0 引言
线型聚能装药在起爆后,金属药型罩在爆轰波的作用下形成一条高温、高压、高能量密度的刀片状金属射流[1],对目标进行切割,故又称之为聚能切割器。目前,线型聚能装药在军事、工业、矿业等爆破工程领域[2-7],有着广泛的应用前景。
针对线型聚能装药结构,国内外专家学者对线型聚能装药进行了很多研究。Lyu等[8]通过线型聚能装药切割TC4板的试验,证明数值模拟能较好的表现断裂模式。陈宁等[9]通过试验与数值模拟相结合的方法,讨论了使用膨化硝铵炸药时线性聚能装药参数对侵彻深度的影响。王锋等[10]对不同锥角线型聚能装药侵彻钢靶的过程进行数值模拟,得到一种最佳装药结构并通过试验对结果进行了验证。张强等[11]讨论了切割器射流头部动能与半锥角之间的关系,并对切割钢靶的过程数值模拟确定半锥角为34°时切割器具有最佳的切割性能。Shu等[12]通过实验与数值模拟研究了辅助截顶结构的线型聚能装药的侵彻性能。关荣等[13]设计了一种截顶线性药型罩加矩形辅助药型罩的新型线型聚能装药结构,通过数值模拟的方法对比新结构与传统结构的射流特性,表明新型结构线型聚能射流的速度更高,形态更加细长,质量利用率较高。武双章等[14]通过正交优化的方法对双角度组合楔形罩线型聚能装药的结构参数进行优化,通过数值模拟各个方案得到最佳的参数组合。刘波等[15]对平顶、圆顶、尖顶3种锥顶结构的聚能装药战斗部进行数值模拟,并讨论了3种锥顶结构对射流的影响。杨乐等[16]设计了一种新型柱-锥结合的线型药型罩,对射流形成及切割过程进行数值模拟,其头部速度及侵彻性能相对锥形线型药型罩分别提高了约12.6%及58.8%;相对圆弧顶线型药型罩分别提高了约5.4%及26.7%。苟瑞君[17]和易建坤等[18]通过试验及数值模拟的方法,讨论了起爆方式对线型聚能装药成形及侵彻能力的影响。
因此,本研究中通过LS-DYNA软件,对锥顶、平顶与圆顶3种罩顶结构及不同截顶高度的线型聚能装药的射流成形和侵彻过程进行数值模拟,研究药型罩结构参数对射流成形及侵彻性能的影响,为线型聚能装药设计提供相关参考。
1 模型建立
1.1 物理模型
线型聚能装药结构如图1所示,其中装药宽度D=30 mm,装药高度H=30 mm,装药长度L=200 mm,起爆方式为顶部中心线起爆。3种罩顶结构的线型聚能装药的药型罩如图2所示,线型药型罩的锥角α=70°,壁厚为1 mm,T为截顶高度。
图1 线型聚能装药结构示意图
Fig.1 Structure of the linear shaped charge
图2 药型罩结构图
Fig.2 Structure of the liner
1.2 有限元模型建立
有限元模型通过 Truegrid软件绘制六面体单元网格,利用LSDYNA软件进行计算,对涉及材料大变形的空气、炸药与药型罩采用Eular算法,靶板采用Lagrange算法,射流与靶板间利用CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字实现2种算法的耦合,因线型聚能射流侵彻钢靶有限元模型具有对称性,为提高计算效率,建立1/2有限元模型。有限元模型如图3所示。
图3 有限元模型
Fig.3 Finite element model
1.3 材料参数
靶板材料为45钢[19],采用Plastic Kinematic本构方程描述,材料参数如表1所示;药型罩材料为高导无氧铜[20],采用Steinberg本构方程和Gruneisen状态方程描述,材料参数如表2所示;装药为8701炸药[21],采用JWL状态方程描述,材料参数如表3所示。
表1 45钢材料参数
Table 1 Material parameters of 45 steel
名称ρ/(g·cm-3)E/GPaσY/GPaEP/GPaνβ45钢7.832100.35510.00.31
表2 高导无氧铜材料参数
Table 2 Material parameters of CU-OFHC
名称ρ/(g·cm-3)G0/GPaY0/GPaym/GPanCu8.9647.70.120.640.45名称βG'pG'tY'pTmelt/KCu361.35-17.980.003 3961 790
表3 8701炸药材料参数
Table 3 Material parameters of 8701 explosive
名称ρ/(g·cm-3)PCJ/GPaVD/(m·s-1)87011.71729.57 980名称A/GPaB/GPaR1R2ω87015.212 37.6784.21.10.34
