超聚能射流成型及侵彻混凝土的数值模拟研究

张 斐，周春桂，张春辉，黄 松，王少宏



超聚能射流成型及侵彻混凝土的数值模拟研究

张 斐1,2，周春桂1，张春辉2，黄 松1,2，王少宏1

（1.中北大学机电工程学院，山西 太原，030051；2.海军研究院, 北京，100001）

为了提高聚能装药对混凝土介质的毁伤威力，设计了一种新型的截顶形超聚能装药结构，对其成型过程进行数值仿真，分析了超聚能射流的成型特点，以及不同炸高下射流对混凝土靶板的侵彻规律。研究表明：新型的截顶形超聚能装药结构可以形成杵体较少、头部成细锥形的不断裂高速射流，侵彻混凝土靶板时既可以保证一定的侵彻深度又可以在靶板表面形成漏斗形破坏区。该装药结构形成的超聚能射流头部速度达到13km/s以上，具有侵彻能力的射流质量占药型罩质量的66.02%。炸高为3倍装药口径时，射流对混凝土靶板的侵彻深度达到10倍装药口径，漏斗坑直径达到0.5倍装药口径。

超聚能射流；深侵彻；混凝土；数值模拟

混凝土是一种重要的战略性原材料，被广泛地应用于军事建筑及防御工事上。如何实现对混凝土建筑的高效毁伤一直是研究的热点。采用聚能装药侵彻混凝土目标是一种行之有效的方法。聚能装药战斗部侵彻混凝土时不仅要求一定的侵彻深度[1]，还要求一定的侵彻孔径，但侵彻深度与侵彻孔径相互矛盾。王志军等[2]在楔形罩的基础上设计了一种星锥状装药结构，形成的射流杵体较少，提高了射流的稳定性与侵彻能力。黄凤雷[3]设计了两种大锥角药型罩。康彦龙等[4]设计了钛合金聚能装药结构，实现了对多层介质的大破孔侵彻。薛鑫莹[5]的研究表明钛合金药型罩对钢筋混凝土的侵彻深度与开孔孔径匹配性要明显优于传统药型罩材料。Murphy等[6]研究发现铝药型罩的侵彻孔径比较大但深度较浅，铜药型罩的侵彻破孔小但深度较大。因此传统的装药结构侵彻混凝土目标时很难兼顾侵彻深度与侵彻孔径的要求。

俄罗斯科学家通过改进药型罩几何形状及装药结构提出多种超聚能装药结构，并定义了超聚能射流现象[7]。超聚能射流既有爆炸成型弹丸药型罩质量利用率高的特征，也有射流高速度的特征[8]。美国5394804号专利设计了一种侵彻反应装甲的新型装药结构[9]，该装药结构实现了对反应装甲的高效毁伤。因此本研究在此装药结构的基础上设计一种新型的截顶形超聚能装药结构，利用AUTODYN-2D数值模拟超聚能射流的成型及其侵彻混凝土靶板的过程，并分析其侵彻规律。

1 超聚能战斗部结构设计及原理

截顶形超聚能战斗部的几何结构如图1所示。其中辅助球缺罩与辅助锥形罩主要是提高射流速度并减少杵体质量；药型罩1与药型罩2形成超聚能射流。

图1 截顶形聚能装药结构示意图

截顶形超聚能战斗部的作用原理是：当引信作用后，主装药在传爆药的作用下爆轰并作用于辅助球缺罩。辅助球缺罩一方面可以改变爆轰波波形，控制爆轰方向，提高作用在药型罩1上的爆压；另一方面可以增加爆轰产物与药型罩的作用面积，延长能量传递时间，从而使药型罩2形成杵体极少的高速射流。随着时间的增加，辅助锥形罩在爆轰波的压合作用下与药型罩1碰撞并加速射流，同时调整爆轰波作用在药型罩2上的方向，使得药型罩1形成的射流头部与药型罩2形成的射流相叠加，从而增加超聚能射流的头部直径与速度。

射流速度与药型罩的材料息息相关。根据冲击动力学理论[10-12]，爆轰波从高阻抗介质传入低阻抗介质时，低阻抗材料可以获得更高的质点速度。根据作用原理分析可以得到：辅助球缺罩与辅助锥形罩的材料应选择高阻抗材料，药型罩1与药型罩2的材料应选择低阻抗材料。根据文献[10]可知材料的冲击阻抗可由公式（1）计算：

=（1）

式（1）中：为材料密度；为材料声速。表1是常见材料的冲击阻抗。

表1 材料的冲击阻抗

Tab.1 Shock resistance of material

2 超聚能射流成型的数值计算

2.1 有限元模型

截顶形超聚能战斗部的几何结构具有对称性，为减少计算量，建立了如图2所示的二维有限元模型。模型中装药口径为100mm，装药长径比为1；壳体厚度为4mm；辅助球缺罩半径为18mm、壁厚为3mm；药型罩1与药型罩2的锥角均为60°、壁厚为2.5mm；辅助锥形罩与药型罩1垂直，壁厚为3mm。

