基于SPH法的不同壁厚球缺型药形罩杆式射流成型数值模拟

赵玉志 崔 瀚*

(沈阳工学院能源与水利学院,辽宁 抚顺113122)

1 概述

杆状射流是近几年间在聚能装药方向上的热点研究问题,它是通过采用某种药型罩的结构以及适当起爆方式,使压垮药型罩产生的聚能装药侵彻体在一定距离的飞行过程中被逐渐的拉长,但是杆式射流的断裂时间相对滞后,这种聚能装药侵彻体形式具有较高的速度和较低速度梯度,能保持较大侵彻深度且有较大的侵彻孔径[1]。杆状射流由弹丸内药形罩形成,药形罩的结构直接影响影响杆状射流状态。

本文运用AUTODYN软件中采用SPH法对不同壁厚结构的球缺型药型罩形成杆式射流进行仿真计算,最后进行结果输出,得出不同壁厚的球缺型药型罩形成杆式射流的过程数据,并对其进行分析对比。

2 材料模型及参数

炸药材料选为B炸药,材料模型为None,状态方程为JWL方程；药形罩材料为CU-OFHC无氧铜,材料模型为Johnson Cook,状态方程为Linear。无氧铜密度为8.9 g·cm-3,炸药密度为1.619 g·cm-3。

球缺型药型罩模型的几何尺寸为:炸药药柱直径取D1=55mm；炸药药柱高度取H1=54mm；球缺罩口部直径取D2=52 mm；球缺罩高度取H2=17.2 mm；药型罩中心壁厚为δ1,外侧壁厚为δ2,聚能装药结构如图1所示,其中壁厚参数为控制变量。

图1 药型罩及炸药结构

3 仿真结果

3.1 等壁厚球缺型药型罩杆式射流

此时取δ1=δ2=2mm,即药形罩中心与外侧厚度一致,经过仿真不同时刻形成杆式射流形态如图2所示,从图中可以看出产生射流形状较为均匀。提取的仿真结果如图3所示,从图3可知射流头部速度在0.02 ms达到最大值,为3245.29 m/s,之后稳定在2960±5m/s区间；尾部速度稳定在1385±5m/s区间。中部速度在0.03 ms后稳定在1740±5m/s区间。

图2 等壁厚药型罩杆式射流形成过程不同时刻状态

图3 等壁厚药型罩杆式射流形成过程不同时刻速度变化曲线图

3.2 中间厚外侧薄球缺型药型罩杆式射流

中间厚外侧薄药形罩取参数δ1=2.5 mm,δ2=1.5 mm,经过仿真不同时刻形成杆式射流形态如图4所示,从图中可以发现产生的射流形状头部细,尾部粗,向轴线集中,射流头部直径约为4.1 mm,射流尾部直径约为9.5 mm,射流中部直径约为7.6 mm,射流长度约为235mm。提取的仿真结果如图5所示,从图中可知头部速度在0.038 ms后达到最大值,为2136.30 m/s,之后稳定在2050±5m/s区间；尾部速度在0.01 ms到0.03 ms之间速度波动较大,之后稳定在800±20m/s区间；中部速度在0.03 ms后稳定在630±5m/s区间。

图4 中间厚外侧薄药型罩杆式射流形成过程不同时刻状态

图5 中间厚外侧薄药型罩杆式射流形成过程不同时刻速度变化曲线图

3.3 中间薄外侧厚球缺型药型罩杆式射流

中间薄外侧厚药形罩厚度取值为δ1=1.5 mm,δ2=2.5 mm。经过仿真不同时刻形成杆式射流形态如图6所示,从图中可以看出射流形状分散,在0.05 ms后出现空心的情况,射流直径约为6.5 mm,长度约为258mm。提取的仿真结果如图7所示,从图中可知,头部速度在0.03 ms达到最大值,为2020.15 m/s,之后稳定在1975±5m/s区间；尾部速度最大值1104m/s,随后下降到250m/s左右；中部速度在0.03 ms后稳定在975±5m/s区间。

图6 中间薄外侧厚药型罩杆式射流形成过程不同时刻状态

图7 中间薄外侧厚药型罩杆式射流形成过程不同时刻速度变化曲线图

3.4 综合分析

从上述仿真结果可以看出,速度梯度对杆式射流的断裂有着明显的影响,具有的速度梯度越大,杆式射流产生断裂的时间就越早,中间薄外侧厚球缺型药型罩形成的杆式射流头部和尾部速度差以及速度梯度最大,在形成射流过程中最早产生断裂现象,形成的射流最长,但是射流的密实性较差；中间厚外侧薄球缺型药型罩的头部和尾部速度差同其速度梯度最小,产生断裂的时间最晚,形成的射流长度适中；等壁厚球缺型药型罩的头部和尾部速度差和其产生的速度梯度适中,其产生断裂的时间早于中间厚外侧薄球缺型药型罩,其具有的头部速度和尾部速度是三种设计方案中最高的,而且其射流长度是最短的,三种方案的仿真对比数据如表1所示。

表1 球缺型药型罩形成的杆式射流在0.1 ms时的主要参数表

4 结论

通过SPH方法对球缺型药形罩形成杆式射流的过程进行数值模拟对比分析,等壁厚球缺型药型罩形成的杆式射流速度最高,头尾两端速度差值最小,速度随时间变化稳定；能形成一定长度杆式射流,射流形状为头尾两端大小较为均匀的柱状。综上所述,等壁厚球缺型药型罩形成的杆式射流最为稳定。