药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:山西省基础研究计划()山西省高等学校科技创新项目()作者简介:王晓东()男硕士研究生:.通信作者:徐永杰()男博士副教授:.:./.药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究王晓东徐永杰郑娜娜王 昊(.中北大学 机电工程学院 太原 .重庆红宇精密工业集团有限公司 重庆.陆军装备部驻北京地区军事代表局驻长治地区军事代表室 山西 长治)摘要:为研究药型罩结构对线型聚能装药的影响采用有限元软件 对不同截顶高度的锥顶、平顶与圆顶结构的线型聚能装药侵彻 钢靶板的过程进行了仿真分析 结果表明:不同结构的线型药型罩对线型聚能装药射流的成形与侵彻性能造成较大影响平顶结构线型聚能装药在截顶高度为 时有最优侵彻性能较锥顶结构最大侵彻深度提升.圆顶结构线型聚能装药在截顶高位为 时有最优侵彻性能较锥顶结构最大侵彻深度提升.关键词:线型聚能装药药型罩聚能装药有限元侵彻性能本文引用格式:王晓东徐永杰郑娜娜等.药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:.:引言线型聚能装药在起爆后金属药型罩在爆轰波的作用下形成一条高温、高压、高能量密度的刀片状金属射流对目标进行切割故又称之为聚能切割器 目前线型聚能装药在军事、工业、矿业等爆破工程领域 有着广泛的应用前景针对线型聚能装药结构国内外专家学者对线型聚能装药进行了很多研究 等通过线型聚能装药切割 板的试验证明数值模拟能较好的表现断裂模式 陈宁等通过试验与数值模拟相结合的方法讨论了使用膨化硝铵炸药时线性聚能装药参数对侵彻深度的影响 王锋等对不同锥角线型聚能装药侵彻钢靶的过程进行数值模拟得到一种最佳装药结构并通过试验对结果进行了验证 张强等讨论了切割器射流头部动能与半锥角之间的关系并对切割钢靶的过程数值模拟确定半锥角为 时切割器具有最佳的切割性能 等通过实验与数值模拟研究了辅助截顶结构的线型聚能装药的侵彻性能 关荣等设计了一种截顶线性药型罩加矩形辅助药型罩的新型线型聚能装药结构通过数值模拟的方法对比新结构与传统结构的射流特性表明新型结构线型聚能射流的速度更高形态更加细长质量利用率较高 武双章等通过正交优化的方法对双角度组合楔形罩线型聚能装药的结构参数进行优化通过数值模拟各个方案得到最佳的参数组合 刘波等对平顶、圆顶、尖顶 种锥顶结构的聚能装药战斗部进行数值模拟并讨论了 种锥顶结构对射流的影响 杨乐等设计了一种新型柱 锥结合的线型药型罩对射流形成及切割过程进行数值模拟其头部速度及侵彻性能相对锥形线型药型罩分别提高了约.及.相对圆弧顶线型药型罩分别提高了约.及.苟瑞君和易建坤等通过试验及数值模拟的方法讨论了起爆方式对线型聚能装药成形及侵彻能力的影响因此本研究中通过 软件对锥顶、平顶与圆顶 种罩顶结构及不同截顶高度的线型聚能装药的射流成形和侵彻过程进行数值模拟研究药型罩结构参数对射流成形及侵彻性能的影响为线型聚能装药设计提供相关参考 模型建立.物理模型线型聚能装药结构如图 所示其中装药宽度 装药高度 装药长度 起爆方式为顶部中心线起爆 种罩顶结构的线型聚能装药的药型罩如图 所示线型药型罩的锥角 壁厚为 为截顶高度图 线型聚能装药结构示意图.图 药型罩结构图.有限元模型建立有限元模型通过 软件绘制六面体单元网格利用 软件进行计算对涉及材料大变形的空气、炸药与药型罩采用 算法靶板采用 算法射流与靶板间利用 关键字实现 种算法的耦合因线型聚能射流侵彻钢靶有限元模型具有对称性为提高计算效率建立/有限元模型 有限元模型如图 所示图 有限元模型.材料参数靶板材料为 钢采用 本构方程描述材料参数如表 所示药型罩材料为高导无氧铜采用 本构方程和 状态方程描述材料参数如表 所示装药为 炸药采用 状态方程描述材料参数如表 所示表 钢材料参数 名称/()/钢.王晓东等:药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究表 高导无氧铜材料参数 名称/()/.