基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化.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:山西省研究生创新项目()作者简介:何卓朗()男硕士研究生:.:./.基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化何卓朗王志军郝志伟(中北大学 机电工程学院 太原)摘要:为了改善柱锥结合药型罩形成的射流稳定性较差侵彻能力有待提高的问题通过正交优化设计改变柱型药型罩材料、柱型药型罩高度 以及柱型药型罩顶部厚度 研究柱锥结合药型罩射流成型的断裂前头部速度、断裂时间、有效长度综合的最优方案组合 选取()正交优化表通过 软件进行数值仿真得到了 个因素对 个指标影响程度的主次顺序 结果表明:射流断裂前头部速度的影响因素依次为:柱型药型罩高度、材料、顶部厚度射流断裂时间的影响因素:柱型药型罩的材料和高度相同其次为顶部厚度射流有效长度的影响因素依次为:柱型药型罩的材料、高度、顶部厚度综合分析得到方案:.方案:形成的射流整体效果较好关键词:柱锥结合药型罩正交优化射流数值模拟本文引用格式:何卓朗王志军郝志伟.基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.().:(.)().:引言在反装甲武器研究过程中药型罩作为聚能破甲效应研究的核心部件之一药型罩的形状、组合药型罩的结构参数等对射流的成型效果以及侵彻能力影响重大 等通过数值模拟仿真的方式分析了不同形状的截顶药型罩与辅助药型罩的耦合作用首次提出的超聚能射流的概念 王庆华等设计了一种新型圆柱半球结合药型罩该药型罩在保留了半球形药型罩开孔大且均匀的优点外同时提高了射流的头部速度进而提高了射流的侵彻性能 阮光光等设计了一种喇叭锥角结合药型罩通过 数值仿真软件计算在装药口径和装药高度相等的条件下发现喇叭 锥角结合药型罩形成的射流其头部速度与侵彻性能比锥角药型罩和平顶药型罩要高 安文同等设计了一种截顶 形顶部结构药型罩通过数值仿真分析发现该结构药型罩形成的射流侵彻性能比 形顶部结构更好 等通过实验和模拟仿真结合的方式研究了由半球和递减厚度圆柱体组合成的药型罩射流成型过程 顾文斌等通过数值仿真和实验结合的研究方式研究了柱锥结合药型罩射流形成的特性发现该结构圆柱部分对破甲子弹射流质量和速度贡献较小同时其射流稳定性较差其侵彻能力有待提高 王佩等通过 数值仿真软件研究了柱锥结合药型罩圆柱结构部分不同的直径/高度比值对射流成型的影响得出比值为/射流最稳定比值为/时侵彻能力最强的结论 王一凡等通过数值仿真模拟研究了柱锥药型罩圆柱部分与锥形部分不同的连接方式以及圆柱部分不同的材料药型罩射流侵彻靶板性能的影响目前对于柱锥结合药型罩的研究大多是其射流成型过程以及圆柱结构部分不同直径/高度比值的研究 本研究基于文献的结构应用正交设计的方法设计了柱锥结合药型罩圆柱结构部分的不同材料、不同高度、不同顶部厚度 个因素 水平()的正交实验通过 软件数值模拟的方法对不同方案形成的射流其断裂前头部速度、断裂时间、有效长度 个指标进行极差分析并得到了相应的结论 模型建立.几何模型本文中柱锥结合药型罩的基本结构参数如下:战斗部装药口径为 装药长度为 壳体厚度为 柱型药型罩壳体直径为 和 分别为柱型药型罩厚度和柱型药型罩高度锥型药型罩厚度均为 药型罩结构如图 所示图 柱锥结合药型罩结构图.有限元模型模型主要由炸药、壳体、柱型药型罩、锥型药型罩和空气 部分组成通过 有限元软件对射流成型进行数值模拟仿真计算为防止网格畸变过大而导致计算困难或无法计算的情况所有材料均采用 算法 建立长为 宽为 的空气域网络单元大小为.空气域边界条件定义为 用来模拟无限空间以防止材料在边界反射导致计算结果出现偏差 计算单位采用 起 爆 方 式 选 择 装 药 顶 端 中 心 点 起爆 柱锥结合药型罩装药结构有限元模型如图 所示 图 中 和 均为紫铜 指的是柱型药型罩 指的是锥型药型罩图 有限元模型图.