辅助药型罩材料对线型聚能射流性能影响的数值仿真

为了提升线型聚能射流的性能,将截顶加辅助药型罩结构应用于线型聚能装药,应用三维有限元分析软件(LS-DYNA)对以紫铜为主体药型罩,Al、Cu和W作为辅助药型罩时形成的线型聚能射流进行了数值仿真,并将其与传统的线型聚能射流进行了对比分析。结果表明:截顶加辅助药型罩结构形成的射流性能更优,并随辅助药型罩材料密度等的增大,射流的延展性、速度及有效质量均有提高,且均优于传统的楔形罩结构;W作为辅助药型罩材料时形成的线型聚能射流,速度较传统的楔形罩结构提高约25.9%,射流的有效长度增加约145%。     

起爆偏心对聚能装药射流成型过程及威力参量的影响

为了研究起爆偏心对聚能射流的影响,运用有限元软件LS-DYNA模拟了不同起爆偏心量(0.025D_k～0.125D_k,D_k为装药直径)下射流成型及其破甲过程,探究了药型罩非对称压垮程度、射流形态以及横向速度的变化规律,建立了理论模型以分析不同偏心量下射流横向速度分布情况,并基于正交试验设计理论和方差分析法揭示了各因素对评价指标影响程度的显著差异。结果表明：药型罩非对称压垮程度及射流横向速度均与偏心量呈正相关变化趋势。偏心量为0.025D_k时,射流侵彻深度仅下降0.7%;偏心量为0.050D_k时,侵彻深度下降突跃为12.4%;随着偏心量的增加,侵彻深度继续下降。此外,适当增大壁厚、罩顶装药高度可削弱起爆偏心对射流横向速度的影响。     

药型罩材料的晶粒度对射流性能的影响

 通过对紫铜药型罩的静破甲威力实验和脉冲X射线照像，研究了药型罩材料的晶粒度对射流性能的影响。研究结果表明，药型罩材料的晶粒度对射流动态延伸特性有重要影响。罩材料的晶粒细化可以增加有效连续射流的长度，推迟射流断裂的时间，提高静破甲威力水平。最后讨论了晶粒度对射流性能影响的机理。     

起爆方式对环向聚能射流成型影响的数值模拟

采用LS-DYNA有限元分析软件,对环向聚能装药在中心点起爆、端点起爆和两端对称起爆方式下的射流形成过程分别进行了数值模拟。计算结果表明:3种起爆方式下,两端对称起爆的射流头部速度最高,中心点起爆次之,端点起爆最小。起爆方式的不同,导致爆轰波阵面与药型罩母线的夹角不同;而夹角越小,罩微元受到的爆轰载荷越大,相应的压垮速度越高,形成的射流头部速度越大。在端点起爆的情况下,由于爆轰波形关于药型罩不对称,导致两侧罩微元的爆轰载荷和压垮速度不同,射流发生偏移。     

用闪光X射线摄影测定聚能射流的速度分市

带锥形药型罩的聚能装药爆炸时,由于爆炸产物沿装药斜切面飞散时发生轴向集中效应,使受冲击波和爆炸产物作用的药型罩变形,并因向轴向汇聚而发生碰撞,形成高速金属射流和杵体。对确定靶材而言,射流侵彻时的速度分布和质量分布是决定破甲效     

串联战斗部前级K装药结构的优化设计

针对串联战斗部前级装药大开孔兼顾侵深的要求,应用LS-DYNA有限元软件,结合正交优化设计方法,仿真研究了K装药的药型罩及隔板结构参数对高速聚能杆式射流成型的影响规律,找出了形成较高头部速度的聚能杆式射流的药型罩外壁曲率半径和偏心距(分别为90~110mm和35~40mm)。计算得到了各结构参数(偏心距、罩外壁曲率半径、壁厚、隔板直径、张角、锥角)对聚能杆式侵彻体成型指标(头部速度和头尾速度差)影响的主次顺序,获得了K装药结构参数的最佳组合。进行了X光成像及侵彻钢靶实验,侵深达到装药口径的3.73倍,侵彻孔径为装药口径的0.36倍,侵彻孔径较均匀。数值模拟结果与实验结果吻合较好,研究结果为串联聚能装药技术的进一步研究提供了参考依据。     

