基于AUTODYN的双层药型罩射流形成数值模拟分析

    0 引言

    1888年美国科学家Monroe在实验中发现了聚能现象，当炸药装药内存在一定形状的空穴时，靶板上的孔洞深度有所增加。在炸药凹槽中再加一金属衬以及适当控制其到钢板的距离(称其为炸高），能够显著地提高装药的穿透能力。这种金属衬通常被称为药型罩，是聚能装药的核心组成部分，其形状多为圆锥形，一般采用紫铜材料制成。

    随着新型爆炸式反应装甲（Explosive Reac-tive Armor，以下简称ERA)的广泛应用和持续改进，装甲目标防护能力得到显著提高，给传统聚能装药带来了巨大的挑战，特别是双层、双层楔形等多单元组合型ERA的出现，使现有的反装甲弹药的作战能力几乎丧失殆尽。为了满足毁伤要求，对聚能装药的改进具有重要的意义和必要性。

    国内外对提高射流的侵彻性能展开了许多研究，单层药型罩材料利用率低以及能量机制的不合理使得对双层药型罩的研究非常广泛。双层药型罩是指在一个装药中叠放两层药型罩，两层药型罩之间要有自由接触的表面。与单层药型罩相比，双层药型罩能够充分发挥难溶金属的高密度优势和易溶金属的高延展性优势，充分利用两种材料的优势使得侵彻性能得到提高。科学合理地匹配两层药型罩的厚度能够使其内、外罩分别形成射流和杵体，形成头部速度更高的射流，改善射流的侵彻性能，同时还能提高药型罩昂贵金属材料的利用率。

    基于以上介绍，本文研究了锥角在40°-60°范围内时，双层药型罩内、外罩的最优厚度比，同时，双层药型罩的射杵分界线的确定验证了变壁厚药型罩研究的合理性，为今后药型罩的研究提供了参考。

    1 数值模拟软件及算法

    研究聚能装药问题主要有三种方法：理论分析、试验研究以及数值模拟。理论分析主要侧重于基础性的研究，很难满足工程问题的复杂性、多样性;试验是研究聚能装药问题的最有效手段，但是由于原型试验耗费昂贵、操作困难、可重复性差等原因致使试验的效费比很低，通常只能进行少量的实弹试验。数值模拟方法具有灵活性和可重复性，已经逐渐成为一种经济有效的数值试验方法。

    1.1 模拟软件

    目前，国内外最常用的爆炸动力学数值模拟软件主要有AUTODYN、LS_DYNA，这两款软件均能对聚能装药系列问题进行有效模拟。本文涉及冲击起爆问题的研究，选用AUTODYN软件能减少计算错误的出现。

    AUTODYN是美国ANSYS子公司Century Dynamics公司于1985年在桂谷开发的用于处理几何和材料大变形的非线性瞬态动力分析数值模拟软件。该软件具有很多高级功能，其前后处理和主解算器集成于一体，采用交互菜单操作。内嵌有欧拉(Euler)求解器、拉格朗日（Lagrange)求解器、任意拉格朗日欧拉(ALE)求解器以及光滑粒子流体动力(SPH)求解器。AUTODYN集有限元、计算流体动力学(CFD)等多种处理技术于一体，对各类冲击响应、高速/超高速碰撞、爆炸及其作用问题能够很好模拟。此外，AUTODYN软件中内嵌了丰富的材料模型及对应参数，包括供各类金属、陶瓷材料、玻璃、水泥、各类炸药、水、空气以及其他固体、流体以及气体的材料模型和对应数据。