装药爆炸过程中聚能射流行为模拟
聚能装药射流形成的自适应物质点法模拟
聚能装药射流形成的自适应物质点法模拟马上;张雄【期刊名称】《固体力学学报》【年(卷),期】2009(30)5【摘要】聚能装药可用来穿透装甲、岩石、混凝土等高强度目标,在国防工业以及石油工业有重要应用.质点类无网格法,如SPH和MPM,可以避免网格畸变,比基于网格的传统方法更适合聚能装药问题的模拟.该文针对物质点法中可能发生的数值断裂问题,提出了自适应分裂质点的方案.当质点在某一方向的累积应变达到一定阈值,即将质点一分为二,从而使物质点法可以更有效的表达射流形成过程中强烈的拉伸变形.采用C++语言编制了可自适应分裂质点的三维物质点法程序MPM3DPP,应用Johnson-Cook材料模型用来考虑应变率效应和热软化效应,Mie-Gruneisen 状态方程用于金属在高压下的压力计算,Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程用于描述爆炸产物等膨胀过程,并在压力项加入人工粘性用来处理冲击波.模拟并分析了爆炸飞片、聚能射流等问题,通过数值模拟,对射流形成过程中的变形情况以及温度、速度的分布进行分析.模拟结果和经验公式吻合.【总页数】5页(P504-508)【关键词】聚能射流;物质点法;自适应;大变形;数值模拟【作者】马上;张雄【作者单位】清华大学航天航空学院【正文语种】中文【中图分类】O344.4;TJ510.36【相关文献】1.线型聚能装药射流形成的数值模拟 [J], 刘红利;徐立新;张国伟2.占据式聚能装药射流形成的数值模拟及试验研究 [J], 徐全军;白帆;伍睿星3.大锥角聚能装药射流形成及对钢靶侵彻的数值模拟 [J], 胡晓艳;刘天生;王凤英4.线型聚能装药射流形成及侵彻靶板的数值模拟 [J], 章媛;苟瑞君5.夹层聚能装药形成杆式射流数值模拟 [J], 徐全振;尹建平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
聚能战斗部起爆方式对射流成形的影响分析
聚能战斗部起爆方式对射流成形的影响分析作者：汪家祥来源：《科学与财富》2018年第19期摘要：采用有限元分析软件对聚能战斗部爆破形成射流的过程进行仿真模拟。
在药型罩、炸药等参数相同的情况下，改变起爆方式，对射流形态和射流的基本参数变化进行对比分析。
结果表明，采用多点（环形）起爆方式在射流形成时间、速度及射流拉伸长度方面较单点（中心）起爆有了一定提高。
关键词：聚能战斗部；起爆方式；有限元分析0 引言聚能战斗部主要由金属药型罩、壳体、炸药装药和起爆序列组成，装药爆炸后，爆炸产物产生爆轰波形成足够压力压垮药型罩，使药型罩从顶部发生翻转，形成聚能射流（EFP）。
其中EFP的运动状态，尤其是速度，是研究中的重点，在给定装药和药型罩的前提下，起爆方式直接影响着射流的有效质量及速度梯度。
本文在起爆方式对射流影响方面进行了数值模拟及分析。
1 爆轰波C-J理论爆轰波形的控制是多模毁伤形成的关键。
通过改变起爆方式，合理控制爆轰波形，可以实现不同毁伤元的转换。
Chapman和Jouguet提出了爆轰波C-J理论。
爆轰波是一种伴有化学反应的冲击波，由于爆轰波在炸药中传播时得到了炸药本身化学反应时放出的能量，因而可以抵消它在传播过程中损失的能量，保证整个过程的稳定性，直到炸药反应结束为止。
研究表明，不同起爆方式下爆轰波压垮药形罩形成毁伤元的参数不尽相同，其中单点起爆产生恒定的C-J爆轰压力，而环形起爆由于爆轰波的相互碰撞，使得碰撞点爆轰波压力高出C-J压力很多，尤其是当碰撞产生马赫波时，高压爆轰不只产生在一点，而是形成了一定长度的马赫杆，同时高压爆轰波压力可达C-J压力的3倍以上。
2 数值模拟应用非线性动力学软件AUTODYN 进行数值计算，采用Euler算法，该算法可以很好地解决大应变、高应变率的问题。
网格模型为二维轴对称模型，设置无反射边界条件，使所有物质在边界处无障碍流出。