表4 仿真方案设计
Table 4 Program of simulation
方案罩顶结构截顶高度/mm方案罩顶结构截顶高度/mmA锥顶-C-18圆顶18B-18平顶18C-16圆顶16B-16平顶16C-14圆顶14B-14平顶14C-12圆顶12B-12平顶12C-10圆顶10B-10平顶10
1.4 仿真方案设计与验证
根据罩顶结构及截顶高度设计数值方案,其中A、B、C分别代表锥顶、平顶、圆顶结构,数字即截顶高度。
为提升仿真的可信性与准确性,验证网格无关性。建立方案A不同网格尺寸的模型,通过对比侵彻深度以减小网格尺寸带来的影响。综合考量计算结果与时长,采用0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm边长的六面体网格,如图4所示。
图4 网格尺寸与侵彻深度
Fig.4 Mesh size and penetration depth
与此同时,在网格尺寸及材料参数不变的情况下,对文献[10]中线型聚能射流切割钢靶的试验进行复现,以验证计算准确性,试验及有限元模型如图5所示。
图5 试验与有限元模型
Fig.5 Experiment and simulation model
经计算得到靶板侵彻结果,如图6所示。与文献中的试验结果进行对比,如表5所示,计算结果与试验结果基本一致,因此本文的仿真模拟结果具有一定的准确性。
表5 仿真结果与试验结果
Table 5 Simulation and experimental results
试验次数侵彻深度仿真结果误差/%134.86234.74334.6234.172.01.61.3
图6 靶板侵彻计算结果
Fig.6 Target penetration calculate results
2 数值模拟
2.1 典型工况线型射流产生与侵彻性能
在本研究中,以锥顶及截顶高度为16 mm的平顶、圆顶结构线型聚能装药为例进行分析。线型聚能装药在起爆后,爆轰波以球面波的形式在装药内部进行传播,在装药高度方向,药型罩顶部最先受爆轰波的作用,由顶部至底部逐渐压垮;在装药长度方向,药型罩两端受到滑移爆轰波的作用,射流在成形过程中将会产生偏角,使得射流宽度有所增加。
3种罩顶结构的线型聚能装药的射流成形过程如图7所示,爆轰波于起爆2 μs后开始作用于药型罩,经5 μs后爆轰波完全作用,射流在形成速度上并无显著差别,均在12 μs形成线型聚能射流。锥顶结构线型药型罩形成速度梯度较大充分拉长的射流;平顶结构线型药型罩在爆轰波的作用下首先作用于平顶部分,压垮过程中在平顶与锥壁交会处形成速度较高的射流头部,此后两侧射流在轴线处交汇形成一个完整的聚能射流;圆顶结构线型药型罩形成射流的过程与锥顶罩相似。
图7 射流成形过程
Fig.7 Typical formation process of linear jet
如图8所示,截顶高度为16 mm时3种罩顶结构形成的射流,锥顶结构药型罩形成的射流头部速度约3 310 m/s,尾部速度约500 m/s,长度为26.5 mm;平顶结构形成射流的头部速度约3 300 m/s,尾部速度约1 050 m/s,长度为18.7 mm;圆顶结构形成射流的头部速度约3 150 m/s,尾部速度约620 m/s,长度为20 mm。与此同时,锥顶结构形成的杵体最多,其次为圆顶结构,平顶结构最小。
图8 射流速度分布
Fig.8 Velocity of the jet
如图9所示,3种罩顶结构形成的射流在沿装药长度方向侵彻性能相似,切口长度均约110 mm。在最大侵彻深度方面,锥顶结构侵彻深度约24.7 mm;平顶结构侵彻深度约26.2 mm;圆顶结构侵彻深度约27.1 mm。综合来看,采用锥顶结构时射流的首尾速度差值约2 810 m/s,有利于射流伸长,但大部分药型罩材料流入杵体部分,其侵彻性能有所下降;采用平顶结构时首尾速度差值约2 250 m/s,射流长度虽短,但头部速度及药型罩材料利用率较高,其侵彻性能较好;采用圆顶结构时首尾速度差值约2 530 m/s,射流长度适中,头部速度及材料利用率介于平顶与锥顶之间,因而侵彻性能同样介于二者之间。
图9 1/2装药长度方向侵彻深度
Fig.9 Penetration depth in the direction of the charge length
2.2 平顶结构药型罩侵彻性能