材料模型及参数柱锥结合药型罩的装药选用 炸药壳体选用锥型药型罩选用铜柱型药型罩分别根据不同的方案选用铜、钼、钽、钨、镍 种材料以上材料均在材料库中选用 具体的材料模型及参数如表 所示 其中材料 和材料 相同何卓朗等:基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化表 材料模型及参数 部件材料状态方程强度模型空气 装药 壳体 锥型药性罩柱型药型罩柱型药型罩 柱型药型罩柱型药型罩柱型药型罩 方案设计本研究中使用正交优化的方法进行方案设计正交优化的因素为柱型药性罩高度 柱型药型罩顶部厚度 柱型药型罩材料共 个变量不考虑因素之间的交互作用每个因素选取 个水平值 柱型药型罩材料分别选取铜、钼、钽、钨、镍 种材料柱型药性罩高度选取范围为 每组间隔 分别为、柱型药型罩顶部厚度选取值分别为、.、.、所以柱锥药型罩 结构参数优化应为 因素 水平正交优化问题正交优化方案设计如表 所示表 正交优化方案设计 方案材料高度顶部厚度.续表(表)方案材料高度顶部厚度.数值模拟以方案 为例利用 对柱锥结合药型罩进行数值模拟得到不同时刻的成型过程如图 所示:时刻炸药的爆轰波到达柱型药型罩顶部在 时刻在爆轰波作用下圆柱侧壁的径向挤压变形同时由于牵连变形运动导致圆锥药型罩逐步向轴线汇聚在 时刻锥型药型罩持续被压垮在轴线上形成较短射流 后射流随之被逐步拉伸柱型药型罩中少部分铜材料位于射流的头部大部分铜材料位于射流的尾部在 时刻柱锥结合药型罩形成的射流开始断裂图 柱锥结合药型罩不同时刻射流形态图.由于柱锥结合药型罩射流稳定性较差侵彻性能有待提升因此以断裂前射流头部速度、断裂时间、有效射流长度作为柱锥结合药型罩射流性能的评判指标对于数据结果的处理本文中采用极差分析的方式将正交优化设计得到 组方案中水平数相同的方案数据兵 器 装 备 工 程 学 报:/./相加除以 获得 个水平的平均计算结果分别记为、各水平的最大值与最小值的差值为极差 通过对比各因素极差的大小关系来确定 个因素对射流断裂前头部速度、断裂时间以及射流有效长度的影响程度.射流断裂前头部速度分析本文中选取不同方案的射流断裂前的头部速度进行分析由于柱锥结合药型罩形成的射流侵彻主体为锥型药性罩形成的铜射流因此本文以锥型药型罩形成的铜射流的不同指标为研究对象 射流断裂前的头部速度越高表明射流的拉伸成型效果更好 组方案的具体断裂前射流的头部速度数据如表 所示表 不同方案下射流断裂前头部速度 ()方案速度方案速度 对射流头部速度采取极差分析相关水平的平均值以及各因素对射流断裂前头部速度的极差如表 所示表 断裂前射流头部速度极差分析 材料高度顶部厚度.由表 的数据可以看出 个因素对射流断裂前头部速度的影响程度按照从大到小排列依次为:柱型药型罩高度、柱型药型罩材料、柱型药型罩顶部厚度 断裂前射流头部速度随各因素的变化趋势可通过表 分析出:射流的速度在水平范围内随着柱锥结合药型罩的圆柱部分材料、的变化次序头部速度先增大后减少在柱型药型罩材料为 时达到最大值随着柱型药型罩高度的增加速度逐渐升高在 平均值即为 时达到最大值对于柱型药型罩顶部厚度而言射流速度在 平均值即为.时达到最大值.射流断裂时间分析射流的断裂时间越长表明射流的稳定性越好射流的断裂时间也是重要指标之一 组方案的具体射流断裂时间数据如表 所示表 不同方案下射流的断裂时间 方案断裂时间方案断裂时间 对射流断裂时间采取极差分析相关水平的平均值以及各因素对射流断裂时间的极差如表 所示表 射流断裂时间极差分析 材料高度顶部厚度.由表 的数据可以看出 个因素对射流断裂时间的影何卓朗等:基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化响程度柱型药型罩材料和柱型药型罩高度影响程度相同其次为柱型药型罩顶部厚度 射流断裂时间随各因素的变化趋势可通过表 分析出:射流断裂时间在平均水平范围内随 着 柱 型 药 型 罩 材 料 由、的变化次序射流断裂时间先减少后增大在 平均值即材料为 时达到最大值对于柱型药型罩高度的选择在 平均值即 时达到最大值对于柱型药型罩顶部厚度的选择在 平均值即.