2.1 计算模型采用JH-2装药，装药口径为38mm，装药高度为46.5mm；壳体壁厚1mm，采用Al2A12；药型罩采用军用紫铜材料，锥角为83°，壁厚1.5mm，罩顶高20mm。
聚能破甲过程 及数值模拟
修改后的网格导入autodyn时只能选取Lagrange或 ALE,但是对于EFP问题，炸药和药型罩网格需要设置成 Euler式，这时还要进一步修改网格文件。
圆柱形装药作用在靶板上的有 效装药只是整个装药的很小一 部分，又由于作用面积较大， 因而能量密度较小，只能形成 很浅的凹坑。
当在锥孔内衬一个金属药型罩 时，爆炸产物压垮药型罩，在 轴线形成高温高速的金属射流， 由于金属的可压缩性很小，内 能增加很小，金属射流获得的 能量绝大部分表现为动能，避 免了气体膨胀引起的能量分散， 是使聚能作用增加，大大提高 了破甲能力。
Neumann于20世纪初理论上 分析了炸药爆炸的空穴效应
由爆轰波理论可以知道，爆炸时 产生的高温高压的爆轰产物将沿炸药 表面的法线方向向外飞散，通过角平 分线法可以确定作用在不同方向上的 有效装药。 有了空穴后，虽然 整体药量减少，但 按照角平分线法重 新分配后，有效药 量并没有减少。 而且由于空穴的存在， 爆轰产物会沿内表面法 线向轴线汇合，形成高 温、高压、高密度的气 流，又由于对靶板的作 用面积减小，能量密度 提高，所以能够炸出较 深的坑。 另一方面，由于稀疏波的 作用，汇聚到轴线处的爆 轰产物又会迅速地向周围 低压区膨胀，使能量分散。
利用TG建立三维模型计算进行 计算时存在的问题比较少，主要注 意两个问题： 1）模型尺寸与autodyn选取的单位 对应
2）修改生成的网格文件名称，使后 缀为.ZON
2 爆炸成型弹丸
根据模型尺寸以及autodyn中 要选取的单位，编辑命令流，输入 TG 药型罩
装药
TG建立二维模型导入autodyn计算时，导入的二维模型默认为 是壳单元，还需要对文件进行修改。 模型文件改为.zon文件之后用word打开，发现依旧为隐式3d 模型，需要手动修改文件。将第一行索引号的第一和第二个索引 号删除，并将第三列删除。
SPH方法在聚能装药射流三维数值模拟中的应用
第 ３期
爆
炸
与
冲
击
Ｖ ｏｌ３２。 Ｎ Ｏ ＿ ．３
Ｍａ ｙ， ２０ ｔ２
２１ ０ ２年 ５月
ＥＸＰＬＯ Ｓ１ Ｎ ０ ＡＮ Ｄ ＳＨ ＯＣＫ Ａ Ｖ ＥＳ Ｗ
文 章 编 号 ：１ ０ — ４ ５ ２ １ ） ３０ １ — ７ ０ １１ ５ （ ０ ２ ０ — ３ ６０
Ｓ Ｈ 方 法 在 聚 能 装 药 射 流 三 维 数 值 模 拟 中 的 应 用 Ｐ
李 磊 ， 沈兆武 李学岭。倪小军 ， ，
（ ． 国科 学 技 术 大 学 近 代 力 学 系 ， 徽 合 肥 ２ ０ ２ ； １中 安 ３０ ７ ２ 安 徽 方 圆机 电股 份 有 限公 司 ， ． 安徽 蚌 埠 ２ ３１ ） ３ ０ ０ 摘要 ： 用有限元软件 Ｌ － Ｙ 采 ＳＤ ＮＡ 中 的 Ｓ Ｈ 算 法 实 现 聚 能装 药 射 流形 成 过 程 的 三维 数 值 模 拟 。将 Ｓ Ｈ Ｐ Ｐ 方 法 和 Ｆ Ｍ 方 法 与 理论 计 算 结 果相 比较 。研 究 结 果 表 明 ：Ｐ 数 值 模 拟 计 算 过 程 十 分 稳 定 ， 免 了 有 限元 Ｅ ＳＨ 避 数 值 模 拟 过 程 中 的网 格 扭 曲 、 绕 和 物 质 穿 透 等 问题 ， 且 计 算 精 度 比有 限 元 方 法 更 高 ； 用 Ｓ Ｈ 方 法 计 算 缠 而 采 Ｐ 的射 流 速 度 、 流 长度 与有 限元 计 算 结 果 和理 论 计 算 结 果 的 误 差 均 小 于 ５ ， 此 该 方 法 对 于 模 拟 诸 如 聚 能 射 因 装 药 等 多介 质 、 变 形 问题 十 分 有 效 ； 始 相 邻 粒 子 数 Ｎ 的 最 佳 取 值 范 围 为 ６ ０ １８ ０ 在 该 范 围 内计 算 结 大 初 ０ ～ ０ ， 果 的误 差小 于 ３ ， 且计 算 效 率 高 。
W型微爆索聚能射流计算及数值模拟
W型微爆索聚能射流计算及数值模拟
