聚能战斗部起爆方式对射流成形的影响分析

汪家祥

摘 要：采用有限元分析软件对聚能战斗部爆破形成射流的过程进行仿真模拟。在药型罩、炸药等参数相同的情况下，改变起爆方式，对射流形态和射流的基本参数变化进行对比分析。结果表明，采用多点（环形）起爆方式在射流形成时间、速度及射流拉伸长度方面较单点（中心）起爆有了一定提高。

关键词：聚能战斗部；起爆方式；有限元分析

0 引言

聚能战斗部主要由金属药型罩、壳体、炸药装药和起爆序列组成，装药爆炸后，爆炸产物产生爆轰波形成足够压力压垮药型罩，使药型罩从顶部发生翻转，形成聚能射流（EFP）。其中EFP的运动状态，尤其是速度，是研究中的重点，在给定装药和药型罩的前提下，起爆方式直接影响着射流的有效质量及速度梯度。本文在起爆方式对射流影响方面进行了数值模拟及分析。

1 爆轰波C-J理论

爆轰波形的控制是多模毁伤形成的关键。通过改变起爆方式，合理控制爆轰波形，可以实现不同毁伤元的转换。Chapman和Jouguet提出了爆轰波C-J理论。爆轰波是一种伴有化学反应的冲击波，由于爆轰波在炸药中传播时得到了炸药本身化学反应时放出的能量，因而可以抵消它在传播过程中损失的能量，保证整个过程的稳定性，直到炸药反应结束为止。

研究表明，不同起爆方式下爆轰波压垮药形罩形成毁伤元的参数不尽相同，其中单点起爆产生恒定的C-J爆轰压力，而环形起爆由于爆轰波的相互碰撞，使得碰撞点爆轰波压力高出C-J压力很多，尤其是当碰撞产生马赫波时，高压爆轰不只产生在一点，而是形成了一定长度的马赫杆，同时高压爆轰波压力可达C-J压力的3倍以上。

2 数值模拟

应用非线性动力学软件AUTODYN 进行数值计算，采用Euler算法，该算法可以很好地解决大应变、高应变率的问题。网格模型为二维轴对称模型，设置无反射边界条件，使所有物质在边界处无障碍流出。2.1 计算模型采用JH-2装药，装药口径为38mm，装药高度为46.5mm；壳体壁厚1mm，采用Al2A12；药型罩采用军用紫铜材料，锥角为83°，壁厚1.5mm，罩顶高20mm。

2.2 材料模型

材料模型主要包括材料的状态方程、强度模型及失效模型。本次仿真共涉及壳体、药型罩、炸药、空气等4种材料。在研究高压下固体中激波传播时，需要考虑材料的状态方程，材料的状态方程关系到材料压力、密度和热力学参数，反映材料的体积特性。由于射流的形成涉及大变形，因此破甲弹药型罩材料模型采用具有弹塑性属性的J-C模型。

2.3 爆点设置

2.3.1 单点（中心）起爆

单点起爆战斗部结构简单，二维网格的建立主要靠点和线来构造，通过网格划分数量和长度尺寸来确定网格的疏密度。

2.3.2 多点（环形）起爆

环起爆是一个理论上的概念，在实际应用过程中一般采用多点起爆代替环形起爆。Bourne、J.P.Curtis、K.G..Cowan等人在研究多点起爆聚能战斗部时，提出随着在某一半径的圆环上起爆点数目的增多，当采用超过4点以上的多点起爆，形成的侵彻体类似于采用环起爆方式得到的结果。

为了提高计算效率，初始方案设计及结构优化计算时将多点起爆简化为二维环形起爆，这样在起爆点模型基础上，通过改变起爆点位置即可形成环形起爆网格模型。

3 结果分析

3.1 射流形成过程对比

图4中图a）和图b）为两种起爆点的射流形成过程。对比图a）和图b）可知，由于起爆点位置不同，多点（环形）起爆形成的射流时间明显低于传统的单点（中心）起爆， 40μs时，单点起爆的药型罩开始拉伸完全，多点起爆的药型罩已完成拉伸且头部已经拉断。

a） 单点起爆射流成型过程

3.2 射流尺寸对比

从图5可以看出，在50um时刻，多点起爆形成的射流已发生大规模断裂，整体长度较单点起爆射流长；直径比单点起爆形成射流直径短。

3.3 动态高斯点分析

3.3.1 动态高斯点设置

从药型罩锥顶截取处到锥底均匀布置一排动态高斯点（1点到14点），如图7所示。在药型罩的压垮过程中，动态高斯点会随着材料的运动而运动，可以清晰的观察材料的运动轨迹。此方法可以通过设置大量的动态高斯点精确地得到药型罩材料微元在流动中的分布情况。由图可知：药型罩的外表面都形成了杵体，大部分内表面都形成了射流；罩顶内表面1点形成了杵体， 13点、14点与射流主体分离，此部分材料将会形成无用的铜圈；药型罩内表面顶部从2点到12点依次形成射流的头部到尾部。

3.3.2 不同起爆点材料微元运动速度运动速度对比

由图7可知，多点起爆下材料高于单点起爆下材料微元运动速度，单点起爆微元速度最大为3976m/s，多点起爆微元速度最大为4832m/s。

4 结论

（1）应用数值模拟研究了不同起爆方式对射流成型的影响。

（2）用动态高斯点研究了药型罩材料的流动规律，得出多点起爆微元运动速度高于单点起爆；

（3）多点起爆方式射流成型快，射流尺寸短。

参考文献：

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