圆柱-双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:庞春阳()男硕士研究生:.通信作者:付建平()男博士:.:./.圆柱双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律庞春阳任 凯刘 洋袁 浩李文越付建平陈智刚(.中北大学 机电工程学院 太原 .中北大学 智能武器研究院 太原.北方信息控制研究院集团有限公司 南京.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军代室 太原)摘要:为提高聚能破甲战斗部的毁伤能力设计了一种圆柱双锥结合药型罩 用数值模拟方法通过对该药型罩的正交优化设计研究了药型罩圆柱部直径、高度、上锥角、下锥角 对射流头部速度和侵彻深度的影响 研究结果表明上锥角和圆柱部直径分别是影响射流头部速度和侵彻深度的主要因素 因此在优化设计中得到了兼顾射流速度和侵彻深度的最佳药型罩结构:、和 时射流头部速度为 /侵彻深度达到.优化设计的研究结果具有一定的实际工程指导意义可为聚能破甲战斗部的性能提升提供有效的设计方案关键词:战斗部药型罩侵彻深度聚能装药正交优化数值模拟本文引用格式:庞春阳任凯刘洋等.圆柱双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:/.:引言近年来装甲目标的防护能力不断增强对聚能破甲战斗部的毁伤能力提出了更高的要求 而药型罩作为影响毁伤能力的一个重要因素一直是高效毁伤领域的研究重点在传统药型罩研究理论成熟的基础上研究人员对新型药型罩结构进行了研究 李有望通过射流成型和侵彻过程数值模拟发现双锥药型罩的侵彻效果最优 杨晓红通过数值模拟研究了不同上锥角和下锥角对双锥药型罩的影响规律 赵海平设计了锥 锥结合药型罩用以消除杵体的消极影响提高射流连续性形成稳定的射流 阮光光模拟研究了喇叭 锥角结合药型罩结果显示相比于平顶和线性药型罩在相同装药尺寸下具有更高的射流速度和侵彻深度 张小静、赵鑫、王庆华在半球形药型罩基础上通过添加圆柱部产生高速射流保证了开孔能力的同时提高了侵彻效果 王佩研究了柱锥药型罩圆柱部直径和高度比值对射流毁伤性能的影响结果表明在相等的情况下柱锥药型罩具有最优的侵彻能力 徐浩铭、顾文彬等研究了柱锥药型罩的压垮过程和初始射流形成的特性为了提高金属射流的侵彻能力结合以上研究设计一种带有圆柱双锥结合药型罩 通过改变圆柱部的直径、高度和药型罩上、下锥角的大小进一步研究对射流速度和侵彻深度的影响从而为圆柱双锥结合药型罩在聚能破甲战斗部中的应用提供依据和支持 理论分析药型罩压垮过程如图 所示 爆轰波以爆速 传播到药型罩微元处 此时药型罩微元以速度 开始沿轴线闭合药型罩的抛撒角为 半锥角为 压垮角为 爆轰波阵面与罩微元的夹角为 根据准定常理论可得爆轰波扫过 点沿罩表面的速度为:()则药型罩在压垮过程中的速度为:()药型罩微元在 点处碰撞形成射流和杵体:()()()式()中:为聚能射流的速度为杵体的速度 可知当半锥角 的减小时射流的速度随着角度的减小而增加 由质量守恒得知射流质量 和杵体的质量 分别为:()式()中:为药型罩质量 当半锥角 减小时压垮角 也随之减小 因此当 趋近 时药型罩将产生质量低速度高的射流图 药型罩微元闭合运动.结构设计.聚能装药模型建立本文中的药型罩结构为圆柱双锥合药型罩基本结构参数为:战斗部装药直径 壳体壁厚 装药高度 药型罩圆柱部直径 圆柱部高度为 上锥角 、下锥角 药型罩的壁厚为 采用中心点起爆方式聚能装药结构如图 所示庞春阳等:圆柱双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律图 聚能装药结构.