主装药、药型罩和空气设置多物质ALE算法，采用Euler网格建模；靶板和壳体采用Lagrange网格建模，并且各材料之间使用耦合算法。战斗部侵彻高速运动靶板的有限元模型如图4所示。

3.2  数值计算方案

    本文是在弹目夹角为450的情况下，研究药型罩锥角分别为900、1000、1100、1200的破甲战斗部对速度为400 m/s的靶板的斜侵彻情况，分析研究射流侵彻过程，并对比射流性能，寻找锥角对形成射流特性的具体影响，从而为设计出一种对运动体侵彻效果较好的药型罩结构打下基础。

4仿真结果分析

    本文通过数值模拟对药型罩锥角分别为900、1000、1100、1200四种情况进行数值模拟研究，图5～图8为不同锥角的药型罩形成金属射流的过程。

    从图5～图8可以看出，药型罩锥角从900--1 200的战斗部所形成的金属射流总体都比较均匀，射流速度梯度比较适中，射流头部直径整体比较粗，抗干扰能力比较强，对大壁厚的运动靶板具有很好的侵彻效果。当药型罩锥角从900逐步增到1200的过程中，射流速度下降，射流长度降低，射流的直径增大。

    图9为不同锥角的药型罩在t=68 μS时，金属射流的速度形状对比图。从图9可以看出，药型罩锥角从900增加到1200的战斗部所形成的金属射流在t=68μs时，射流的速度越来越低，射流的直径越来越大。

    图10为不同锥角的药型罩形成的射流刚到达靶板时速度形状对比图。从图10可以看出，药型罩锥角逐步增大时，金属射流在到达靶板时的速度越来越低，到达靶板的时间越来越晚。

    表2为不同锥角的药型罩所形成的金属射流速度。从表2中可以明显看出，当药型罩的锥角逐步增大时，金属射流的头部速度从5 557 m/s减小到4 802 m／s，减小趋势比较明显。金属射流侵彻靶板主要是依靠金属射流的头部，在没有径向干扰的情况下，射流头部速度越大，其侵彻效果也越好。但本文研究的重点是对运动体的侵彻分析，靶板的运动会严重干扰到射流的侵彻，即存在很大程度的径向干扰，这就对射流的稳定性提出了很高的要求，即要求射流不仅具有很高的速度，还要求有比较大的直径。

5结论

    药型罩锥角900～1200的战斗部所形成的金属射流总体都比较均匀，射流速度梯度比较适中，射流头部直径整体比较大，抗干扰能力比较强，对大壁厚的运动靶板具有很好的侵彻效果。当药型罩锥角从900逐步增到1200的过程中，射流速度下降，射流长度降低，射流的直径增大，同时药型罩锥角逐步增大时，金属射流在到达靶板时的速度越来越低，到达靶板的时间越来越晚。