Моделирование кумулятивного эффекта в среде ANSYS

Modeling cumulative effects in the environment of ANSYS

Pavel Shilin

JSC "KBP", engineer, Russia, Tula

Аннотация. В статье изложен механизм образования кумулятивной струи. Проведено математическое моделирование данного процесса в среде ANSYS AUTODYN и получены основные характеристики кумулятивного узла.

Abstract. The article describes the mechanism of cumulative jet formation. Mathematical modeling of this process in ANSYS AUTODYN environment is carried out and the main characteristics of cumulative node are obtained.

Ключевые слова: кумуляция; ansys autodyne; боевая часть.

Keywords: cumulation; ansys autodyne; combat unit.

Эффект концентрации энергии в определенном направлении или в определенном месте является кумуляцией. Если при обычном взрыве энергия "разбрасывается" во все стороны, то при кумулятивном она "собирается" в некотором направлении. Кумулятивный эффект является глобальным действия взрыва в одном направлении. Он получается при использовании шашек взрывчатых веществ, имеющих на одном из торцов полость, обычно конической формы. При инициации заряда  с противоположной стороны  эффект действует в направлении оси  симметрии заряда  и многократно увеличивается, чем при действии обычных зарядов. Также при добавлении на поверхность выемки тонкого слоя металлической облицовки пробивное действие такого заряда во много раз усиливается.

Для обеспечения минимальной массы КУ принимаем, что он имеет цилиндроконическую форму с , снаряжен взрывчатым веществом  Ф – IX– 1, имеет тонкостенный алюминиевый корпус.  Для получения малой стоимости КУ в качестве материала облицовки используем медь.

Проведем моделирование процесса кумуляции рассчитанного кумулятивного узла, с целью подтверждения величины бронепробития и получения основных характеристик кумулятивной струи. Расчет будет производиться в двумерной постановке в пакете программного комплекса ANSYS Workbench с использованием среды ANSYS AUTODYN, который позволяет моделировать крайне сложные быстропротекающие процессы механики сплошной среды, такие как моделирование взрыва, образование и перемещение ударных волн в среде, также позволяет получать результат динамического воздействия  и поведения конструкции после контакта с ударной волной, а также моделировать разрушение материала.

Рисунок 1. Модель кумулятивного узла

Материал кумулятивной облицовки — медь (уравнение состояния в форме Ми — Грюнайзена). Заряд ВВ плотностью ρ₀ = 1620 кг/м3 имел скорость детонации D = 8730 м/с. Уравнение состояния продуктов детонации брали в форме Джонса — Уилкинса — Ли (JWL). Для воздуха (ρ = 1.225 кг/м³; C_p = 1004 Дж/кг∙К; C_v = 716 Дж/кг∙К.) было выбрано уравнение состояния идеального газа. Все расчеты выполнены при нормальных атмосферных условиях P=101325 Па. Для расчетов использована явная схема Годунова второго порядка точности. Шаг по времени Δt выбирался из условия устойчивости численного решения по числу Куранта. Параметры расчета соответствуют расчетным исследованиям и статистическим данным.

Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 100 ГПа, оно во много раз превышает предел текучести  материала брони. В связи с этим материал облицовки движется подобно течению жидкости, однако плавления материала не происходит, материал деформируется и превращается в струю только за счет пластических деформаций.

Рисунок 2.  Этапы образования детонационной волны

Аналогично жидкости, металл облицовки формирует две зоны —медленно двигающийся «пест», который составляет 70-90 % от массы, и тонкую (около толщины воронки) гиперзвуковую металлическую струю массой      10-30%, перемещающуюся прямолинейно по оси снаряда, скорость которой зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки.

При схлопывании облицовки боевой части скорости частей струи оказываются различными, и струя в полёте растягивается. Поэтому отнесение кумулятивного узла от брони  на расстояние (фокусное расстояние)  позволяет увеличить величину бронепробития за счёт удлинения струи. Однако при увеличении расстояния между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается что снижает бронебойный эффект.

В момент взрыва металлическая обкладка кумулятивной выемки под давлением взрывных газов собирается в некую монолитную массу, имеющую скорость 1-3 км/сек., из которой вперед выходит тонкая металлическая струя, скорость которой в несколько раз выше (9-12 км/сек).  Пест движется сравнительно медленно (со скоростью 0,5-1 км/с). Струя, наоборот, обладает весьма большой скоростью поступательного движения. Однако скорость эта различна в различных частях вдоль струи: головная часть струи имеет наибольшую скорость, а скорость хвостовой части близка к скорости песта. В зависимости от формы и природы металла облицовки, свойств ВВ заряда и других факторов, скорость головной части струи может изменяться в широких пределах. Различие скоростей головной и хвостовой частей струи приводит к тому, что струя при движении все время растягивается и в конечном счете распадается на отдельные капли.

Рисунок 3.  Этапы образования кумулятивной струи

При встрече кумулятивной струи с преградой, на границе возникает очень высокое давление, в 10-100 раз превосходящее предел прочности материала преграды.

Рисунок 4. Результат пробивания стальной пластины

В результате возникающего давления струя начинает вести себя подобно воде, ударившей в ледяную стенку, т.е. ее материал струи растекается в обратном направлении. Т.е. она приобретает свойства квазижидкости. Материал преграды также "вымывается" из зоны высокого давления, причем часть материала выносится вместе с кумулятивной струей к свободной поверхности (т.е. назад, а другая часть, за счет пластического деформирования, перемещается в радиальном направлении. Таким образом, образуется углубление (кратер), глубина которого увеличивается пока не будет израсходована вся энергия кумулятивной струи.