由于聚能装药具有轴对称性为了减少模型单元数目、缩短计算时间建立了/二维模型并通过 有限元软件进行数值模拟仿真计算 在射流成型及侵彻数值模拟过程中涉及到网格的大变形 因此对炸药、药型罩和空气都采用了 网格使材料在网格中流动不会引起网格的大变形 靶板采用 网格两者之间采用流固耦合算法 同时在空气域的外侧添加了非反射边界条件以消除爆轰产物反射带来的影响 在靶板对称面上施加了固定约束以避免计算过程中靶板的移动确保数值模拟计算的准确性 计算单位制采用 聚能装药的有限元模型如图 所示 通过这一建模和计算方法能够更有效地进行仿真计算以模拟射流成型及侵彻的过程.材料模型及参数炸药、药型罩、靶板材料分别为 炸药、紫铜和 钢 对于 炸药采用了高能炸药燃烧模型()和 状态方程进行共同描述具体参数详见表 状态方程被广泛应用于炸药爆轰和爆炸驱动的数值仿真中能更好地描述炸药起爆后爆轰产物的运动过程 状态方程的表达式如下:()()()式()中:为等熵压力 为爆轰产物的相对体积、为输入的参数 为体积内能图 聚能装药有限元模型.紫铜和 钢采用 本构模型描述具体参数详见表 和表 模型能够有效地描述载荷压力、温度、塑性应变以及应变率对材料强度的影响关系 该模型的表达式为()()()()式()中:、和 为材料常数为等塑性压力为等塑性应变 为当前应变率为当前应变率为无量纲温度()()为当前温度为参考温度为材料熔化温度表 炸药材料模型及其 状态方程参数 /()/()/.表 紫铜材料模型参数 /()/().表 钢材料模型参数 /()/().兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.射流成型分析图 和图 展示了爆轰压力云图和射药型罩压垮过程在装药起爆后爆轰波沿着轴线向药型罩传播 在 时爆轰波达到药型罩圆柱部产生下凹变形并沿轴线向下运动 同时由于圆柱部顶面的径向约束在圆柱部拐角处的径向压垮速度较小 在 时爆轰波传播到上锥部分圆柱部在爆轰压力的作用下产生了沿圆柱顶面的下凹和侧壁轴线方向的挤压混合变形运动 随着爆轰波的继续传播圆柱部大部分形成杵体药型罩的上锥部分产生了沿轴线方向的牵连运动 在 时上锥开始被压垮锥罩与圆柱部形成的射流在轴线上汇聚形成高速射流并且一起沿轴线向前运动 之后射流逐渐被拉长并逐渐成形 时射流头部速度为 /最终在 炸高下对 钢的侵彻深度为.图 爆轰波压力云图.图 药型罩压垮过程.药型罩结构优化研究.正交优化方案设计采用正交优化对圆柱双锥结合药型罩进行设计优化在正交优化中考虑了 个因素:圆柱部直径、圆柱部高度、药型罩上锥角、药型罩下锥角 这些因素分别取了 个水平值构成了正交试验矩阵如表 所示 在设计过程中不考虑各因素之间的交互作用表 各因素水平值 水平因素/()/()这一正交优化设计结合了文献中对药型罩结构设计的相关研究具有一定的理论依据 在具体的设计过程中考虑这些因素的不同水平值以寻找最优的设计参数组合 这种系统性的优化方法有助于提高设计的效率和性能根据正交优化原理设计了 组正交方案并利用 软件在 炸高的条件下对 钢靶板进行侵彻数值模拟 选择 时射流头部速度 和最终侵彻深度 作为评价指标以对各组正交方案进行分析比较 正交优化仿真计算结果如表 所示表 正交优化方案 方案/()/()/()/.庞春阳等:圆柱双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律续表(表)方案/()/()/()/.通过比较各组结果找到最优设计方案以提高射流性能和侵彻效果 这有助于在设计阶段优化药型罩的结构参数以满足特定的性能需求.正交优化结果分析为了进行综合分析我们计算了各水平下的、和极差 同时选取射流头部速度 和靶板最终侵彻深度 进行分析 具体的数据处理及计算结果如表 所示其中、分别代表了在正交水平下各因素对应的各指标之和 而、分别代表了、的均值以便计算极差 通过对综合指标的分析我们能够更全面地评估各组正交方案的性能并进一步确定最优设计方案 从表 中极差 的数值可以看出:各因素对射流头部速度影响的主次顺序为:上锥角 圆柱部高度 下锥角 圆柱部直径 这说明在优化设计中调整上锥角和圆柱部高度对于提高射流头部速度具有更为显著的影响 对于侵彻深度影响的主次顺序为:圆柱部直径 上锥角 圆柱部高度 下锥角 这表明在优化设计中圆柱部直径是最为关键的影响因素其次是上锥角和圆柱部高度而下锥角的影响相对较小表 极差分析表 /()/()/()/()/().