当改变药型罩结构参数时,线型聚能装药形成侵彻体的过程将发生改变,进而影响到射流头部速度与侵彻体形态等对侵彻性能造成影响。
当采用平顶结构时侵彻体的形成过程不同于锥顶结构。如图10所示,在平顶结构药型罩形成侵彻体的过程中,截顶高度对侵彻体的成形存在较大影响。随着截顶高度的降低,侵彻体的内部逐步产生空腔,其形态逐步改变。
图10 平顶结构射流成形过程
Fig.10 Jetforming process of flat top structural liner
药型罩形成侵彻体的过程中,爆轰波首先作用于药型罩的罩顶部分,其材料将形成侵彻体的头部。如图10所示,在截顶高度较高时,在罩顶与锥壁交会处将形成一级射流,之后随着药型罩的压垮汇集,一级射流逐步汇集并加速得到速度更高的射流,由B-16、B-14及B-12速度曲线,可以明显看到二次加速现象;在截顶高度较低时,此时因有着较宽的顶部,在爆轰波作用下顶部中心微元将直接形成速度较高的射流头部,虽然平顶与锥壁交会处依旧将形成一级射流,但其汇集需要更长的距离与时间,因此平顶部分将直接形成射流头部,平顶结构头部速度曲线,如图11所示。
图11 平顶结构线型射流头部速度
Fig.11 Linearjet tipvelocity of flat top structure liner
如图12所示,平顶结构线型聚能射流侵彻靶板的结果,B-18侵彻深度为25.9 mm,侵彻宽度8.3 mm;B-16侵彻深度达到大值26.2 mm,侵彻宽度7.6 mm;B-14侵彻深度为25.0 mm,侵彻宽度8.5 mm;B-12侵彻深度为16.1mm,侵彻宽度14.2 mm;B-10线型聚能装药的侵彻深度最低仅为15.2 mm,侵彻宽度15.3 mm。随着截顶高度的降低,射流的侵彻深度先增后减,在截顶14 mm时侵彻深度达到最大。综合分析,截顶高度的变化,使得平顶结构药型罩形成射流的过程与射流形态随之改变,最终影响到侵彻性能。
图12 平顶结构线型射流侵彻效果
Fig.12 Flat top structure with linear jet penetration results
2.3 圆顶结构药型罩侵彻性能
当药型罩采用圆顶结构时,聚能侵彻体形成过程与锥顶结构相类似,由顶部至底部压垮,在轴线汇集形成线型射流。
如图13和图14所示,不同截顶高度的圆顶结构药型罩的成形过程,随着截顶高度的降低,射流连续性逐渐提升,杵体部分逐渐减小,射流的长度逐渐减小,射流的头部速度逐渐降低。
图13 圆顶结构射流成形过程
Fig.13 Jetforming process of domed top structural liner
图14 圆顶结构线型射流头部速度
Fig.14 Linearjet tipvelocity of domed top structure liner
图15为平顶结构线型聚能射流侵彻靶板的结果,C-18的侵彻深度为25.6 mm,侵彻宽度8.3 mm;C-16方案的侵彻深度达到大值27.1 mm,侵彻宽度8.1 mm;C-14方案的侵彻深度为27.2 mm,侵彻宽度8.9 mm;C-12方案的侵彻深度为27.2 mm,侵彻宽度10.2 mm;C-10方案线型聚能装药的侵彻深度为28.6 mm,侵彻宽度10.8 mm。随着截顶高度的降低,侵彻深度与宽度逐渐增加。
图15 圆顶结构线型射流侵彻效果
Fig.15 Domed structure with linear jet penetration results
不同截顶高度的圆顶结构线型射流的形成过程相似,但截顶高度的降低使得射流头部速度降低,尾部速度提高,首尾速度梯度变小,射流杵体部分减小,药型罩材料利用率提升,虽然射流长度有所减小,但其连续性得到提升,圆顶结构线型聚能装药的侵彻性能随截顶高度的降低而提升。
3 结论
通过对不同罩顶结构及截顶高度的线型聚能装药侵彻钢靶的过程进行仿真模拟,分析了药型罩结构对线型射流成形与侵彻性能的影响,得到如下结论:
1) 在截顶高度较高时,罩顶结构对线型聚能射流成形与侵彻性能的影响较小;在截顶高度较低时,罩顶结构将造成影响较大。
2) 截顶高度为16 mm的平顶结构线型聚能装药,较其他平顶方案有更好的侵彻性能,较锥顶结构的最大侵彻深度提升6.3%。
3) 截顶高度为10 mm的圆顶结构线型聚能装药,射流的成形及侵彻性能为各方案的最优,较锥顶结构最大侵彻深度提升15.6%。
