鲁修国，梁增友

（中北大学机电工程学院，太原 030051）

0 引言

装甲防护技术的发展不断对聚能装药结构提出新的要求，成型装药的研究日益得到重视。为了提高聚能装药的威力，人们对装药、爆轰波形、药型罩材料以及药型罩结构等方面进行了大量研究，提出了双锥形药型罩［1］、空心装药药型罩［2］、分离式药型罩［3］、环锥式药型罩［4］、W形药型罩［5］等新型药型罩结构并作了相应的研究与试验。而针对与分离式装药类似的F装药［6］条件下的双层药型罩射流的研究报道较少，目前公开发表的资料中，仅有试验结果，没有设计思想、原理以及方法方面的内容。

文中以双层等壁厚锥形药型罩为研究对象，在简述F装药结构的基础上，采用LS－DYNA有限元计算程序作为研究工具，对F装药条件下的双层药型罩射流形成过程进行了数值模拟计算，探讨了不同外罩材料及双层罩间隙对射流特性参数的影响，可以为成型装药研究提供一种新的选择。

1 F装药双层药型罩结构描述

F装药条件下的双层药型罩是使双层药型罩的内外两层间产生一定的间距，即两罩间存在一个空气层，如图1所示，相当于在炸药与内罩材料间加入了两层介质。

装药起爆后，爆轰以其爆速由罩顶向下传播，炸药能量传递给外罩，整个传递过程也是由罩顶向下依次进行的，这种剧烈的爆轰过程驱动外罩和内罩向轴线运动。由于外罩向内压垮的初速度要比内罩的大，结果外罩追上内罩的相应部分并发生高速碰撞，从而提高内罩的压垮速度，根据射流成型理论和破甲理论可知，内层金属的压垮速度提高会导致射流头部速度增大，最终提高破甲能力。

图1 F装药结构简图

2 计算模型及材料模型

2.1 计算模型

为简化计算，计算模型中不考虑壳体，仅包括内、外层药型罩、炸药、空气四部分，采用多物质ALE格式来模拟炸药的爆轰和药型罩的压垮及射流的形成过程，且空气范围足以覆盖爆轰产物和射流流动的空间。网格单元选用Solid164八节点六面体单元。由于此双层药型罩是对称结构，因此只建立1／4三维模型进行计算，并在模型的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。

图2为计算中所用的有限元模型。其中，装药直径为42 mm，内、外罩壁厚均为1 mm，两罩间隙取1 mm、2 mm、3 mm，锥角α为60°。计算采用c m－g－μs单位制。

图2 F装药有限元模型

2.2 材料模型

文中算例中，内罩材料采用紫铜。外罩材料选择2024铝、工业纯铁、紫铜、钨。所有金属材料都采用JOHNSON－COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程，其材料参数见表1。炸药为8701炸药，选用HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型和J WL状态方程来描述。空气采用空物质材料（NULL）描述，对应的状态方程为多线性状态方程。炸药与空气的材料参数具体参见文献［7］。

表1 金属材料参数

3 模拟结果及分析

3.1 F装药双层药型罩射流形成过程

如图3所示为爆轰载荷下F装药铝铜双层药型罩间隙为1 mm时射流的形成过程，从模拟结果可以清楚地看出双层药型罩射流压跨、射流形成和延展的过程。

图3 间距1 mm时双层药型罩形成射流的仿真图像

由图3可知，外层罩（靠近炸药）没有成为射流，只是成了杵体的一部分，射流由密度较高、延展性较好的内层金属构成。这与普通装药即双层药型罩之间无间隙时形成射流过程类似。

3.2 相同间隙时外罩材料对射流特性的影响

其它条件不变，只改变外罩材料，分别对2024铝、工业纯铁、紫铜、钨作外罩的情况进行了模拟。图4和图5示出了两罩间隙为1 mm时不同外罩材料形成射流的情况。

图4 射流头部速度时间历程比较

图5 射流速度梯度分布比较

图4 为不同外罩材料下射流头部速度时间历程对比，图5为t＝40μs时射流速度梯度分布结果对比。图中，νh为射流头部速度，νj为射流速度，L为轴向位置。

由图4可知，当内外罩间隙一定时，不同的外罩材料对双层药型罩形成射流有一定的影响，外罩为紫铜时退化为带有空气间隙的单金属罩，射流头部在16μs时达到最大值5487 m／s，与其相比，铝合金作为外罩时，射流头部在20μs时达到最大值6285 m／s，速度最大提高了14.5%。纯铁作为外罩时射流头部速度最大提高了1.8%。而钨作为外罩时射流头部速度明显降低。

由图5可以看出，双层药型罩形成射流并处于稳定拉伸阶段时，双层罩质材料尾部（杵体部分）相对速度恒定，前部（射流部分）大致为线性递增，这与PER理论相吻合。另一方面，由于铝合金的密度相比纯铁和紫铜较小，双层罩质材料形成射流的杵体部分主要是外罩材料，因而铝铜双层罩射流的杵体部分速度要大于以纯铁或紫铜为外罩的射流杵体速度，这在一定程度上有助于增加射流的稳定性。

3.3 不同间隙对双层罩射流特性的影响

对于F装药条件下的双层药型罩，内、外罩间的间距必然对其射流的形成有一定影响。仿真时分别对两罩间隙取1 mm、2 mm、3 mm进行了计算，对采用相同内外罩组合的双层罩射流进行了比较。表2示出了t＝50μs时不同间隙条件、不同材料组合方式下的双层药型罩形成射流的性能参数。表中，νh为射流头部速度，νt为杵体尾部速度，l为射流长度。

