药型罩参数对聚能射流水下运动的影响_欧靖.pdf

第 20 卷 第 2 期 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 1 收稿日期：20220521；修订日期：20220610 Received：2022-05-21；Revised：2022-06-10 基金项目：国家自然科学基金（12102202）；南京理工大学本科生科研训练“百千万”计划（202010288157Z）Fund：The National Natural Science Foundation of China(12102202);Nanjing University of Science and Technology Undergraduate Research training Project Named“Bai Qian Wan”(202010288157Z)作者简介：欧靖（1999），男。Biography：OU Jing(1999-),Male.通讯作者：唐奎（1990），男，博士。Corresponding author：TANG Kui(1990-),Male,Doctor.引文格式：欧靖,杨易钊,郁文杰,等.药型罩参数对聚能射流水下运动的影响J.装备环境工程,2023,20(2):000-000.OU Jing,YANG Yi-zhao,YU Wen-jie,et al.Effects of Parameters of Charge Cover on Underwater Movement of Shaped Charge JetJ.Equip-ment Environmental Engineering,2023,20(2):000-000.药型罩参数对聚能射流水下运动的影响 欧靖a，杨易钊a，郁文杰a，唐奎b（南京理工大学 a.钱学森学院 b.瞬态物理国家重点实验室，南京 210094）摘要：目的目的 研究药型罩结构参数对所形成的聚能射流在水中运动的影响，改进水中聚能射流的运动特性。方法方法 采用多物质单元 ALE 法就锥形罩射流对水介质的侵彻进行数值模拟,分析锥形装药结构中药型罩锥角和厚度对所形成的聚能射流侵彻水时运动参数的影响。结果结果 锥形罩锥角大小及药型罩厚度对聚能射流在水中的形状、射流速度、加速度等有着明显的影响。侵彻体进入水中 10 cm 后，药型罩的锥角从 30增加到150的过程中，剩余速度先增大、后减小，在 90时达到最高。药型罩厚度为 1.54 mm 时，剩余速度变化起伏小；厚度为 46 mm 时，剩余速度开始大幅下降。结论结论 当锥角为 90时，罩厚为 4 mm 的药型罩所形成的射流在水中表现最好，形成的射流侵彻深度最长，侵彻水介质 10 cm 后的剩余速度最大，存速能力最强。关键词：聚能射流；水介质；药型罩；运动特性；ALE 法；侵彻体 中图分类号：O358 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)02-0001-09 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2023.02.001 Effects of Parameters of Charge Cover on Underwater Movement of Shaped Charge Jet OU Jinga,YANG Yi-zhaoa,YU Wen-jiea,TANG Kuib(a.Qian Xuesen College,b.National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)ABSTRACT:The work aims to study the effects of the structural parameters of the charge cover on the movement of shaped charge jet in water and improve the movement characteristics of shaped charge jet in water.Numerical simulation of water penetration by conical casing jet was carried out with the multi-material element ALE method,and the effects of cone angle and thickness on the movement parameters of shaped charge jet were analyzed.The results showed that the cone angle of conical cover and the thickness of charge cover had obvious effects on the shape,velocity and acceleration of shaped charge jet in water.The remaining velocity of the invading body after entering the water of 10 cm was analyzed,and it was found that in the process of increasing the cone angle of the charge cover from 30 to 150,the remaining speed increased first and then decreased,and reached the fastest at 90;when the thickness of the charge cover was between 