图2 有限元模型

射流成型过程中网格变形较大，数值模拟计算采用Euler算法，并在空气边界上设置流入流出边界条件。单位制为mm-mg-ms-kPa。为了观测超聚能射流在轴线上的速度及能量分布，在模型中轴线上设置24个高斯点，每个高斯点间距为20mm。

2.2 材料参数

炸药选用OCTOL，爆轰产物采用JWL状态方程，其参数见表2。

表2 OCTOL材料模型及其状态方程参数

Tab.2 Material model and equation of state of OCTOL

起爆方式为装药顶端中心点起爆。空气采用AUTODYN材料库中的默认材料并赋予初始能量。根据超聚能战斗部结构及其作用原理分析，辅助球缺罩的材料选择钨；辅助锥形罩的材料选择铜，药型罩1与药型罩2的材料选择铝。壳体的材料选择4340钢。钨、铜、铝的状态方程均为Shock，壳体4340钢的状态方程为Linear。钨采用Steinberg Guinan强度模型，铜采用Piecewise JC强度模型，铝和4340钢采用Johnson Cook强度模型，相关参数见表3。

表3 不同材料的材料模型及其状态方程参数

Tab.3 Material model and equation of state of different materials

2.3 仿真结果与分析

利用AUTODYN-2D对上述有限元模型进行计算，得到了截顶形超聚能装药结构形成超聚能射流的过程。图3是超聚能射流成型过程中不同时刻的状态。

图3 超聚能射流的成型过程

由图3可以看出主装药在起爆4μs后，爆轰波首先作用于辅助球缺罩，接着药型罩1在辅助球缺罩的碰撞与爆轰波的压合作用下被压垮、闭合。8μs时药型罩1开始形成高速侵彻体，同时辅助锥形罩在爆轰波的作用下与药型罩1发生碰撞，进一步加快了药型罩1的闭合速度。10μs时药型罩2在爆轰波的作用下被压垮、闭合并与药型罩1形成的高速侵彻体碰撞、汇聚，增加了射流头部直径并进一步增加其速度。22μs时已初步具有射流的形态，由于存在速度梯度，射流在运动中逐渐被拉伸。30μs时药型罩已基本被压合汇聚完成，辅助球缺罩与辅助锥形罩形成杵体，位于射流后端；药型罩1与药型罩2大部分形成了超聚能射流。41μs时超聚能射流头部到达4倍装药口径处，其速度达到13 000m/s以上，此时超聚能射流头尾速度差进一步增大，继续计算会出现紧缩现象，超聚能射流头部会出现断裂。图4是该装药结构形成的超聚能射流在不同炸高下的速度云图。

图4 超聚能射流在不同炸高下的速度云图

从图4中可以看出该装药结构在炸高小于4倍装药口径时，形成的超聚能射流头部呈细锥形，速度达到13 460m/s且未出现断裂现象。为了便于分析本研究中将射流速度大于3 000m/s的部分定义为有效超聚能射流。传统的聚能装药结构能够形成具有侵彻能力的有效射流的质量仅占药型罩质量约20%[13]，而该装药结构形成的超聚能射流在4倍装药口径处有效超聚能射流质量占药型罩总质量的66.02%，杵体所占比例明显降低，此时有效超聚能射流长度占整个射流长度的68.26%。为了验证形成的超聚能射流的侵彻威力，选取合适的炸高侵彻混凝土靶板。

3 超聚能射流侵彻混凝土的数值计算

超聚能装药结构不变的情况下，为尽可能得到较大的侵彻孔径和较深的侵彻深度。分别对1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0炸高下共计6种方案的超聚能射流侵彻混凝土靶板的过程进行了数值模拟。

通过AUTODYN的映射技术得到超聚能射流在不同炸高下着靶前的形态，然后添加混凝土靶板模型，靶板尺寸为200mm×1 200mm。混凝土靶板材料选用CONC35MPA，采用Palpha状态方程和RHT Concrete本构模型。图5是2.5炸高下超聚能射流经映射后加入混凝土靶板的有限元模型。

3.1 仿真结果及分析

由于炸高的不同，超聚能射流的拉伸程度及其速度具有明显差异，导致侵彻结果存在一定差异。图6是不同炸高下超聚能射流对混凝土靶板的侵彻结果。

图5 混凝土靶板有限元模型

图6 不同炸高下侵彻结果

超聚能射流开始侵彻混凝土靶板时会产生瞬时冲击波，从图6中可以看出，在靶板前端均形成一个直径较大而深度较浅的“漏斗形”破坏区。对于传统聚能装药结构，由于射流具有较大的尾裙，尾裙的冲击作用是形成漏斗坑的决定因素[14]。但超聚能射流的尾裙较小，显然“漏斗形”破坏区出现的决定因素不是尾裙。超聚能射流具有远高于传统射流的速度，导致侵彻混凝土目标时产生的冲击波具有强烈的横向扩孔效应[15]，因此在混凝土靶板的入口处出现明显的“漏斗形”破坏区。漏斗坑直径(1)及其深度(1)随炸高的变化规律分别如图7所示。