增强后效复合药型罩结构的数值模拟

针对增强聚能射流的破甲后效问题,设计了等壁平顶锥形铜铝双层复合药型罩装药结构,采用冲击波物理显示欧拉动力学软件SPEED开展复合射流成型及对钢-铝间隔靶侵彻过程的数值模拟,分析内外双层药型罩高度比ε、药型罩锥角α等参数对复合射流成型和间隔靶侵彻性能的影响规律。研究结果表明:复合射流的头部速度随ε增大呈先减小后增加的趋势,在ε约为1/2时,可形成具有相近速度的铜铝同轴复合射流微元,利于铝射流微元与目标相互作用实现后效增强毁伤;且当α在50°~60°范围内时,复合射流中段为集中的铝射流微元,更利于侵彻后的爆炸或爆燃反应。对优化参数的复合药型罩结构数值模拟结果与文献公布的实验结果吻合较好。研究结果对增强后效聚能装药设计具有参考价值。     

大锥角罩聚能装药射流理论计算方法

 运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程，再结合射流分析理论，建立了大锥角聚能射流理论计算方法，并编制了射流分析程序ASCC（Analytical Shaped Charge Code）。通过与实验、数值模拟计算结果的比较，说明该方法是可行的，可以有效地计算大锥角罩的射流参数。     

大锥角罩聚能装药射药理论计算方法

运用平面爆轰驱动理论计算大锥角装药的药型罩加速过程,再结合射流分析理论,建立了大锥角聚能射流理论计算方法,并编制了射流分析程序ASCC (Analytical Shaped Charge Code).通过与实验、数值模拟计算结果的比较,说明该方法是可行的,可以有效地计算大锥角罩的射流参数.     

杆式射流对充液防护结构的毁伤机理及影响因素的数值模拟

运用ANSYS/LS_DYNA软件分析了聚能射流对充液结构的毁伤,初步获得了药型罩壁厚和材料等参数对聚能战斗部水下作用的影响特性。药型罩壁厚在0.04D_k~0.06D_k(D_k为装药直径)之间形成的射流对充液防护结构具有较优的侵彻性能;当δ<0.04D_k时,杆流成型结构较差,在水中的动能抗衰减性能较低;δ>0.06D_k时,射流的初始动能低,靶后效果差。药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料,其中纯铁射流的侵彻能力最高,钽射流在水中的动能抗衰减性能最好,紫铜射流具有较好的综合性能。     

材料颗粒度对粉末药型罩特性的影响

为研究粉末材料的颗粒尺寸及其分布对粉末药型罩特性的影响,以W、Cu粉末为药型罩的主体材料,添加少量Bi粉以增加其流动性,在配比一定的条件下,通过改变各组分的颗粒尺寸,制备了3种药型罩。利用扫描电子显微镜,观察了W、Cu粉末的颗粒形貌,发现W粉的颗粒形状为规则的结晶体,而Cu粉颗粒的形状不规则。对3种药型罩进行了微观结构观察、密度测定、维氏硬度测定以及破甲威力实验。结果表明:在粉末材料特性和配比一定的条件下,减小颗粒尺寸可有效提高粉末药型罩的致密性、密度和破甲威力,但对维氏硬度的影响不明显。     

不同罩材聚能装药对多层介质侵彻的实验与数值模拟

 为实现聚能装药对多层介质的大破孔侵彻,提出了钛合金药型罩聚能装药设计方案。采用实验与数值模拟相结合的方法,对钛合金、低碳钢及紫铜罩聚能装药侵彻多层介质进行了研究,分析了钛合金聚能侵彻体相对于紫铜和低碳钢侵彻体在成型过程中,其动能、头部速度及射流长度等的差异,并对侵彻过程中应力波的传播特性进行了分析。结果表明：相对于紫铜和低碳钢,钛合金罩聚能侵彻体的能量转换率高,所获得的动能大,头尾速度梯度小,外形更为短粗;虽对多层介质侵彻时侵彻深度有所减小,但漏斗坑尺寸明显增大,且平均破孔孔径提高了约20%。     

起爆方式对复合战斗部毁伤输出的影响

为了进一步提高复合战斗部的毁伤输出效率,基于一种可形成聚能侵彻体、预制破片和自然破片3种毁伤元的破甲杀伤复合战斗部结构,应用LS-DYNA数值仿真软件,研究了起爆点位置、起爆直径和起爆点数量对复合战斗部各毁伤元成型和能量输出的影响,讨论了实现战斗部毁伤威力可调的技术路径。结果表明:起爆点距药型罩越远、数量越多、起爆直径越大,由药型罩形成的聚能侵彻体的头部速度越高,头尾速度差和长径比越大,速度增益最高可达50%,可以实现爆炸成型弹丸(EFP)到聚能杆式侵彻体(JPC)转换;在装药内部轴线阵列多点起爆时,聚能侵彻体的成型基本仅与离药型罩最近的起爆点有关。对于预制破片,装药高度60 mm(P2)处起爆速度最快,增加起爆点数量和增大起爆直径可以有效提高预制破片的最高速度,但整体上最低速度仍在600 m/s上下波动,变化并不显著。对于壳体形成的自然破片,以平均速度来表征时,整体变化并不明显,速度增益不足10%,但合理的起爆方式可使壳体断裂形成的自然破片更均匀,有利于调整破片质量分布。通过控制起爆方式可在一定程度上实现复合战斗部毁伤威力可调,但对于破片速度的调控仍需进一步研究。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

