线型聚能水射流的数值模拟自动灌装机

线型聚能水射流的数值模拟

线型聚能水射流的数值模拟 2012年10月15日 线型聚能装药也称为切割装药，是聚能装药的一种，利用它可制成各种爆炸切割器用于切割金属和其它材料，该技术已经在军事领域和民用领域得到广泛应用，形成了比较成熟的理论。近年，爆炸成形聚能水射流由于其独特的作用特性逐渐被重视，国外在这方面的研究比较成熟，已经达到应用的要求，如美国的M5型销毁器，而我国对该技术研究相对落后。由于本身特性的不同，相对于金属射流，水射流具有速度衰减快、附带损伤低和能量密度低等特点，可广泛应用于反恐营救、弹药销毁和抗震救灾等领域。 随着人们的不断探索和算机技术的发展，用有限元软件对爆炸成形聚能射流的形成过程和其作用过程的分析计算已经得到人们的认可，本文将借助Ls_dyna软件对线性聚能水射流的形成过程和作用过程进行模拟、分析。1 计算模型1．1基本假设 本文将采用三维有限元程序Ls_dyna对线型聚能射流形成的过程进行模拟，以期更为真实的反应金属药型罩的压垮射流形成、拉伸以及断裂的全过程。在对模型进行分析的基础上给出如下的基本假设：炸药、药型罩和外壳壳体材料为均匀连续介质；忽略水的挥发，整个过程为绝热过程；装药结构为严格的俩对称结构；采用顶部线性起爆模式。1.2 几何模型 本文采用如图l所示的线型聚能装药的基本结构，参数：药型罩横向宽度为30mm，纵向长度200mm，水药性罩包覆壳体，顶部厚度l.8 mm，外母线长23 mm，药型罩内外锥角分别为94°和90°，装药高度l8 mm，模型装药为RDX，起爆时采用导爆索进行线性起爆。装药结构外壳和水的薄膜外壳均采用薄的非金属材料。

1.3 材 料模型 在线性聚能水射流成形及破甲的数值模拟中，涉及到炸药、药型罩、空气和钢靶四种材料模型，其具体材料模型设置如下：1.3.1 炸药 程序提供了MAT_HIGH-EXPLOSIVE—BURN高能炸药材料模型，爆轰产物压力与体积关系采用JWL状态方程。1.3.2 药型罩(水) 采用空白材料模型并与状态方程连用对水进行模拟，由于炸药的爆轰瞬时产生极高的压力，故计算中忽略水和壳体的强度。1.3.3 空气 采用空白材料模型和EOS GRUNEISEN状态方程捕述。1.3.4 钢靶 采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC弹塑性材料模型。

2 创建有限元模型 数值模型由炸药、药性罩、空气、钢靶四部分组成，炸药、药性罩和空气三种材料采用Euler网格建模，为增加计算的准确性，单元使用多物质ALE算法，在模拟侵彻过程中，钢靶采用Lagrange网格建模，钢靶与空气、药性罩材料采用耦合算法。为了建模方便，模型建立时采用单层实体网格建模。计算模型根据初始边界条件建立二分之一模型，模型的起爆点位于顶部中心位置，省略了装药壳体和水的壳体。3 水射流形成过程的数值模拟 线性聚能水射流在爆炸作用下形成过程的数值模拟结果如图2所示，分别是各个典型时刻聚能水射流的形态。从图中可以清晰地看到：t=0μs是炸药的初始状态，如图2(a)所示；t=1.7μs时，水在爆炸压力的驱动作用下向对称平面产生加速运动，并且在对称平面上发生碰撞，高速水射流的头部开始形成，如图2(b)所示；射流头部形成后，由于水连续被驱动致使流入射流部分的质量和能量在初始阶段不断增加，射流处于加速过程，如图2(c)所示；随着射流质量和能量流入量的减少，射流头部速度逐渐降低，并沿射流长度方m递减，射流内部存在着速度梯度，所以射流在运动过程中不断拉伸，最终水射流的速度稳定在3．2 km／s左右，如图2(d)所示。4 水射流侵彻过程的数值模拟 线性聚能水射流侵彻钢靶(45#钢)过程的数值模拟结果如图3所示，．显示了各个典型时刻聚能水射流的形态。从图中可以清晰的看到：t=0μs是初始状态，如图3(a)；t=6μs时，水在炸药爆炸压力的作用下加速形成水射流，如图3(b)；t=7.5μs时，水射流开始侵彻钢靶，射流头部速度在钢靶反作用力下开始降低，如图3(c)； t_12μs时，高速水射流已经完全穿透钢靶，并开始急速向径向飞散，同时轴m速度继续下降；速度下降到1．1km／s左右，如图3(d)。5 爆炸形成水射流特性分析

图4为水射流形成过程中射流头部速度曲线，显示了各个时刻的射流头部速度。由图中可以清晰看出，在0．65μs时，炸药爆炸产生的压力开始驱动水向前运动，随后射流头部速度处于不断加速过程中，在2.2μs时达到了最高的4.Okm／s左右，随着射流质量和能量流入量的减少，开始下降最终稳定在3.2 km／s左右。由仿真结果得出，线性水射流断裂时问出现在12.8μs～13.2μs时，此时射流头部速度为3.1 km／s左右。 由参考文献【2】，聚能装药要形成良好的爆炸成形射流，压合速度应满足

6 结语 本文采用了有限元分析软件Ls_dyna对线性聚能水射流的形成和作用过程进行了数值模拟，并对爆炸成形的线性水射流的特性进行分析讨论，分析表明：采用炸药爆炸的驱动作用形成线性聚能水射流能够可用于切割金属和其它材料。与金属射流相比，水射流穿透钢靶后，射流迅速分散、失效，不会形成雾化的金属粉术，具有附带损伤低的特性。爆炸形成线性水射流与炸药厚度、药性罩形状有重要的关系，还需要进一步研究探讨。本文的研究结果对爆炸形成线性水射流的结构设计有重要的意义

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