[1]罗勇,沈兆武,崔晓荣.线性聚能切割器的应用研究[J].含能材料,2006,14(3):236-240,160.
LUO Yong,SHEN Zhaowu,CUI Xiaorong.Application study on blasting with liner cumulative cutting charge in rock[J].Chinese Journalof Energetic Materials,2006,14(3):236-240,160.
[2]王伟力,李永胜,田传勇.串联战斗部前级环形切割器的设计与试验[J].火炸药学报,2011,34(2):39-43.
WANG Weili,LI Yongsheng,TIAN Chuanyong.Optimization and test on front annular cutter of tandem warhead[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2011,34(2):39-43.
[3]王敏,龙源,钟明寿,等.乳化炸药线型切割器对薄壳弹药销毁效果的数值模拟研究[J].爆破器材,2018,47(2):39-43.
WANG Min,LONG Yuan,ZHONG Mingshou,et al.Numerical simulation of destruction efficiency of linear shaped charge cutter with emulsion explosive on thin shell ammunition[J].Explosive Materials,2018,47(2):39-43.
[4]高强,王宝兴,汪长栓,等.聚能切割技术在水平井连续油管切割中的应用[J].工程爆破,2016,22(2):48-50,60.
GAO Qiang,WANG Baoxing,WANG Changshuan,et al.Application of the shaped charge cutting technology in cutting coiled tubing of horizontal wells[J].Engineering Blasting,2016,22(2):48-50,60.
[5]林加剑,沈兆武,任辉启,等.线性聚能切割器切割钢索的试验研究及数值模拟[J].工程爆破,2008,14(4):1-4.
LIN Jiajian,SHEN Zhaowu,REN Huiqi,et al.Experimental and numerical simulation study on cutting tight wire with linear charge cutter[J].Engineering Blasting,2008,14(4):1-4.
[6]赵建平,杨晓红,张振洋,等.岩体中线型聚能爆破切割试验及损伤规律研究[J].采矿技术,2018,18(5):95-98,101.
ZHAO Jianping,YANG Xiaohong,ZHANG Zhenyang,et al.Study on the cutting test and damage law of linear clustering blasting in rock body[J].Mining Technology,2018,18(5):95-98,101.
[7]WU B,XU S X,MENG G W,et al.Study on dynamic evolution law of blasting cracks in elliptical bipolar linear shaped charge blasting[J].Shock and Vibration,2021,2021:1-10.
[8]LYU D Z,HONG W R,YUAN M C,et al.Spallation affected fracture pattern of a titanium alloy plate subjected to linear shaped charge jet penetration[J].Combustion,Explosion and Shock Waves,2017,53(3):362-369.
[9]陈宁,段卫东,陈沛,等.线性聚能装药侵彻深度的影响因素[J].工程爆破,2021,27(4):100-106.
