中心孔对聚能装药成形的影响*

2011-12-07王志军范晨阳

弹箭与制导学报 2011年1期

高靖,王志军,范晨阳

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

0 引言

随着武器研究人员对灵巧弹药的研究渐渐深入、细致,一些技术上的难题陆续出现。对于反装甲目标灵巧战斗部,感应装置通常安装在药型罩上方[1-2],这无疑将对侵彻体成形造成不良影响,因此为了同时保证感应装置的工作可靠性以及对战斗部威力的要求,文中对一种中心带孔聚能装药进行数值仿真,掌握其在不同参数下侵彻体成形的规律,从而解决以上问题。

1 中心带孔聚能装药结构描述

在保证侵彻体成形不受影响的基础上,结合灵巧弹药所必需的感应装置,文中提出一种中心带孔聚能装药战斗部。感应装置可以直接插入战斗部的中心孔内。其结构如图1所示。

图1 中心带孔战斗部结构

2 仿真计算及算法

LS-DYNA软件应用于战斗部设计国内已有大量成功实例。对于成形装药的仿真,考虑药型罩、炸药、护管、空气 4种材质,选用多物质流欧拉算法。计算中采用的单位制为:mm-kg-ms。

图2 计算模型

2.1 药型罩和护管的材料模型

药型罩和护管的材料选用紫铜,用Johnson-Cook模型Gruneisen状态方程来描述其动态响应过程。可用来模拟高应变下的材料变形问题。材料参数见表1[4]。

表1 药型罩、护管材料参数

2.2 炸药材料模型及状态方程

炸药选用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药材料模型和JWL状态方程。JWL状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性,表达式为[4]:

式中:P eos为来自于状态方程的炸药爆轰产物压力;P为任意时刻炸药单元所释放的压力;F为炸药燃烧质量分数;V为相对体积;E为单位体积的内能密度;A、B、R1、R2和 ω为输入参数。采用8701炸药,材料参数见表2[4]。

表2 炸药材料参数

2.3 空气材料模型及状态方程

空气材料选用流体模型为:MAT_NULL,状态方程为线性多项式:EOS_LINEAR_POLYNOMIAL,并在边界节点上施加压力流出边界条件,避免压力在边界上的反射。材料参数见表3[4]。

表3 空气材料参数

3 方案设计与数值模拟结果

3.1 模拟方案设计

相比于传统聚能装药,中心带孔聚能装药成形还受中心孔直径大小的影响。为了研究中心孔直径对侵彻体成形的影响,文中将设计常规聚能装药和中心带孔聚能装药对比研究。定义中心孔直径与装药直径之比为:λ。分别比较 λ取值为10%、15%、20%、25%、30%、40%几种情况下,聚能装药侵彻体的成形情况。计算中,均采用环起爆方式。

3.2 中心带孔聚能装药成形过程

图3所示为λ=15%时,聚能装药侵彻体成形过程。

图3 侵彻体成形过程

由图3可以看出:主装药起爆后大约12μs,药型罩受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击和推动作用,开始被压垮、变形向前高速运动,顶部中心孔附近的“微元”向中心轴汇聚,16μs罩顶微元被压垮变形,并发生翻转、碰撞,罩壁微元“流向”对称中心,在对称中心堆积并发生相互碰撞、挤压,药型罩被压合成高速弹丸,由于头尾存在速度差,高速弹丸在运动中仍有所拉长,但基本保持完整。