锥角比对双锥药型罩射流成型影响的数值模拟

为了研究双锥药型罩上下锥角比对射流成型质量的影响,通过数值模拟方法研究了不同锥角比双锥药型罩所形成射流的头部最大速度、动能、射流长度和有效射流长度。研究结果表明:锥角比越大,射流头部最大速度越低;上锥角较小时产生的射流动能随锥角比增加而降低,上锥角较大时产生的射流动能随锥角比增加而增加;射流长度和有效射流长度随锥角比的增加而降低。

双锥药型罩射流成型的理论建模与分析

为了提高射流在侵彻全过程的破甲效率,设计了一种顶部小锥角、口部大锥角的双锥形药型罩;基于PER理论,利用Gurney公式和Chanteret公式联合求解药型罩压垮速度,建立了封闭的射流成型理论模型;利用理论模型和数值模拟计算并分析了40°和80°锥角单锥罩与上、下锥角分别为40°、80°双锥罩射流的成型形状和成型参数,通过数值模拟研究了双锥罩结构参数(双锥罩上锥角、上锥高占罩高的比例、罩高和壁厚)对射流头部速度和拐点速度的影响,并通过X光试验获得了双锥罩射流的成型效果。结果表明,在头部颗粒堆积点之后,单锥罩与双锥罩射流分别呈线性与双线性分布,双锥罩射流兼顾了上锥高头部速度、下锥射流直径较大的优点;当上锥角从18°增大到34°时,头部速度降低了10.4%,而拐点速度降低了25%;当双锥罩上锥高占罩高比例从30%增大到70%,头部速度增加了11.8%,拐点速度降低了19.9%;当罩高从125 mm增大到155 mm,头部速度增加了4.2%,拐点速度降低了11.4%;当壁厚从1.8 mm增大到3.4 mm,头部速度降低了8.4%,而拐点速度降低了18.4%。通过理论分析、数值模拟和X光试验结果的对比,得到三者的射流成型吻合较好。

基于正交设计试验的双锥药型罩结构优化

双锥药型罩成形的影响因素复杂,其壁厚、上锥角、下锥角以及上锥高度占比4个参数对形成射流的特性、侵彻性能产生重要影响。基于正交设计方法分析以上因素对射流特性及侵彻能力的影响。选取双锥药型罩的以上4个参数为正交优化的4个因素,将射流头部速度、速度梯度以及有效长度作为优化时主要的评价指标,对双锥药型罩进行结构方案优化。通过分析双锥药型罩数值仿真优化结果,得到药型罩上锥角为25°、下锥角为55°、壁厚为3.5 mm、上锥占比60%时,其形成的射流具有较好的破甲效果。

双锥药型罩结构参数对聚能射流的影响

为探究双锥药型罩结构参数对聚能射流速度的影响,采用数值仿真模拟双锥型药型罩形成射流的过程。结果表明:双锥药型罩较单锥结构形成的有效射流更加密集,且形成射流的头部最大速度及射流平均速度均大于单锥药型罩。通过因素影响分析结果可知,大、小锥罩角度的变化对射流头部速度影响均显著,且大、小锥罩角度差距越大,形成射流的平均速度越大,同时还能保持较高的射流头部速度。双锥罩罩顶距壳体起爆点距离越小,形成的射流头部最大速度越大,且侵彻深度越深;距起爆点越远,形成射流的平均速度越大,侵彻扩孔能力越强。

辅助型双锥药型罩结构的数值仿真优化

为提升聚能射流的侵彻能力,优化射流形态,在双锥型药型罩基础上,提出一种辅助型双锥药型罩。采用数值仿真方法比较辅助型双锥药型罩与双锥型药型罩形成的射流性能的优劣差异。试验结果表明:在药型罩装药厚度与大小锥角相同情况下,由辅助型双锥药型罩形成的超聚能射流头部最大速度为10 541 m/s,t=50μs时射流长度为378.00 mm,比双锥型药型罩形成的射流头部最大速度提升25.90%,射流长度提升13.00%。运用正交试验对辅助型双锥药型罩的结构参数进行优化设计,得出优化设计参数:药型罩小锥角α=45°、药型罩大锥角β=100°、辅助药型罩厚度h=3.5 mm、辅助药型罩半径d=20 mm。优化后即提升了射流头部最大速度与射流长度,同时降低头部速度下降梯度,达到了提升射流侵彻能力的目的。

