用户佳作赏析：杆式射流对充液防护结构毁伤机理的数值仿真探究

写在前面

『Ansys LS-DYNA用户案例竞赛』活动全程收获来自多个行业CAE从业人员的积极参与，总计收到近90篇投稿作品，所有作品都已在2021 Ansys Innovation大会同期的“用户优秀作品展示” 中供观众赏阅。会议期间LS-DYNA专题分会场的LiveShow演播室更设有对用户案例进行详细解读的环节，同时，多位作品作者也受邀成为本届大会主题报告的演讲嘉宾。本期开始Ansys中国微信公众号将连载发布所有获奖作品，详尽展现用户如何从Ansys工程仿真解决方案中获益，诚邀各位近距离观赏他们的应用实践真知，希望通过这些杰出的工程仿真实践指导更多用户。

[ 摘 要 ]  

本文以聚能战斗部对充液防护结构的毁伤为研究背景，运用Ansys LS-dyna分析了药型罩壁厚和材料对充液防护结构毁伤效能的影响。结果表明：药型罩壁厚在0.04Dk~0.06Dk之间形成的杆流对充液防护结构具有较优的侵彻性能，δ<0.04Dk，杆流成型结构较差，在水中的动能抗衰减性能较低，δ>0.06Dk，杆流初始动能低，穿透水层后的剩余能量小，无法形成较大的后效；药型罩可采用纯铁、紫铜和钽3种材料，其中纯铁杆流的侵彻能力最高，钽射流的水中动能抗衰减性能最好，紫铜射流具有较好的综合性能。

1 背景

多层装甲与充液舱组合模式是现代常用的防护结构，常规的水下爆破战斗部很难对其造成致命性的打击。为了高效打击水面目标，遂采用聚能战斗部技术。现目前针对聚能战斗部水下作用效应的研究较少，本文主要考虑药型罩结构和材质对聚能射流毁伤充液防护结构的影响。以半球型聚能战斗部为设计依据，在战斗部装药结构不变的条件下，通过数值计算的方法研究了不同壁厚、不同罩材的药型罩对杆射流成型效果及杆流对充液防护结构毁伤效果的影响，得到了有利于侵彻多层充液防护结构的药型罩壁厚范围和材料。

2 杆流侵彻充液防护结构数值计算模型

2.1数值计算模型

为了研究杆式射流对充液结构的毁伤机理，文中设计了一种半球形聚能装药战斗部，结构如图 1所示。该战斗部主装药采用B炸药，装药直径Dk和装药高度H均为5cm；药型罩采用等壁厚的半球形结构，外球面半径为R，内球面半径为r，壁厚δ为内外球面半径之差，即δ=R-r，材料为紫铜；起爆点位于主装药尾部中心位置处。

图 1 杆式射流聚能战斗部结构

本文所研究的充液防护结构为金属板和水介质组成的多层复合结构，充液防护结构的具体结构如图 2所示。由图可知，该结构主要由液舱前、后壁面、后效靶、水和空气组成，其中液舱内的水介质厚度为30cm，前壁面和后壁面厚度均为0.4cm，后效靶由3块厚度均为1cm的等间距间隔钢板组成，后壁面与后效靶之间为空气介质。液舱壁面和后效靶均采用45钢。

图 2 充液防护结构示意图

运用Ansys LS-dyna有限元分析软件建立了聚能战斗部对充液防护结构侵彻的二维数值计算模型，如图 3所示，该数值计算模型主要包含了聚能战斗部、空气和充液防护结构，计算中聚能战斗部的侵彻炸高保持1倍装药直径不变。采用Euler单元描述水、空气、炸药和药型罩，靶板采用Lagrange算法，Euler单元和Lagrange单元运用流固耦合算法进行耦合，在空气计算域边界添加2D非反射边界条件，防止冲击波在边界处形成压力反射现象。模型采用g-cm-μs单位制建立，网格尺寸为0.05cm。

图 3 数值计算模型

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL状态方程描述B炸药；空气和水均采用*MAT_NULL空白材料模型及*EOS_Gruneisen状态方程描述；采用*MAT_Johnson_Cook模型和*EOS_Gruneisen状态方程描述钢板和药型罩。

2.2计算结果准确性验证

为了验证文中数值计算结果的准确性，进行了EFP水中飞行特性研究试验，利用文中的数值计算方法和材料参数，建立了EFP侵彻水介质间隔靶数值模型，网格尺寸为0.05cm。不同时刻EFP在水中的侵彻过程对比如图 4所示，可知数值计算结果体现了试验中观察到的水中气腔形态的变化过程以及EFP的破碎情况，图 5为EFP在水中的位移时间曲线对比情况，计算误差在11%以内。可见，本文的数值计算方法以及材料模型能够真实反映出聚能侵彻体对充液防护结构的侵彻过程。

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