表2 t＝50μs时射流性能参数表

由表2可以看出，当组成双层罩的内外罩间隙一定时，低密度的铝作外层罩时有更高的射流头部速度和杵体尾部速度，可以预见其射流侵彻结果将优于铁-铜、铜 铜及钨-铜双层罩射流。另一方面，随着内外罩间隙逐渐增大，低密度外罩材料的双层罩射流头部速度有所降低，杵体速度增加，而高密度外罩材料的双层罩射流的头部速度则随着双层罩间隙的增大而增加，杵体速度也在增加，且外罩材料密度越大，其射流速度随罩间距变化变动越大。表明：外罩密度大于内罩密度或与内罩密度相差不大时，双罩间距越大，外罩向内压垮的速度越大，与内罩碰撞前能充分加速，最终导致对内罩的碰撞速度增大，从而增加射流头部速度。

为了进一步研究F装药双层药型罩射流特点，对无间隙（0 mm）双层罩射流也进行了模拟。表3为t＝50μs时无间隙条件下不同材料组合方式的双层药型罩形成射流的性能参数。

表3 t＝50μs时射流性能参数表

对比表2和表3发现，低密度外罩材料的无间隙双层药型罩射流性能优于有小间隙的F装药射流，而高密度外罩材料在内外罩间隙较大时，其射流性能优于无间隙时的射流。分析原因在于无间隙双层药型罩在爆轰作用下，透射过外层罩的爆轰波压力直接作用于内层罩，在双层罩材料满足阻抗分配原则［8］时，合适的外罩材料可以增大爆轰波透射压力，从而增大了内层罩的压垮速度；在双层罩材料不满足阻抗分配原则时，适当调整双层罩间的间隙，形成F装药，高密度外罩材料在强爆轰作用下充分加速，获得较大的比动能，与内层罩的高速碰撞提高了内层罩压垮速度，从而提高了射流速度。另一方面，根据爆炸应力波在介质中的反射透射作用原理，应力波通过空气材料后，其强度降低，从而减弱应力波对空气层后面材料或物体的作用，同时，外层罩压垮变形后，中间的空气层不再是完全的封闭区，而是被压缩并与外界连通，稀疏波在极短的时间内传入两层罩的间隙，由于中间空气层的衰减缓冲吸能作用，使透射过外层罩的爆炸压力作用于内层罩上的压力减小，导致外层罩与内层罩的高速碰撞成为内层罩压垮的主要动力，在两层罩的间隙较小时，外层罩不能充分加速，这在一定程度上使内层罩形成射流的速度较无间隙双层药型罩射流速度低。

研究表明，在F装药条件下，双层罩罩质材料的杵体部分的速度高于无间隙双层罩罩质材料的杵体部分，这在小锥角条件下，能更好的保证其射流的稳定性，且在延展过程中不易断裂，同时，适当调整双层罩间隙的大小与罩质材料，可以产生性能较无间隙双层罩更优的射流。

4 结论

通过对F装药条件下，双层药型罩以不同外罩材料及双层罩间隙的组合形式形成射流过程进行数值模拟，得到的主要结论有：

1）F装药双层药型罩在爆轰载荷下能够形成射流，且射流形成过程与普通无间隙装药双层药型罩类似。

2）F装药条件下，不同的外罩材料对双层药型罩射流特性有显著影响。在内外罩组合材料不变时，改变内外罩间距对射流的速度略有影响，合理的间距能改善射流的速度和延展性。

3）F装药双层药型罩射流比无间隙双层罩有更高的杵体速度，其稳定性也得到了提高，不易拉断。

4）由于本数值研究仅为探索性的，在此基础上应进一步深入研究，从理论上展开F装药机理的研究与论证，并对不同内外罩厚度比、不同炸药选择、不同起爆方式等装药特性影响进行模拟计算与试验验证，为F装药双层药型罩提供实践和理论支持。

［1］ Walters W P，Zukas J A.Fundamentals of shaped charges［M］.New Yor k ：Wiley Interscience，1989：267－275.

［2］ 周天胜.串联聚能装药战斗部技术综述［J］.弹箭与制导学报，1997，17（1）：61－65.

［3］ Fred I，Stanley G，G olaski K.Hydrocode computational and experi mental investigations of explosive staged shaped charge devices，AD－A109714［R］.1981.

［4］ 董永香，陈国光，辛长范，等.一种新型装药结构的探讨［J］.华北工学院学报，1999（3）：17－21.

［5］ 王成，宁建国，卢捷.环形射流形成及侵彻的数值方法研究［J］.北京大学学报：自然科学版，2003，39（3）：316－321

［6］ 罗键，杨光.聚能装药新技术［C］／／中国宇航无人飞行器学会战斗部与毁伤效率专业委员会第七届学术会议论文集，中国兵器工业第204研究所，2001：133－136.

［7］ 时尚勇，李裕春，张胜民.基于 ANSYS／LS－DYNA8.1进行显示动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2005.

［8］ 郑宇，王晓鸣，李文彬.双层药型罩侵彻半无限靶板的数值仿真研究［J］.南京理工大学学报：自然科学版，2008，32（3）：313－317.