CHEN Ning,DUAN Weidong,CHEN Pei,et al.Influence factors of penetration depth of linear shaped charge[J].Engineering Blasting,2021,27(4):100-106.
[10]王峰,李必红,王喜,等.药型罩锥角对线性聚能装药切割性能的影响[J].火工品,2019,6(3):22-25.
WANG Feng,LI Bihong,WANG Xi,et al.Effect of the cone angle of the liner on the cutting performance of linear shaped charg[J].Initiators &Pyrotechnic,2019,6(3):22-25.
[11]张强,姜勇,黄龙.药型罩锥角影响线性切割器切割性能的数值模拟[J].舰船电子工程,2017,37(2):75-78.
ZHANG Qiang,JIANG Yong,HUANG Long.Numerical simulation of the effect of incising on different cone angles of liner shaped charge[J].Ship Elctronic Engineering,2017,37(2):75-78.
[12]SHU Y,SHAO P,LI Z H,et al.Linear hypercumulation formation mechanism for π-type shaped charge[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2022,47(3):e202100.
[13]关荣,张树海,李启发,等.一种截顶线性聚能装药射流特性的数值模拟[J].火炸药学报,2017,40(3):80-84.
GUAN Rong,ZHANG Shuhai,LI Qifa,et al.Numerical Simulation on the jet characteristics of a truncated linear shaped charge[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2017,40(3):80-84.
[14]武双章,顾文彬.双角度组合楔形罩线型聚能装药正交优化研究[J].爆破,2013,30(3):33-38.
WU Shuangzhang,GU Wenbin.Orthogonal optimization design study of linear shaped charge with cuniform cover of double angles combination[J].Blasting,2013,30(3):33-38.
[15]刘波,姚志敏.聚能破甲战斗部药型罩不同形状锥顶对射流影响的数值模拟[J].机械设计与研究,2014,30(4):78-81.
LIU Bo,YAO Zhimin.The numerical simulation for conical liners with different shape tops of shaped charge warhead impacting on the jets[J].Machine Design and Research,2014,30(4):78-81.
[16]杨乐,张亚.柱-锥结合线型药型罩射流特性的数值模拟[J].工程爆破,2018,24(5):28-34.
YANG Le,ZHANG Ya.Numerical simulation of jet characteristics of cylindrical-cone combined with linear liner[J].Engineering Blasting,2018,24(5):28-34.
[17]苟瑞君,赵国志.线性成型装药起爆方式的比较[J].火工品,2006(1):42-45.
GOU Ruijun,ZHAO Guozhi.Comparison of linear shaped charge initiation manners[J].Initiators &Pyrotechnic,2006(1):42-45.
[18]易建坤,姜新权,彭浩.起爆方式对线性聚能装药射流形成的影响[J].火炸药学报,2006,29(3):57-61.
YI Jiankun,JIANG Xinquan,PENG Hao.Effect of initiation ways on jet formation of linear shaped charge[J].Chinese Journal of Explosives &Propellants,2006,29(3):57-61.
[19]南宇翔,蒋建伟,王树有,等.子弹药落地冲击响应数值模拟及实验验证[J].振动与冲击,2013,32(3):182-187.
NAN Yuxiang,JIANG Jianwei,WANG Shuyou,et al.Numerical simulation and test for impact response of submunitions drop[J].Journal of Vibration and Shock,2013,32(3):182-187.
[20]冯江拓,李芮宇,周玲,等.药型罩材料本构模型对EFP数值模拟的影响[J].弹箭与制导学报,2017,37(4):71-75.
FENG Jiangtuo,LI Ruiyu,ZHOU Ling,et al.The influence of the constitutive model of shaped charge liner material on EFP numerical simulation[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2017,37(4):71-75.
[21]孔繁家,周春桂,王志军,等.罩顶材料对双锥药型罩成型及侵彻性能的影响[J].兵器材料科学与工程,2021,44(6):30-35.
KONG Fanjia,ZHOU Chungui,WANG Zhijun,et al.Influence of top material on forming and penetration performance of double cone type charge[J].Ordnance Material Science and Engineering,2021,44(6):30-35.