
兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 231193-.doi: 10.12382/bgxb.2023.1193
收稿日期:2023-12-17
上线日期:2024-03-05
通讯作者:
LIU Zhenxian, JIANG Jianwei*(
), LI Mei, XIE Hongwei
Received:2023-12-17
Online:2024-03-05
摘要:
压环是爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)装药结构中紧固装药和药型罩不可缺少的部件。为研究其在爆炸驱动过程中对药型罩形成EFP特征的影响,选取典型球缺型紫铜药型罩基准装药结构,采用有限元分析软件的拉格朗日、任意拉格朗日-欧拉、光滑粒子流法(Smooth Particle Hydrodynamics,SPH)及有限元法(Finite Element Method,FEM)-SPH自适应耦合等算法分别建模和仿真计算,对各算法计算获得的EFP速度和形态特征与脉冲X光摄影拍摄的EFP图像进行对比,采用FEM-SPH算法获得高精度的EFP成型仿真结果。针对该基准装药结构,在压环与药型罩质量比MR/ML≤0.2范围,进行矩形及非矩形压环参数(如轴向、径向厚度及截面形状)和材料对EFP初速、质量转换比、长径比和气动特性(密实度及迎风面积)参数影响的仿真计算。研究结果表明:矩形截面压环的轴向、径向厚度及材料参数对EFP初速影响在3%以内;对EFP质量转换比呈递减趋势(最大可降低12.6%);对EFP长径比呈递减趋势(最大可降低19.2%);密实度呈递增趋势,钢环较无压环,EFP的密实度提高32.6%;迎风面积呈递减趋势。以上结果表明考虑压环有利于EFP翻转成型和形成更密实的杆式EFP,并减小其迎风阻力。所得研究结果可为EFP装药结构的优化设计提供指导。
中图分类号:
刘贞娴, 蒋建伟, 李梅, 谢泓炜. 压环对爆炸成型弹丸成型影响的高精度仿真分析[J]. 兵工学报, 2025, 46(1): 231193-.
LIU Zhenxian, JIANG Jianwei, LI Mei, XIE Hongwei. High Precision Simulation of the Influence of Pressing Ring on EFP Forming Properties[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(1): 231193-.
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 铜 | 钢 | 铝 | 铜 | 钢 | 铝 | |||||||||
| ρ/ (g·cm-3) | 8.96 | 7.85 | 2.78 | D1 | 0.54 | 0.10 | 0.13 | |||||||
| A/MPa | 90 | 506 | 265 | D2 | 4.89 | 0.76 | 0.13 | |||||||
| B/MPa | 292 | 320 | 426 | D3 | -3.03 | 1.57 | -1.50 | |||||||
| n | 0.31 | 0.28 | 0.34 | D4 | 0.014 | 0.005 | 0.011 | |||||||
| C | 0.025 | 0.064 | 0.015 | D5 | 1.12 | -0.84 | 0 | |||||||
| m | 1.09 | 1.06 | 1.70 | |||||||||||
表1 金属材料J-C模型参数[21-22]
Table 1 J-C model parameters of liner[21-22]
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 铜 | 钢 | 铝 | 铜 | 钢 | 铝 | |||||||||
| ρ/ (g·cm-3) | 8.96 | 7.85 | 2.78 | D1 | 0.54 | 0.10 | 0.13 | |||||||
| A/MPa | 90 | 506 | 265 | D2 | 4.89 | 0.76 | 0.13 | |||||||
| B/MPa | 292 | 320 | 426 | D3 | -3.03 | 1.57 | -1.50 | |||||||
| n | 0.31 | 0.28 | 0.34 | D4 | 0.014 | 0.005 | 0.011 | |||||||
| C | 0.025 | 0.064 | 0.015 | D5 | 1.12 | -0.84 | 0 | |||||||
| m | 1.09 | 1.06 | 1.70 | |||||||||||
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρe/(kg·m-3) | 1.70 | R1 | 4.60 |
| pC-J/GPa | 29.50 | R2 | 1.35 |
| Ae/GPa | 854.5 | ω | 0.25 |
| Be/GPa | 20.49 | E/GPa | 8.50 |
| D/(m·s-1) | 8315 |
表2 炸药JWL状态方程模型参数[23]
Table 2 JWL model parameters ofexplosives[23]
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| ρe/(kg·m-3) | 1.70 | R1 | 4.60 |
| pC-J/GPa | 29.50 | R2 | 1.35 |
| Ae/GPa | 854.5 | ω | 0.25 |
| Be/GPa | 20.49 | E/GPa | 8.50 |
| D/(m·s-1) | 8315 |
| 药型罩/压环算法以及试验值 | 长径比 | 初速v0/(m·s-1) |
|---|---|---|
| Lagrange | 2.88 | 2072 |
| ALE | 2.80 | 2091 |
| SPH | 2.90 | 2159 |
| FEM-SPH | 3.06 | 2126 |
| Lagrange/FEM-SPH | 2.94 | 2147 |
| FEM-SPH/Lagrange | 3.09 | 2176 |
| 试验值 | 3.24 | 2120 |
表3 170μs时刻EFP参数仿真结果与测试结果对比
Table 3 Comparisonamong calculated and test results of EFP characteristic parameter values
| 药型罩/压环算法以及试验值 | 长径比 | 初速v0/(m·s-1) |
|---|---|---|
| Lagrange | 2.88 | 2072 |
| ALE | 2.80 | 2091 |
| SPH | 2.90 | 2159 |
| FEM-SPH | 3.06 | 2126 |
