自19世纪发现带有凹槽装药的聚能效应以来，装药所产生的破甲威力得到了极大的增强，自此带有聚能效应的破甲弹得到了广泛应用。根据聚能射流准定常侵彻理论，当射流对靶板中高温、高压、高应变率的区域进行侵彻破孔时，提高射流的头部速度对于射流的侵彻性能具有重要意义。在炸药装药中置入隔板，能够有效改变爆轰波在药柱中传播的波形，而隔板对爆轰波形的影响，又与隔板的形状、材料以及隔板的几何尺寸有关。对此，国内外的众多学者相继进行了探索和研究。李如江等[1]对隔板作用的原理进行分析并且进行了数值模拟。Sachdeva等[2]使用狭缝照相技术研究了隔板对爆轰波形的影响，并比较了有无隔板时射流的侵彻性能。吉庆等[3]设计了一种外层为铝内层为铜的截顶形复合药型罩，并分析了隔板对其形成聚能射流的影响。周游等[4]研究了隔板宽度对线型聚能射流成型的影响，得出了当隔板宽度相对值为0.9时，线型聚能射流速度显著提高。段聪慧等[5]研究了隔板直径对双层药型罩结构形成聚能射流的影响，并进行了优化设计。
为进一步探究各项隔板参数对双层药型罩形成聚能射流威力及速度的影响，在众学者研究的基础上，作者选取战斗部装药中隔板的三项主要参数，即隔板形状、几何尺寸、材料，运用AUTODYN-2D有限元仿真软件进行数值仿真模拟。
1 隔板作用原理
爆轰波在装药之中的传播示意图如图1所示。当装药中无隔板时，装药的爆轰波为起爆点发出的球面波，其中，波阵面与药型罩母线的夹角为θ1。当装药中加入隔板后，爆轰波的传播分成两路：一路是从起爆点开始，经过隔板后向药型罩传播；另一路则是绕过隔板向药型罩传播。多种爆轰波作用于药型罩母线，其夹角为θ2。其初始压力的近似表达式[6]为
pi=pcj(cosθ+C)
(1)
其中：pcj为爆轰波阵面压力; θ为波阵面与罩母线的夹角; C为常数。
图1 爆轰波传播示意图
当装药中加入隔板后，θ的数值将会随之减小，相应的，作用于药型罩上的初始压力会随之增加。所以隔板的形状、材料及几何参数会影响爆轰波对药型罩的冲击，从而影响聚能射流的形成。
2 计算模型
运用AUTODYN-2D软件建立有限元模型。由于聚能装药战斗部属于轴对称结构，在进行数值仿真时，建立1/2模型，装药，双层药型罩，隔板及壳体均采用欧拉算法。本文所采用的材料均选自于AUTODYN自带的软件库中的材料。其中：炸药为B炸药，密度为1.717 g/cm3，爆速为7 980 m/s，爆压为29.5 GPa；壳体及外层药型罩为7039铝，密度为2.77 g/cm3；内层药型罩材料为铜，密度为8.9 g/cm3。所选材料的状态方程和材料模型如表1所示。
表1 状态方程和材料模型
名称材料状态方程材料模型B炸药COMP BJWLNone壳体AL7039ShockJohnson Cook内层药型罩铜COPPERShockPiecewiseJC外层药型罩铝AL7039ShockJohnson Cook
3 数值计算结果及分析
3.1 隔板形状对双层药型罩形成聚能射流的影响
隔板形状大致分为圆柱形、截锥形等，为进一步研究隔板形状对爆轰波波形和传播机理的影响，分别设计3种仿真方案：方案1无隔板，为有隔板装药仿真结果提供参照；方案2隔板形状为圆柱形；方案3在圆柱隔板基础上组合圆锥形隔板，且圆锥部分靠近药型罩一侧，如图2所示。装药结构模型的主要几何参数分别为：装药直径90 mm，装药长度130 mm，药型罩锥角72°，等壁厚双层药型罩内层为紫铜，厚度1.5 mm，外层为铝，厚度2.5 mm。起爆点置于装药顶端，采用中心点起爆，其结构如图2所示。
图2 装药结构示意图
隔板距离药型罩顶端距离c为15 mm，隔板高度d为23 mm，隔板直径e为35 mm，隔板材料为尼龙。分别截取时间50 μs时的仿真结果，如图3所示。
图3 3种方案仿真结果示意图
由仿真结果可得：三方案的外层药型罩铜均形成杵体，其中方案3所形成的杵体更为密实，侵彻效果更佳；方案2和方案3的头部射流均发生分散现象，但其头部射流的速度较大，其中方案3的射流头部速度为12 530 m/s，是方案1的2.19倍，方案2的1.18倍。这是由于方案3的圆柱圆锥组合型隔板不仅能使爆轰波在药型罩的顶端凝聚，还可有效减少马赫波干扰，使得双层药型罩能够更快的形成聚能射流且具备更高的速度。
3.2 隔板的几何参数对双层药型罩形成聚能射流的影响
在分析隔板的几何参数对双层药型罩形成聚能射流的影响中，改变隔板的高度d，保持隔板的直径e和隔板距药型罩顶端的距离c不变，分别取隔板高度d为23 mm、28 mm、33 mm、38 mm进行仿真研究，且在其射流中心路径上设置13个观测点，各观测点时间与速度曲线如图4所示。
图4 不同隔板高度下的速度与时间曲线
上述计算结果可知：当隔板高度取值在33 mm时，双层药型罩所形成的聚能射流的速度会达到一个峰值12 454 m/s，继续增加隔板高度，将会对射流速度的增加起到反作用，从而影响到聚能射流对靶板的侵彻效果。在后文的数值仿真计算中，隔板高度选择最优值33 mm进行讨论。
在研究隔板直径对双层药型罩形成聚能射流的影响中，选择隔板高度d=33 mm，隔板距药型罩顶端距离c=15 mm，分别取隔板半径e的值为40 mm、35 mm、30 mm、25 mm、20 mm、15 mm进行仿真计算，截取40 μs时的计算结果如图5所示。