随着爆炸聚能切割技术的发展,人们开始广泛利用微型聚能爆炸切割索(微爆索)去切割金属及其它脆性材料。
本文为了切割某水下设备的有机玻璃密封装置,设计了一种采用了挠性炸药,带有W型药型罩的微爆索,并对其性能进行了研究。
本文从试验、理论计算和数值模拟三个方面对W型微爆索进行了研究。
首先根据挠性炸药的传爆能力设计了截面尺寸为2.5*2.5 mm的微爆索,并通过10mm 有机玻璃切割试验验证了该微爆索的传爆能力和切割能力；然后根据现有的聚能射流准定常理论,给出了一种带侧壁药型罩的射流计算方法,编程计算了药型罩不同位置的压垮速度、压垮角和射流速度,分析了侧壁对射流速度的影响,结果表明了同尺寸的W型药型罩和V型药型罩,前者的射流速度更大,侵彻能力更强；最后利用LS-DYNA非线性动力学程序对W型微爆索侵彻钢板及有机玻璃靶板进行了数值模拟,模拟结果证明了该W型微爆索用于韧性材料时最佳炸高大于零,而用于脆性材料时最佳炸高接近于零。
另外在数值模拟时采用了自适应网格重划分、多物质ALE及SPH三种不同算法,发现在计算聚能射流侵彻这类大变形的非线性动力学问题时,三种算法的计算精度相差不多,而SPH算法不需要定义接触,不会发生网格畸变,且容易跟踪粒子信息获得位置、速度和加速度等结果,因此SPH算法在这类问题的数值计算方面更为适合。
聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析
23 期
韩秀清, 等: 聚能射流形成及破甲过程的数值模拟分析
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科学技术与工程
9卷
以上各图的标度条为图中各单元的应力大小, 以不同颜色清晰的表示。最上边的红色为最大值, 最下边的蓝色为最小值, 中间从下到上表示的应力 值逐渐增大。
3 炸高对聚能射流侵彻作用的影响
石油射孔弹药型 罩底径端面到靶 板之间的垂 直距离, 即所谓的炸高, 影响着聚能射流对靶板 ( 这 里是射孔枪壁 ) 的侵彻深度, 也就是 破甲深度。作 为算例, 在前述模型数据的基础上, 使用实验参数, 以期找到炸高这一参数 对侵彻深度的 影响。具体 模拟结果如表 1所示。
由于爆炸实 验费 用昂 贵, 试验 过程也 比较 漫 长和复杂, 测 量手段 和观 测条件 在很大 程度 上限 制了爆破的试验研究。利用流体力学和 动力学模 型来描述射流 的过程 需要综 合化学 反应 方程、反 应率方程、热 传导 方程、材料 本构关 系等 方程, 这 些方程只有在 很多假 设、极其简 化的情 况下 才能
1. 3 材料模型 在聚能装药射流形成及破甲的数值模拟中, 涉
及到炸药、药型罩和射孔枪 壁三种材料模 型, 其具 体参数在 K 文件里可显示。 1. 3. 1 炸药
程序提供了 MAT _H IGH _EXPLOS IVE _BURN 高 能炸药材 料模型, 爆 轰产物 压力 与体积 关系 采用 JW L 状态方程, 其一般形式为 [ 3] :
侵彻深度。因此, 最佳炸高为 22. 92 mm。
4 结语
运用大型有限元软件做前处理, 利用通用显式动 力分析程序对圆锥型聚能装药射流进行了数值模拟。 这样可以在不引入其他干扰因素的情况下, 对侵彻过 程进行计算, 遇到特殊点还可以任意跟踪和放大观 察[ 5] , 从而得到试验无法得到的数据。数值计算结果 符合石油射孔弹聚能装药射流的物理现象和规律, 存 在一定程度的误差, 但在工程允许的范围之内。
双层楔形装药ERA干扰聚能射流的数值模拟