时达到最大值.射流有效长度分析射流成型过程中炸药起爆压垮药型罩后射流前段会形成高速的金属射流是侵彻目标的主体而后段的部分金属形成杵体其速度校低一般不到 /在侵彻过程中没有较大的作用 射流的有效长度是衡量射流侵彻穿深的重要指标之一 组方案具体射流有效长度数据如表 所示表 不同方案下射流有效长度 方案射流有效长度方案射流有效长度.对射流有效长度采取极差分析相关水平的平均值以及各因素对射流断裂时间的极差如表 所示由表 的数据可以看出 个因素对射流断裂时间的影响程度 影响程度由大到小依次为:柱型药型罩材料、柱型药型罩高度、柱型药型罩顶部厚度 射流有效长度随各因素的变化趋势可通过表 分析出:射流有效长度在平均水平范围内随着柱型药型罩材料、的变化次序射流有效长度先减小后增大在 水平值即材料为 时达到最大值对于柱型药型罩高度的选择在 平均值即 时达到最大值对于柱型药型罩顶部厚度的选择在 平均值即 时达到最大值表 射流有效长度极差分析 材料高度顶部厚度.综合分析对于柱型药型罩材料而言其极差值、分别在断裂时间和有效长度指标中影响程度最大同时断裂时间和有效长度最大时取值皆为 即材料为 对于柱型药型罩高度而言其极差值、分别在断裂前射流头部速度及断裂时间指标中影响程度最大 在断裂前射流头部速度中其大小顺序为:在断裂时间中其大小顺序为 为具有较大头部速度的同时提高射流断裂时间选取 即为 作为柱型药型罩的高度对于柱型药型罩顶部厚度而言其极差值、在各指标中皆为最后但在断裂时间指标中其大小顺序为:在射流有效长度指标中其大小顺序为:因此选取柱型药型罩顶部厚度为 或 即为.或 通过对优化后的方案进行建模仿真计算得到方案:、.时其断裂前头部速度为 /断裂时间为 射流有效长度为 得到方案:、时其断裂前头部速度为 /断裂时间为 射流有效长度为.、方案的射流头部速度、射流断裂时间以及射流有效长度均处于前列水平 结论)对射流断裂前头部速度进行分析得出对其影响的重要因素影响程度从大到小为柱型药型罩高度、柱型药型罩材料、柱型药型罩顶部厚度)对射流断裂时间进行分析柱型药型罩高度和柱型药型罩材料对其影响程度相同柱型药型罩顶部厚度的影响程度最小)对射流有效长度进行分析得出对其影响的重要因素影响程度从大到小为柱型药型罩材料、柱型药型罩高度、柱型药型罩顶部厚度)结合射流断裂前头部速度、射流断裂时间和射流有效长度指标整体综合分析得到药型罩性能较好的方案:材料为、.和方案:材料为、兵 器 装 备 工 程 学 报:/./参考文献:贾梦晔高永宏周鹏飞等.药型罩材料与结构的研究进展.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():.():.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():.():.安文同高永宏陈熙等.截顶 形顶部结构药型罩形成射流的数值模拟.兵器装备工程学报():.():.():.顾文彬瞿洪荣唐勇.柱锥结合罩射流成型过程试验研究.含能材料():.():.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():.():.:.陈莉王志军尹建平等.材料对截顶辅助药型罩形成聚能侵彻体的影响.兵器装备工程学报():.():.张长胜李伟陈标发等.基于模拟退火鸡群算法的平面冗余机械臂逆解.重庆邮电大学学报(自然科学版)():.().():.龚超安陈智刚印立魁等.双层药型罩不同材料配比对侵彻结果的影响.机械():.():.李昊尹建平毕广剑等.截顶辅助双层药型罩射流成型影响研究.兵器装备工程学报():.():.陈闯王晓鸣李文彬等.双锥罩射流侵彻钢靶侵深计算模型.兵工学报():.():.李昊尹建平王志军等.爆轰载荷下三层药型罩射流成型影响研究.兵器装备工程学报():.():.科学编辑 杜宁 博士(沈阳理工大学 副教授)责任编辑 涂顺泽何卓朗等:基于正交设计的柱锥结合药型罩多参数结构优化