图5 计算结果
由图6所示的仿真计算结果可知：随着隔板直径的减小，双层药型罩形成的聚能射流头部速度也随之减小，当隔板半径e为 25 mm时，射流头部发生断裂，且头尾速度偏差较大。当e大于35 mm时，形成的聚能射流头部速度增幅下降，当e继续增大时，射流的头部速度虽然仍在增长，但相同的时间内，射流被迅速拉长，射流头部会发生断裂。随着e的增长，爆轰波阵面越靠近药型罩顶端，杵体增大，射流总动能减小，不利于对目标的侵彻。
图6 速度随直径变化曲线
3.3 隔板材料对双层药型罩形成聚能射流的影响
隔板要选用材料声速低，隔爆性能好的惰性材料。考虑隔板材料的影响时，固定隔板的几何参数，选择隔板直径e为35 mm，隔板高度d为33 mm，隔板距药型罩顶端距离c为15 mm，时间t为40 μs。选用AUTODYN-2D本身自带材料库中的尼龙、聚苯乙烯、环氧树脂、有机玻璃4种材料进行对比，其中，尼龙的密度为1.14 g/cm3，Gruneisen系数为0.87；聚苯乙烯的密度为1.044 g/cm3，Gruneisen系数为1.18，环氧树脂的密度为1.186 g/cm3，Gruneisen系数为1.13；有机玻璃的密度1.181 g/cm3，Gruneisen系数为0.75。仿真计算结果如图7所示。
图7 计算结果及速度随材料变化直方图
对比分析图7的仿真结果可得：4种材料所形成的射流头部速度均为12 000 m/s左右，最高为有机玻璃12 231 m/s，最低为尼龙11 870 m/s，相差3%，区别较小；除尼龙外其余3种材料所形成的聚能射流的中部均发生断裂的现象，相较于尼龙，不能达到预期的侵彻效果；对比4种惰性材料本身特性，可知尼龙具有较小的密度和较好的强度，从而保持了良好的隔爆性能。因此尼龙较其他材料而言更能保证爆轰波传播的稳定性。
4 结论
1) 3种隔板形状方案中，圆柱圆锥组合型隔板装药使双层药型罩形成的聚能射流侵彻效果更加理想，其射流头部速度为12 530 m/s，是无隔板装药的2.19倍，圆柱隔板装药的1.18倍；
2) 隔板高度在33 mm时，射流头部速度达到峰值 12 454 m/s，且射流的侵彻效果最优；隔板直径大于70 mm时，射流头部速度虽仍在增加，但射流头部断裂严重，将不利于对目标的侵彻；
3) 4种材料所形成的射流头部速度最高的是有机玻璃，最低的是尼龙，两者相差3%，区别较小。但选用尼龙材料所获得的射流连续性更好，能保证爆轰波传播的稳定性。
[1] 李如江,张晋红,王建波.隔板对聚能射流性能影响的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2012,32(03):107-110.
[2] SACHDEVA S S，BHATTACHARY Y A，KISHORE P，et al.Study on Some Aspects of Performance of Hollow Charge[C]//17th International Symposium on Ballistics.MidrandSouth Affrica，1998:299-306.
[3] 吉庆，王志军，赵飞扬，等.隔板对喇叭形铜铝复合药型罩射流性能的影响[J].兵器装备工程学报，2020,41(11):160-164.
[4] 周游,龙源,刘健峰,等.隔板宽度对线型聚能射流成形特性影响数值模拟[J].爆破,2016,33(04):112-117.
[5] 段聪慧，尹建平，马国徽，等.一种带隔板双层药型罩结构的优化设计[J].兵器装备工程学报，2020,41(11):51-54.
[6] 尹建平.弹药学[M].北京：北京理工大学出版社.2012.
[7] 岳继伟,王凤英,吴育智,等.隔板装药对偏心起爆效应的放大作用[J].高压物理学报,2017,31(01):67-72.
[8] 潘建,张建军,侯云辉,等.带隔板装药爆轰波驱动药型罩数值模拟研究[J].弹箭与制导学报,2019,39(04):149-154.
[9] 王超.曲线药型罩数值仿真[D].太原：中北大学,2017.
[10] WOOSEOK S,JONGKWON L,JAYE K.Study on The Damping Capacity of AFluidic Baffle Under Different Injection Conditions[J].Acta Astronautica,2019,163(5):42-46.
[11] 岳继伟,王凤英,吴育智,等.隔板装药对偏心起爆效应的放大作用[J].高压物理学报,2017,31(01):67-72.
[12] 徐景林,顾文彬,武双章,等.带隔板线型聚能装药侵彻能力的正交优化[J].工程爆破,2016,22(01):77-81.
[13] 付建平,陈智刚,侯秀成,等.罩顶药高对有隔板聚能装药的影响[J].弹箭与制导学报,2013,33(06):70-73.
[14] 杨峰.大隔板大锥角药型罩装药设计与实验研究[J].中国科技信息,2013(08):117.
[15] 纪国剑.聚能装药形成射流的仿真计算与理论研究[D].南京：南京理工大学,2004.