双层楔形装药ERA干扰聚能射流的数值模拟高永宏;张明;刘迎彬;周杰;石军磊;孙淼;孙建军;万清华【摘要】在现有双层平板装药结构爆炸反应装甲(ERA)的基础上,设计了4种双层楔形装药ERA,利用模拟仿真软件LS-DYNA 3D对其干扰射流的能力进行评估,分别对侵彻过程中平板运动状态、射流头部的速度变化及偏转程度、杵体断裂情况、侵彻靶板的深度及分布等进行分析,以选出最优方案.对比发现:方案3聚能射流速度下降最快,侵彻深度最浅且分布均匀,拥有最好的防护性能;方案4次之;方案1较方案4差些;方案2最差.且方案3和方案4中出现类似于爆炸焊接原理形成的复合飞板层.合理使用楔形装药可以使射流切割更加均匀,增强坦克的防护性能,为以后在装药结构上的探索提供了理论依据.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2018(032)006【总页数】7页(P129-135)【关键词】楔形装药;爆炸反应装甲;聚能射流;LS-DYNA【作者】高永宏;张明;刘迎彬;周杰;石军磊;孙淼;孙建军;万清华【作者单位】中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051;中北大学环境与安全工程学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】O385爆炸反应装甲(Explosive Reactive Armor，ERA)具有体积小、质量轻、成本低、防护性能好等诸多优点，从发明至今，已广泛生产并装备于各国装甲车辆、坦克中。
双层平板装药的物理结构是将两平板装药平行放置，从而将单层装药的干扰效果叠加，更好地干扰射流的侵彻[1]。
线性聚能装药射流的二维数值模拟
线性聚能装药射流的二维数值模拟
费爱萍;郭连军;陈朝军;朱万刚
【期刊名称】《矿业研究与开发》
【年(卷),期】2007(27)2
【摘要】介绍了通用显式动力分析软件包LS-DYNA的显示算法。
应用ANSYS/LS-DYNA对线型聚能装药爆破的射流过程进行了二维仿真模拟,对其模拟结果进行了分析讨论;并对两种不同炸药参数的射流过程的模拟结果进行了对比。
计算结果与线型聚能射流的物理现象和规律相吻合,说明该计算模型和模拟方法合理、可行,可用于线型聚能切割器的优化设计。
【总页数】4页(P72-75)
【关键词】线型聚能装药器;聚能射流;数值模拟;LS—DYNA
【作者】费爱萍;郭连军;陈朝军;朱万刚
【作者单位】鞍山科技大学
【正文语种】中文
【中图分类】TD235.3
【相关文献】
1.线性装药聚能射流成型过程无网格MPM法数值模拟 [J], 王宇新;李晓杰
2.一种截顶线性聚能装药射流特性的数值模拟 [J], 关荣;张树海;李启发;苟瑞君;陈亚红
3.装药长径比对半球形聚能装药射流成型的数值模拟 [J], 张万君;李国辉;王凯琳;
吴晓颖
4.环形聚能装药尼龙射流成型及侵彻过程数值模拟研究 [J], 吉庆;王志军;伊建亚;董理嬴;汤雪志
5.不同口径聚能装药射流引爆带壳装药数值模拟 [J], 梁斌;余春祥;聂源;冯高鹏;卢永刚
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装药爆炸过程中聚能射流行为模拟
装药爆炸过程中聚能射流行为模拟
1. 聚能效应简介
聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，即炸药爆炸后，爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的。
因此，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。
这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。
聚能效应的应用非常广泛，在军事上，可用来生产穿甲弹、碎甲弹、反坦克枪榴弹等，用于对付各种装甲目标；在工程爆破中，可在土层和岩石上打孔，其中在石油工程领域的应用最为典型；另外，聚能效应也可用于水下切割构件，在野外切割钢板、钢梁等。
图1显示了不同装药结构的穿孔能力。
图1.a中爆轰产物向柱型装药四周均匀飞散，药柱底部爆轰产物作用于靶板；图1.b中装药锥孔部分的爆轰产物飞散时，向轴线集中会聚成速度和压力很高的气流，爆轰产物的能量集中在较小的面积上，在靶板上打出更深的孔；图1.c中装药锥孔部分加装金属药型罩，爆轰产物在推动罩壁向轴线运动的过程中，将能量传递给了金属罩，依靠罩的动能产生了更大的破坏作用；图1.d显示增大炸高可以使射流充分形成，提高侵彻能力。
