新型复合药型罩设计研究

2018-08-10李学岭

科学与财富 2018年16期

关键词：药型罩观测点装药

李学岭

摘要：文章介绍了复合药型罩的优点，设计了一种复合药型罩，运用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元软件对药型罩射流成型进行了仿真，将单金属药型罩与复合药型罩射流成型进行对比，验证复合药型罩优越性。

1 引言

复合药型罩就是由不同性能的金属或合金按着药型罩体不同结构部位的性能要求复合而成的药型罩。与传统的单金属药型罩相比，其能量转换与吸收机制更合理，化学能的利用率更充分，破甲性能更优越，造价也相对低廉，具有广泛的开发应用前景。

2 研究目的

聚能裝药破甲弹的射流是由药型罩在炸药爆轰作用下产生的高温、高压、高速质量流，药型罩性能直接影响射流质量，如射流密度、射流速度和连续射流长度等，是决定聚能装药破甲弹威力的关键因素之一。

聚能装药破甲弹药型罩材料有两个研究方向，即单金属材料和多相复合材料。

单金属药型罩由于爆轰波作用于表面时，其反射较为严重，因而爆轰波能量不能被充分转化为金属破甲射流的动能，能量转化效率低。要想增大射流的长度就必须增大射流的速度梯度，而射流速度梯度的极大提高是很难用单金属药型罩得以解决的。

复合材料制品将不同性能的金属或合金按照药型罩的设计符合来发挥综合优势。

3 数值模拟

3.1 计算模型

钼作为难熔金属中的一种，具有高声速和高密度等特点，是制造破甲药型罩的另一理想材料，已在穿甲弹等军工产品中得到实际应用。

本文采用钼和紫铜混合而成的药型罩，为减小运算数据，采用小口径装药。如图示，在紫铜药型罩顶端放置一块钼材料制成的φ4.5mm、高度2mm圆板，采用JH-2装药，装药口径50mm，装药高度65mm，紫铜药型罩壁厚0.5mm，锥角60°。

图1 复合药型罩战斗部三维剖面图

3.2 材料模型

材料模型主要包括材料的状态方程、强度模型及失效模型。本次仿真共涉及药型罩、炸药、空气等4种材料。在研究高压下固体中激波传播时，需要考虑材料的状态方程，材料的状态方程关系到材料压力、密度和热力学参数，反映材料的体积特性。由于破甲弹射流的形成以及靶板的毁伤过程涉及大变形，因此破甲弹药型罩和靶板材料模型均采用具有弹塑性属性的J-C模型。

利用ANSYS/LS-DYNA 3D有限元软件进行仿真分析，根据仿真模型的对称性只建立了四分之一模型，并在对称边界面上施加对称约束，在空气自由边界面上施加非反射边界约束。通过网格划分建立仿真模型。模型a中钼材料划分了1200个实体单元，铜材料划分了4880个实体单元；模型b中铜材料划分了4880个实体单元，如下图示。模拟过程中采用ALE算法进行射流的仿真模拟，采取端面中心点起爆方式，建模时，采用cm-g-us-k为单位进行仿真模拟。

4 仿真结果分析：

4.1 射流形成过程对比

图3中a）和b）为两种状态药型罩射流形成过程。对比a）和b）可知，由于药型罩结构不同，复合药型罩射流成型时间明显低于铜的单金属药型罩；在32us时，复合药型罩形成射流长度已达到12.5cm，单金属药型罩形成射流长度已达到8.8cm。

4.2 静态观测点分析

4.2.1 静态观测点设置

从药型罩底端沿轴线向下每隔5cm截取一个静态观测点如图4所示。在药型罩的压垮过程中，静态观测点不会随着材料的运动而运动，可以清晰的观察材料的速度变化。

4.2.2 运动速度对比

由图5可知，A观测点在8us时已经观测到复合药型罩射流速度，其最大速度为8932m/s；在9us时观测到单金属药型罩射流速度，其最大速度为6120m/s 。同时，复合药型罩形成射流速度在图中A观测点速度已达最大，单金属药型罩在图中B观测点速度最大。

5 结论

本文提出了一种简单结构的复合药型罩——在普通药型罩顶端加装一块钼材料制成的圆板；通过ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件分析复合药型罩与单金属药型罩射流形成的情况，得出了如下结论：

1）复合药型罩形成射流时间较单金属药型罩形成射流时间快；

2）复合药型罩形成射流长度较单金属药型罩形成射流长度长；