图7 漏斗坑直径（D1）及深度（H1）随炸高的变化规律

从图7可以看出，漏斗坑直径随着炸高的增大，先增大后减小，3炸高时达到最大，约为0.5倍装药口径；漏斗坑深度随着炸高的增大而缓慢增大，4炸高时达到最大，为0.62倍装药口径。

超聚能射流侵彻混凝土靶板的深度随炸高的变化情况如图8所示。

图8 侵彻深度随炸高的变化情况

由图8可以看出，3炸高下，混凝土靶板的侵彻深度达到了1 005mm，约为10倍装药口径，当炸高小于3时，侵彻深度随着炸高的增大而增大；当炸高大于3小于4时，侵彻深度趋于稳定，继续增大炸高，射流过度拉伸出现断裂，断裂的射流在侵彻过程中会损失弹性波能量，造成侵彻深度下降。

3.2 超聚能射流侵彻混凝土靶板的作用机理

截顶形超聚能装药结构在炸药的作用下形成超聚能射流后，超聚能射流被不断拉伸。随着时间的增加，超聚能射流头部首先与靶板接触并产生瞬时冲击波，此时虽然响应区域较小，但射流头部速度达到13 000m/s以上，接触区域的温度及压力出现骤变，冲击波在混凝土靶板表面产生横向扩孔效应，从而形成了“漏斗形”破坏区。随着超聚能射流侵彻混凝土靶板的深入，进入稳定侵彻阶段，射流与混凝土靶板相互作用的接触面上产生两个反向冲击波，分别作用于超聚能射流与混凝土靶板。混凝土靶板在冲击波的作用下接触区域发生变形、破碎，在破坏区域的周围依次出现塑性区与弹性区，表面出现裂纹，图9是2.5炸高下超聚能射流对混凝土靶板的损伤图。超聚能射流在反向冲击波的作用下，自接触区域开始速度逐渐降低。由于存在速度梯度且头部速度快速减小，超聚能射流在侵彻过程中出现堆积现象，导致侵彻混凝土靶板后出现的孔洞直径存在差异。超聚能射流侵彻混凝土靶板过程中，在自由表面的稀疏波作用下，射流及其靶板内的冲击波逐渐衰减至弹性波，此时射流速度小于混凝土靶板的临界侵彻速度，混凝土靶板的破坏区域达到最大，侵彻随之结束。

图9 混凝土靶板损伤图

4 结论

设计了一种新型截顶形超聚能装药结构，利用AUTODYN-2D开展了超聚能射流的成型及侵彻混凝土靶板的数值模拟研究，研究结果表明：（1）新型截顶形超聚能装药结构可以形成超聚能射流，射流头部速度达到13km/s以上，有效超聚能射流质量达到药型罩质量的66.02%。（2）该装药结构形成的超聚能射流对混凝土靶板具有较好的侵彻效果，侵彻最大深度达到10倍装药口径，侵彻最大孔径达到0.5倍装药口径。（3）该装药结构形成的超聚能射流侵彻混凝土靶板时，靶板表面会出现由横向扩孔效应产生的漏斗形破坏区。漏斗坑直径随着炸高的增大，先增大后减小，炸高为3倍装药口径时，漏斗坑直径为0.5倍装药口径；漏斗坑深度随着炸高的增大而缓慢增大，炸高为4倍装药口径时，其深度可达到0.62倍装药口径。

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Numerical Simulation of Hypercumulation Jet Formation and Penetration into Concrete

ZHANG Fei1,2，ZHOU Chun-gui1，ZHANG Chun-hui1，HUANG Song1,2，WANG Shao-hong1

（1. School of Mechanical Engineering,North University of China,Taiyuan,030051；2.Naval Research Academy, Beijing, 100001）

In order to improve the damage of the shaped charge to the concrete medium, a new type of charge structure was designed and its forming process was simulated. The forming characteristics of hypercumulation were analyzed, and the penetrating laws of the concrete structures were obtained under different blast heights. The simulation results show that the new type of charge structure can form a high-speed jet with less caries and a narrow tapered head. When penetrating a concrete target, it can both ensure a certain penetration depth and a funnel-shaped destruction zone forms on the surface of the target. The velocity of the jet head formed by the charge structure reaches 13 km/s or more, and the jet quality with penetrating power accounts for 66.02% of the liner mass. When the blast height is 3 times of the charge diameter, the penetration depth of the jet to the concrete target reaches 10 times the charge diameter, and the penetration diameter reaches 0.5 times the charge diameter.

Hypercumulation；Deep penetration；Concrete；Numerical simulation

1003-1480（2018）05-0016-05

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.005

2018-05-07

张斐（1992-），男，硕士研究生，从事兵器科学与技术研究。

国家自然科学基金（11572291）；山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助（20160033,2017028）。