名称/.表 炸药材料参数 名称/()/().名称/.仿真方案设计与验证根据罩顶结构及截顶高度设计数值方案其中、分别代表锥顶、平顶、圆顶结构数字即截顶高度表 仿真方案设计 方案罩顶结构截顶高度/方案罩顶结构截顶高度/锥顶圆顶平顶圆顶平顶圆顶平顶圆顶平顶圆顶平顶 为提升仿真的可信性与准确性验证网格无关性 建立方案 不同网格尺寸的模型通过对比侵彻深度以减小网格尺寸带来的影响 综合考量计算结果与时长采用.边长的六面体网格如图 所示图 网格尺寸与侵彻深度.与此同时在网格尺寸及材料参数不变的情况下对文献中线型聚能射流切割钢靶的试验进行复现以验证计算准确性试验及有限元模型如图 所示图 试验与有限元模型.经计算得到靶板侵彻结果如图 所示 与文献中的试验结果进行对比如表 所示计算结果与试验结果基本一致因此本文的仿真模拟结果具有一定的准确性图 靶板侵彻计算结果.表 仿真结果与试验结果 试验次数侵彻深度仿真结果误差/.数值模拟.典型工况线型射流产生与侵彻性能在本研究中以锥顶及截顶高度为 的平顶、圆顶结构线型聚能装药为例进行分析 线型聚能装药在起爆后爆轰波以球面波的形式在装药内部进行传播在装药高度方向药型罩顶部最先受爆轰波的作用由顶部至底部逐渐压垮在装药长度方向药型罩两端受到滑移爆轰波的作用射流在成形过程中将会产生偏角使得射流宽度有所增加兵 器 装 备 工 程 学 报:/./种罩顶结构的线型聚能装药的射流成形过程如图 所示爆轰波于起爆 后开始作用于药型罩经 后爆轰波完全作用射流在形成速度上并无显著差别均在 形成线型聚能射流 锥顶结构线型药型罩形成速度梯度较大充分拉长的射流平顶结构线型药型罩在爆轰波的作用下首先作用于平顶部分压垮过程中在平顶与锥壁交会处形成速度较高的射流头部此后两侧射流在轴线处交汇形成一个完整的聚能射流圆顶结构线型药型罩形成射流的过程与锥顶罩相似图 射流成形过程.如图 所示截顶高度为 时 种罩顶结构形成的射流锥顶结构药型罩形成的射流头部速度约 /尾部速度约/长度为.平顶结构形成射流的头部速度约 /尾部速度约 /长度为.圆顶结构形成射流的头部速度约 /尾部速度约/长度为 与此同时锥顶结构形成的杵体最多其次为圆顶结构平顶结构最小图 射流速度分布.如图 所示 种罩顶结构形成的射流在沿装药长度方向侵彻性能相似切口长度均约 在最大侵彻深度方面锥顶结构侵彻深度约.平顶结构侵彻深度约.圆顶结构侵彻深度约.综合来看采用锥顶结构时射流的首尾速度差值约 /有利于射流伸长但大部分药型罩材料流入杵体部分其侵彻性能有所下降采用平顶结构时首尾速度差值约 /射流长度虽短但头部速度及药型罩材料利用率较高其侵彻性能较好采用圆顶结构时首尾速度差值约 /射流长度适中头部速度及材料利用率介于平顶与锥顶之间因而侵彻性能同样介于二者之间图 /装药长度方向侵彻深度.平顶结构药型罩侵彻性能当改变药型罩结构参数时线型聚能装药形成侵彻体的过程将发生改变进而影响到射流头部速度与侵彻体形态等对侵彻性能造成影响当采用平顶结构时侵彻体的形成过程不同于锥顶结构如图 所示在平顶结构药型罩形成侵彻体的过程中截顶高度对侵彻体的成形存在较大影响 随着截顶高度的降低侵彻体的内部逐步产生空腔其形态逐步改变图 平顶结构射流成形过程.王晓东等:药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究 药型罩形成侵彻体的过程中爆轰波首先作用于药型罩的罩顶部分其材料将形成侵彻体的头部 如图 所示在截顶高度较高时在罩顶与锥壁交会处将形成一级射流之后随着药型罩的压垮汇集一级射流逐步汇集并加速得到速度更高的射流由、及 速度曲线可以明显看到二次加速现象在截顶高度较低时此时因有着较宽的顶部在爆轰波作用下顶部中心微元将直接形成速度较高的射流头部虽然平顶与锥壁交会处依旧将形成一级射流但其汇集需要更长的距离与时间因此平顶部分将直接形成射流头部平顶结构头部速度曲线如图 所示图 平顶结构线型射流头部速度.如图 所示平顶结构线型聚能射流侵彻靶板的结果 侵彻深度为.