1.5 mm and 4 mm,the remaining speed changed little,and when the thickness was between 4 mm and 6 mm,the remaining speed began to decrease significantly.According to 武器装备 2 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 the results of the numerical simulation in this work,when the cone angle is 90,the jet formed by the charge cover with a thick-ness of 4 mm performs better in the water,the jet formed has the longest penetration depth,and the remaining speed after in-vading the aqueous medium of 10 cm is the largest,and the storage capacity is the strongest.KEY WORDS:shaped charge jet;water medium;charge cover;motion characteristic;ALE method;penetration 传统水中爆破性战斗部主要通过冲击波和气泡脉动对目标进行毁伤，其能量利用率低，毁伤效率低。聚能战斗部的优点是能量比较集中、装药利用率较高，故世界上的许多国家相继开展了在水中运用聚能战斗部的研究1-10。在实验和数值模拟研究方面，国内许多学者进行了大量的研究工作，其中大多数的研究集中在爆炸成型弹丸11-15、普通射流16-20和杆式射流21-25等方面。曹兵11通过侵彻实验研究了 EFP 战斗部在空中和水下对靶板的破坏效果，发现水下战斗部在水中爆炸形成的 EFP 对水下目标靶的破坏威力更大。王长利等12发现，聚能装药在水下爆炸形成的聚能侵彻体在与水的作用过程中，会形成弹前激波，并且该激波会追赶爆炸冲击波，之后两者叠加，使得冲击波强度增强，从而解释了曹兵的研究。张向荣等19采用 Autodyn软件对材料为钨铜合金的射流在空气和水中对钢板的侵彻深度进行了数值模拟，结果表明，无论是在空气中还是在水中侵彻，都存在一个最合适炸高。当炸高小于倍的装药直径时，在水中的侵彻深度会大于在空气中的情形。可以看出，水介质在模型中起着增大炸高的作用，并且水介质也会在一定程度上侵蚀射流头部。张会锁等20考虑在相同装药条件下，采用ANSYS 中集成的 LS-DYNA 模块，进行有限元数值模拟，在深度考虑并模拟了各种药型罩壁厚的工况下3 种 127 型石油射孔弹的金属射流，通过软件进行数值仿真来模拟实际的形成过程，同时对模拟结果进行比较分析。结果表明，1.5 mm 壁厚的药型罩所产生的射流头部速度高，动能较大。李明星等21采用Autodyn 软件研究了鱼雷在水下发生接触与非接触爆炸时对靶板穿孔孔径的影响，以及不同的聚能装药在考虑水下压力时的爆炸成形运动特性。结果表明，爆炸成形弹丸头部速度衰减最慢，杆式射流稍快，普通射流的速度衰减最快。王海福等22采用 Autodyn 软件通过数值模拟研究了聚能装药在水下的作用行为，初步明确了药型罩的半径曲率、中心、形状等平面数值对水下发射的聚能装药具有较大的影响作用。针对药型罩参数对射流水中运动特性的影响，国内学者也进行了一些研究。周方毅等26针对圆锥球缺组合药型罩的不同参数，采用正交试验设计的方法设计了 16 种战斗部结构在水中侵彻的模型。数值计算结果表明，圆锥球缺组合药型罩的结构优化方向为，圆锥罩角度可选 60，圆锥罩壁厚在 0.20.5 cm选取，球缺罩圆心角应大于 150，球缺罩的最佳壁厚为 0.8 cm。廖莎莎等27运用实验方法对比研究了 2种不同金属材料药型罩形成的射流在水中的侵彻特性，结果表明，由钨铜合金药型罩形成的射流可以在水中保持较高的剩余速度。王海福等22通过研究药型罩形状对聚能装药水下作用行为，发现锥形装药结构所形成聚能射流在水中运动速度的衰减最快，偏心亚半球形装药结构所形成聚能射流在水中运动速度的衰减最慢。同时，他们针对偏心亚半球形铜罩的不同罩厚进行了数值模拟和实验验证，确定偏心亚半球形铜罩壁厚为 1.8 mm 时，侵彻体水下穿甲能力最优。本文针对锥形装药结构所形成聚能射流在水中运动速度衰减过快的问题，采用多物质单元 ALE 法进行数值模拟，研究了锥形罩射流对水介质的侵彻，重点探讨锥形装药结构中药型罩锥角和厚度对所形成的聚能射流侵彻水时运动参数的影响。1 数值模拟 1.1 模型设计 射流形成模型的数值模拟具体分为 4 个过程，分别为聚能装药发生爆轰、药型罩压垮、射流的初步形成和射流的拉伸。为了研究射流在水中的运动特性，设计了一种锥形聚能装药战斗部，结构如图 1 所示。该战斗部的主装药采用 TNT，装药高度为 H，装药直径为 D，药型罩的实验材料选择为紫铜，锥角为，药型罩的厚度为 h。图 1 锥形聚能装药战斗部 Fig.1 Conical shaped charge warhead 第 20 卷 第 2 期 欧靖，等：药型罩参数对聚能射流水下运动的影响 3 根据实际战斗部结构的对称性，并结合实际，考虑数值模拟计算所需的时间成本与长周期，按照要求建立了 1/2 战斗部有限元模型，由炸药、药型罩、空气、水、隔板 5 部分组成，如图 2 所示。将 ALE 单元定义成流体，它们之间的连接为流固耦合。计算中所有单元类型都是选用 8 节点实体单元 Solid164，如图 3 所示。将聚能装药爆炸后模拟计算得到的射流用耦合的方式将压力和能量冲击到金属隔板上，完成了对隔板的侵彻。击穿隔板后射流进入水中，开始对水的侵彻。采用 Euler 网格对炸药