这一分析有助于进一步理解各因素在设计中的相对重要性为优化设计提供了指导方向 通过调整关键因素可以更有效地实现设计目标提高侵彻效果 为了更直观的了解各因素水平下射流头部速度和侵彻深度的变化趋势将其均值变化用图形表示如图 和图 所示 通过图 和图 可以观察到药型罩圆柱部直径、药型罩上锥角的增大射流头部速度和侵彻深度都呈减小的趋势而随着圆柱部高度的增加射流速度呈增加趋势然而过高的速度会导致射流发生断裂减少侵彻深度 药型罩下锥角的增大会导致射流速度先增大后减小 下锥角的增大射流头部速度总体呈先增大后减小的趋势而侵彻深度随之减小 在保证侵彻深度的条件下提高射流速度综合考虑选取药型罩结构参数为 该结构参数射流头部速度为 /侵彻深度达到兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.与优化之前相比提高了.图 射流速度随因素水平变化曲线.图 侵彻深度随因素水平变化曲线.结论通过数值模拟的方法研究了圆柱双锥结合药型罩的参数对聚能装药侵彻性能的影响规律结果表明:)圆柱双锥药型罩增加了母线长度加大了射流的速度梯度射流长度更长药型罩的利用率高可以有效的提高侵彻能力适用于大侵深的需求)通过对圆柱双锥药型罩进行正交优化设计对其进行极差分析圆柱部直径是影响侵彻深度的主要因素)圆柱双锥药型罩最优结构参数为 优化后药型罩的侵彻深度达到.比优化之前提高说明双锥药型罩能够有效提高射流的侵彻深度综上可知圆柱双锥药型罩所形成的射流具有较高的头部速度和侵彻深度能对装甲目标进行强有力的打击在未来作战中有着广泛的应用前景参考文献:周方毅姜涛詹发民等.高效聚能战斗部对含水夹层结构毁伤效应的研究.兵工学报():.():.伊建亚.串联战斗部前级聚能装药技术研究.太原:中北大学.:.王义鼎.分段式射流毀伤元成型数值仿真研究.太原:中北大学.:.崔平闫建林施冬梅等.聚能装药破甲效能影响因素分析及研究进展.爆破():.():.李友望吴国东.三种聚能装药结构侵彻靶板的数值模拟.机械管理开发():.():.杨晓红韩珺礼李伟兵.双锥罩聚能装药最佳炸高设计方法.北京理工大学学报():.():.赵海平刘天生石军磊等.双锥结合罩射流特性影响因素的模拟研究.火工品():.():.庞春阳等:圆柱双锥结合药型罩结构参数对侵彻性能的影响规律 阮光光雷伟岳继伟等.一种喇叭 锥角结合药型罩形成射流的数值模拟.火炸药学报():.():.张小静吴国东王志军等.圆筒形辅助结构对半球罩射流成型影响的研究.火炮发射与控制学报():.():.赵鑫徐永杰董方栋等.组合药型罩聚能装药对轻装甲侵彻仿真研究.兵器装备工程学报():.():.王庆华刘宁张建仁等.一种新型圆柱半球结合药型罩形成射流以及侵彻性能的数值模拟及试验验证.火炸药学报():.():.王佩谭迎新王凤英等.柱锥结合药型罩的数值模拟优化设计.火工品():.():.徐浩铭顾文彬曾政等.柱锥结合罩射流成型过程数值模拟研究.爆破():.():.顾文彬瞿洪荣朱铭颉.柱锥结合罩压垮过程数值模拟.解放军理工大学学报(自然科学版)():.()():.王一凡王志军徐永杰.柱锥结合药型罩射流成型及侵彻威力数值模拟.兵器装备工程学报():.():.周兰庭张庆明龙仁荣.新型战斗部原理与设计.北京:国防工业出版社:.:.王珞冰焦志刚初善勇.基于正交设计试验的双锥药型罩结构优化.科学技术与工程():.():.科学编辑 张兴高 博士(军事科学院 研究员、博导)责任编辑 涂顺泽兵 器 装 备 工 程 学 报:/./