罩顶材料对双锥药型罩成型及侵彻性能的影响

为提高聚能射流的侵彻性能,提出一种双锥药型罩,通过改变部分罩顶材料,探究其对射流成型及侵彻性能的影响。以钨、钽、镍为罩顶材料,用LS-DYNA软件对不同罩顶材料高度占比下(h/H)钽-铜、钨-铜、镍-铜双锥药型罩和单铜双锥药型罩的射流形成和侵彻钢靶板过程进行数值模拟。结果表明:钨-铜型对头部速度的提升最大,但易断裂,镍-铜型的头部速度最小,钽-铜型成型最好且对侵彻性能的提升最大。当h/H=0.32时,钽-铜结合双锥药型罩形成的射流与单铜双锥罩相比,头部速度提高15%,射流长度增加2.1%,射流侵彻深度提高7.9%,破孔口径提高64%。相比单铜药型罩,双锥药型罩提升大。

基于正交设计方法的双锥罩结构优化设计

设计了一种双锥药型罩,借助数值模拟和实验手段研究其成形及侵彻机理,利用正交设计方法研究不同结构的射流成形性能。结果显示:该双锥罩在爆轰波作用下形成高速射流、翻转弹丸和杵体;小锥角2α显著影响射流头部速度;罩厚t'及大锥角2β高度显著性影响弹丸速度;最佳设计参数为:t'=0.14 cm、2α=50°、2β=135°、小锥角与大锥角罩口直径比N=0.4或0.5,其射流速度分别为6 613、6 839 m/s,弹丸速度分别为2 247、2 095 m/s,侵彻钢靶深度分别为8.24、8.31 cm,开口孔径分别为2.12、2.08 cm。最终优化的双锥罩结构合理,既保证了射流速度,又大大提高了弹丸速度,射流和弹丸先后侵彻目标,达到双重毁伤的目的;在低密度装药和小炸高条件下侵彻效果较理想。

不同上下罩高对复合药型罩射流形成影响的数值模拟

在两种双锥罩的基础上,设计4种变壁厚和等壁厚相结合的复合双锥药型罩。应用LS-DYNA3D有限元程序,采用ALE方法对复合药型罩的小锥角聚能装药,在5种不同上下罩高比例的情况下射流形成过程进行数值模拟。结果表明:采用罩壁外母线为直线、上锥罩为等壁厚和下锥罩为变壁厚相结合的复合药型罩,射流速度梯度高于两种双锥罩和其他3种复合药型罩,且当上下罩高比例为5/5时,射流头部速度达到最大,为7 174 m/s;4种复合药型罩在上下罩高比例为7/3时,均出现射流较短并且射流中段较早发生失稳断裂的情况。

两种典型串联聚能射流的数值模拟

为了进一步提高金属射流量和破甲深度,设计了单锥和双锥药型罩相结合的两种不同结构的串联药型罩,且利用Truegrid和有限元软件LS-DYNA对两种聚能射流的形成及侵彻钢板的过程进行了数值模拟。结果表明:这两种结构均能很好的形成射流,能够有效提高射流对靶板的侵彻深度,且以双锥罩为前级的装药结构形成的射流比以单锥罩为前级的装药结构形成射流的速度要高,前者的穿孔孔径较后者要大,在相同条件下,前者对靶板的穿深较后者要深。

定向聚能爆破在矿井巷道掘进中的数值研究

为了进一步提高定向聚能爆破的效果,利用数值仿真软件LS-DYNA3D,采用ALE方法设计了单锥和双锥药型罩相结合的两种不同的串联药型罩结构,对两种聚能射流的形成及侵彻作用过程进行了数值模拟。计算结果表明:两种结构均能很好的形成射流,能够有效提高射流对目标的侵彻深度,且以双锥罩为前级的装药结构形成的射流比以单锥罩装药结构形成射流的速度要高,前者的穿孔孔径较后者要大。

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 250m/s和1 620.9m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1mm和8.6mm。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69.6mm。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28.1mm和8.8mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70mm和17mm。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。