图1. 不同装药结构的穿孔能力
图2为爆炸产物的飞散方向示意图。
圆柱形的普通炸药柱爆轰时，爆轰产物以近似垂直药柱表面的方向朝四周飞散，如图2.a所示。
而有锥孔的圆柱形药柱
爆炸后，锥孔部分的爆轰产物向轴线集中，汇聚成一股速度和密度都很高的气流，这时爆轰产物的能量集中在较小的范围内，即为聚能效应。
爆轰产物向轴线汇聚过程中，一方面由于爆轰产物以一定速度沿垂直于锥孔表面的方向朝轴线汇聚；另一方面，由于稀疏波的作用，汇聚到轴线处的爆轰产物又会迅速地向周围低压区膨胀，使能量分散开。
因此，爆轰产物只能在短时间内和距药柱端面某一近距离内保持高度集中，如图2.b所示。
如果在成型装药的锥孔表面加上一个金属罩，则爆炸后的爆轰产物将推动罩壁向轴线运动，将能量传递给金属罩，这样就可以避免气体的高压膨胀引起能量再度分散。
罩壁在轴线处碰撞时，罩内表面的速度比药型罩压垮闭合时的速度高出1～2倍，使金属中的动能进一步提高，形成高速的金属射流，如图2.c所示。
图2. 爆炸产物的飞散方向
图3显示了金属射流和杵的形成过程。
由于金属罩体积基本不变，同样质量的金属收缩到较小的区域时，罩壁必然要增厚，即罩内壁的质点速度必然大于外表面速度，因此在轴线碰撞后，内壁成为射流，外壁成为杵，如图3所示。
图中号码表示罩壁与射流和杵的对应位置。
显然，药型罩外壁材料在杵上的排列位置与原排列顺序一致，而内壁材料在射流上的排列顺序则与原位置相反。
本文将采用ANSYS软件对聚能射流的形成过程进行模拟。
图3. 射流和杵的形成示意图
2. 数值建模与计算
本文将采用ANSYS软件的LS-DYNA模块对装药爆炸过程中的聚能射流行为进行模拟。
由于装药结构具有对称性，为了减少计算量，选择装药结构的1/2进行建模计算。
具体的模拟步骤如下：
（1）建立模型
a. 添加单元类型，采用2D Solid 162单元建立装药模型；
b. 添加炸药和药型罩材料模型，设置材料参数；
c. 建立几何模型，通过从点到线再到面的步骤进行模型建立。
图4所示为装药结构模型的1/2，其中蓝色部分为炸药，紫色部分为药型罩。
图4. 装药结构模型图
（2）划分网格
采用四边形单元对炸药和药型罩模型分别进行网格划分，划分网格后的模型如图5所示。
图5. 装药结构网格划分图
（3）求解设置
a. 能量设置；
b. 求解时间控制，设置为50μs；
c. 时间步设置，设置参数为0.6；
d. 输出设置，设置输出文件类型、位置及输出步长等参数。
（4）求解计算
将获得的k文件提交至LS-DYNA求解模块进行求解计算，计算过程如图6所示。
图6. 求解过程
3. 数值模拟结果
模拟结果采用LS-DYNA自带的后处理软件LS-ProPost进行提取和分析。
如图7所示为装药结构爆炸后形成聚能射流的过程及应力变化，其中蓝色部分为炸药爆炸的影响范围。
图7. 聚能射流形成过程及应力变化
从图中可知，炸药爆炸后压合药型罩，药型罩在轴线上碰撞、挤压，使得罩内壁材料获得极大的运动速度后被挤出，形成射流，而多数质量的外壁速度较低，形成杵体，即靠近空穴端的罩材料形成射流，靠近炸药端的罩材料形成杵体。
形成射流部分头部与尾部存在着速度梯度，所以不断拉长，形成细长的侵彻体。
图8为最终状态下金属射流的主应力向量和速度向量分布图。
由图中可知，金属射流的头部速度大于尾部速度，其中杵体的速度最低，由于射流的速度分布不均匀，所以射流的长度随时间而变长。
图8. 最终状态下金属射流的主应力向量（左图）和速度向量（右图）分布
4. 结语
聚能效应是利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的现象，在实际工程和军事领域中都具有非常重要的应用。
本文采用ANSYS软件的LS-DYNA模块模拟了装药爆轰过程中的聚能射流行为，模拟结果可以直观地显示金属射流的形成及运动过程，并且与理论基础相吻合。