高速杆式弹丸三维数值模拟

 应用LS-DYNA动力学分析软件对变球缺型罩装药结构下高速杆式弹丸的形成过程进行数值模拟研究，揭示了其成型机理，并研究了中心点起爆、四点同时起爆和环形起爆等三种起爆方式对高速杆式侵彻体的成型和性能参数的影响，得到了弹体的速度分布。数值计算结果显示：变球缺型罩装药结构能形成速度高、长径比大、质量分布合理的高速杆式侵彻体，其成型机理兼有聚能射流和翻转型爆炸成型弹丸的特点，即上半部罩微元直接向轴线压合，下半部罩微元向轴线压合时逐渐向后翻转变形。不同起爆方式下所形成的高速杆式弹丸的形状和性能参数有所不同，其中环形起爆所形成的弹体性能参数最优。实验结果所反映的起爆方式的影响规律与数值计算结果是一致的。     

纳米多晶铜的超塑性变形机理的分子动力学探讨

在聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中, 伴随着金属药型罩的晶粒细化, 从原始晶粒30-80 μm细化到亚微米甚至纳米量级, 从微观层面研究其细化机理和动态超塑性变形机理具有很重要的科学意义. 采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的单轴拉伸变形行为, 得到了不同晶粒尺寸下的应力-应变曲线, 同时计算了各应力-应变曲线所对应的平均流变应力. 研究发现平均流变应力最大值出现在晶粒尺寸为14.85 nm时. 通过原子构型显示, 给出了典型的位错运动过程和晶界运动过程, 并分析了在不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的塑性变形机理. 研究表明: 当晶粒尺寸大于14.85 nm时, 纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主; 当晶粒尺寸小于14.85 nm时, 变形机理以晶界运动为主, 变形机理的改变是纳米多晶铜出现软化现象即反常Hall-Petch关系的根本原因. 通过计算结果分析, 建立了晶粒合并和晶界转动相结合的理想变形机理模型, 为研究射流大变形现象提供微观变形机理参考.     

SPH方法对金属表面微射流的数值模拟

 光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法是一种无网格的拉氏计算方法,具有计算格式简单、易于计算大变形问题等优势。用二维SPH程序模拟了冲击加载下金属铝表面的沟槽状缺陷产生微射流的过程,得到了喷射物的总质量、最大速度和质量-速度曲线。还计算了相同深度、不同夹角的沟槽微射流,并与实验结果进行了比较。结果表明：计算得到的喷射物总质量和最大速度与实验结果符合较好,SPH方法对于估算金属表面的微射流提供了一种有效的数值模拟手段。     

激波作用下SF6气泡界面演化和射流发展的数值模拟

 数值研究了平面激波冲击氮气环境中SF₆气泡界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性,重点关注其中的激波聚焦及射流的产生和发展过程。在入射激波马赫数为1.23的情况下,给出了压力、密度、数值纹影和涡量等物理量的演化图像,定量分析了流场中压力最大值、密度最大值、射流速度、环量和斜压力矩随时间的变化关系。计算结果表明,平面激波冲击SF₆气泡过程有很强的聚能效应,在气泡内部靠近下游极点处发生激波近似理想聚焦和点爆炸现象,直接导致出现二次波系以及向下游运动的细长射流结构。相比入射激波,二次波系产生斜压力矩和涡量的能力要弱得多。     

L-R两步欧拉方法在铝材料微喷射中的应用

应用三维弹塑性流体力学Lagrangian-Remapping两步欧拉计算方法对铝材料微喷射现象进行了数值模拟研究。计算了Asay实验中表面刻有相同深度、不同夹角沟槽的金属铝微喷射模型,计算得到的微喷物总质量、最大射流速度和实验结果均符合较好。进一步展开了对相同深度、更大夹角范围沟槽微喷射的数值模拟。分析认为喷射最大速度随沟槽角度的增大呈线性下降趋势。同时给出了喷射系数随沟槽角度的变化的拟合关系曲线,看到由于材料强度及沟槽角度变化后造成的波系关系变化的影响,随着沟槽角度增加,喷射系数曲线呈明显非线性发展。