侵彻宽度.侵彻深度达到大值.侵彻宽度.侵彻深度为.侵彻宽度.侵彻深度为.侵彻宽度.线型聚能装药的侵彻深度最低仅为 侵彻宽度.随着截顶高度的降低射流的侵彻深度先增后减在截顶 时侵彻深度达到最大 综合分析截顶高度的变化使得平顶结构药型罩形成射流的过程与射流形态随之改变最终影响到侵彻性能图 平顶结构线型射流侵彻效果.圆顶结构药型罩侵彻性能当药型罩采用圆顶结构时聚能侵彻体形成过程与锥顶结构相类似由顶部至底部压垮在轴线汇集形成线型射流如图 和图 所示不同截顶高度的圆顶结构药型罩的成形过程随着截顶高度的降低射流连续性逐渐提升杵体部分逐渐减小射流的长度逐渐减小射流的头部速度逐渐降低图 圆顶结构射流成形过程.图 圆顶结构线型射流头部速度.图 为平顶结构线型聚能射流侵彻靶板的结果的侵彻深度为.侵彻宽度.方案的侵彻深度达到大值.侵彻宽度.方案的侵彻深度为.侵彻宽度.方案的侵彻深度为.侵彻宽度.方案线型聚能装药的侵彻深度为.侵彻宽度.随着截顶高度的降低侵彻深度与宽度逐渐增加兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 圆顶结构线型射流侵彻效果.不同截顶高度的圆顶结构线型射流的形成过程相似但截顶高度的降低使得射流头部速度降低尾部速度提高首尾速度梯度变小射流杵体部分减小药型罩材料利用率提升虽然射流长度有所减小但其连续性得到提升圆顶结构线型聚能装药的侵彻性能随截顶高度的降低而提升 结论通过对不同罩顶结构及截顶高度的线型聚能装药侵彻钢靶的过程进行仿真模拟分析了药型罩结构对线型射流成形与侵彻性能的影响得到如下结论:)在截顶高度较高时罩顶结构对线型聚能射流成形与侵彻性能的影响较小在截顶高度较低时罩顶结构将造成影响较大)截顶高度为 的平顶结构线型聚能装药较其他平顶方案有更好的侵彻性能较锥顶结构的最大侵彻深度提升.)截顶高度为 的圆顶结构线型聚能装药射流的成形及侵彻性能为各方案的最优较锥顶结构最大侵彻深度提升.参考文献:罗勇沈兆武崔晓荣.线性聚能切割器的应用研究.含能材料():.():.王伟力李永胜田传勇.串联战斗部前级环形切割器的设计与试验.火炸药学报():.():.王敏龙源钟明寿等.乳化炸药线型切割器对薄壳弹药销毁效果的数值模拟研究.爆破器材():.():.高强王宝兴汪长栓等.聚能切割技术在水平井连续油管切割中的应用.工程爆破():.():.林加剑沈兆武任辉启等.线性聚能切割器切割钢索的试验研究及数值模拟.工程爆破():.():.赵建平杨晓红张振洋等.岩体中线型聚能爆破切割试验及损伤规律研究.采矿技术():.():.:.():.陈宁段卫东陈沛等.线性聚能装药侵彻深度的影响因素.工程爆破():.王晓东等:药型罩结构对线型聚能装药侵彻性能影响的仿真研究 .():.王峰李必红王喜等.药型罩锥角对线性聚能装药切割性能的影响.火工品():.():.张强姜勇黄龙.药型罩锥角影响线性切割器切割性能的数值模拟.舰船电子工程():.():.():.关荣张树海李启发等.一种截顶线性聚能装药射流特性的数值模拟.火炸药学报():.():.武双章顾文彬.双角度组合楔形罩线型聚能装药正交优化研究.爆破():.():.刘波姚志敏.聚能破甲战斗部药型罩不同形状锥顶对射流影响的数值模拟.机械设计与研究():.():.杨乐张亚.柱锥结合线型药型罩射流特性的数值模拟.工程爆破():.():.苟瑞君赵国志.线性成型装药起爆方式的比较.火工品():.():.易建坤姜新权彭浩.起爆方式对线性聚能装药射流形成的影响.火炸药学报():.():.南宇翔蒋建伟王树有等.子弹药落地冲击响应数值模拟及实验验证.振动与冲击():.():.冯江拓李芮宇周玲等.药型罩材料本构模型对 数值模拟的影响.弹箭与制导学报():.():.孔繁家周春桂王志军等.罩顶材料对双锥药型罩成型及侵彻性能的影响.兵器材料科学与工程():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学 教授)责任编辑 唐定国兵 器 装 备 工 程 学 报:/./