| Lagrange/FEM-SPH | 2.94 | 2147 |
| FEM-SPH/Lagrange | 3.09 | 2176 |
| 试验值 | 3.24 | 2120 |
| 压环材料 | ρ/(g·cm-3) | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 钢压环 | 7.85 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
| 铝压环 | 2.78 | 2091 | 3.38 | 0.67 | 232.35 | 0.91 |
| 无压环 | 0 | 2074 | 3.61 | 0.56 | 380.13 | 0.99 |
表4 不同压环材料下EFP特征参数值(170μs时刻)
Table 4 Calculated results of characteristic parameter values of EFPs with and without pressing rings made of different materials (170μs)
| 压环材料 | ρ/(g·cm-3) | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 钢压环 | 7.85 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
| 铝压环 | 2.78 | 2091 | 3.38 | 0.67 | 232.35 | 0.91 |
| 无压环 | 0 | 2074 | 3.61 | 0.56 | 380.13 | 0.99 |
| h/Dc | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0089 | 2110 | 3.30 | 0.77 | 586.21 | 0.96 |
| 0.0178 | 2112 | 3.15 | 0.78 | 380.13 | 0.94 |
| 0.0267 | 2122 | 3.12 | 0.77 | 232.89 | 0.91 |
| 0.0357 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
表5 不同径向厚度下EFP特征参数值(170μs时刻)
Table 5 Calculated results of characteristic parametervalues of EFPs with different radial thicknessesof pressing ring(170μs)
| h/Dc | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0089 | 2110 | 3.30 | 0.77 | 586.21 | 0.96 |
| 0.0178 | 2112 | 3.15 | 0.78 | 380.13 | 0.94 |
| 0.0267 | 2122 | 3.12 | 0.77 | 232.89 | 0.91 |
| 0.0357 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
图15 不同压环径向厚度下φ/φ0-h/Dc、Ar/Ar0-h/Dc 曲线(170μs时刻)
Fig.15 φ/φ0-h/Dcand Ar/Ar0-h/Dc curves of EFPs with different radial thicknessses of pressing ring(170μs)
| l/Dc | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0178 | 2084 | 3.65 | 0.56 | 346.36 | 0.98 |
| 0.0357 | 2098 | 3.38 | 0.73 | 226.98 | 0.91 |
| 0.0535 | 2120 | 3.07 | 0.79 | 240.53 | 0.88 |
| 0.0714 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
表6 不同轴向厚度下EFP特征参数值(170μs时刻)
Table 6 Calculated results of EFP characteristic parameter values of EFPs with different axial thicknesses of pressing ring(170μs)
| l/Dc | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0178 | 2084 | 3.65 | 0.56 | 346.36 | 0.98 |
| 0.0357 | 2098 | 3.38 | 0.73 | 226.98 | 0.91 |
| 0.0535 | 2120 | 3.07 | 0.79 | 240.53 | 0.88 |
| 0.0714 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
图19 不同压环轴向厚度下φ/φ0-l/Dc、Ar/Ar0-l/Dc 曲线(170μs时刻)
Fig.19 φ/φ0-l/Dcand Ar/Ar0-l/Dc curves of EFPs writh different axial thicknesses of pressing ring(170μs)
| 截面形状系数ζ | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 2124 | 3.39 | 0.71 | 431.89 | 0.89 |
| 0.75 | 2120 | 3.17 | 0.74 | 268.22 | 0.89 |
| 1 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
表7 不同截面形状下EFP特征参数值(170μs时刻)
Table 7 Calculation results of EFP characteristic parameter valuesof EFPs with different sectional shapes of pressing ring(170μs)
| 截面形状系数ζ | v/(m·s-1) | λ | φ | Ar/mm2 | η |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.5 | 2124 | 3.39 | 0.71 | 431.89 | 0.89 |
| 0.75 | 2120 | 3.17 | 0.74 | 268.22 | 0.89 |
| 1 | 2126 | 3.06 | 0.83 | 254.47 | 0.88 |
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