椭圆形罩线型聚能装药结构参数正交优化研究

第１　９卷　２　Ｏ　１　３　第３期　年６月　工程爆破　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＢＬＡＳＴＩＮＧ　Ｖｏ１．１９。ＮＯ．３　Ｊｕｎｅ　２Ｏ１３　

文章编号：１００６—７０５１（２０１３）０３—０００１—０５　

椭圆形罩线型聚能装药结构参数正交优化研究　

武双章，顾文彬　，　

（解放军理工大学，南京　李旭锋　

２１０００７）　

摘　要：为获得椭圆形罩线型聚能装药较优的结构参数组合，运用正交设计方法对影响射流成型的主　要结构参数进行优化设计，获得了不同的试验方案。利用ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ对各方案进行了数值模　拟，得到了不同方案的最大射流速度和射流断裂前的最大长度，经对数值模拟结果分析获得了最佳的　参数组合方案。各因素对射流速度和射流长度的影响规律由主至次分别为　一占一。和　—ａ—　，较优参　数组合方案分别为ｎｌ一　３一ｎ１和／／３—　１一口１。　关键词：椭圆形罩；线型聚能装药；正交优化；射流速度；射流长度　中图分类号：ＴＤ２３５．３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７０５１．２０１３．０３．００１　

ＳＴＵＤＹ　ＯＮ　Ｔ　Ｈ　Ｅ　ＯＲＴ　Ｈ　ＯＧＯＮＡＬ　ＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮ　ＤＥＳＩＧＮ　

ＯＦ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＬＩＮＥＡＲ　

ＳＨＡＰＥＤ　ＣＨＡＲＧＥ　ＷＩＴＨ　ＯＶＡＬ　ＣＯＶＥＲ　

Ｕ　Ｓｈｕａｎｇ—ｚｈａｎｇ，ＧＵ　Ｗｅｎ—ｂｉｎ，Ｌ　Ｘｕ—ｆｅｎｇ　‘　（ＰＬＡ　Ｕｎｉｖ．ｏｆ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００７，Ｃｈｉｎａ）　

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｈａｐｅｄ　ｃｈａｒｇｅ（ＬＳＣ）ｗｉｔｈ　０一　

ｖａｌ　ｃｏｖｅｒ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｂｅｔｔｅｒ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅ—　

ｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＣ，ａｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｗｉｔｈ　ＡＮＳＹＳ／ＬＳ—ＤＹＮＡ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｊ　ｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｅ—ｂｒｅａｋｕｐ　ｊ　ｅｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔｓ　

ｗｅｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｒｕｌｅｓ　ｏｆ　ｊｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｊｅｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｆｒｏｍ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｔｏ　ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　’艿　ａ　ａｎｄ　口　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｗｅｒｅ　ｎ１一　３一ａｌ　ａｎｄ　ｎ３一　１一ａ１　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．　ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：Ｏｖａｌ　ｃｏｖｅｒ；Ｌｉｎｅａｒ　ｓｈａｐｅｄ　ｃｈａｒｇｅ；Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｊ　ｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ；Ｊ　ｅｔ　ｌｅｎｇｔｈ　

１　引言　

线型聚能装药（Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｈａｐｅｄ　Ｃｈａｒｇｅ，简称　ＬＳＣ）属于聚能装药的一种形式，其基本理论是建立　

在锥形聚能装药理论之上的。根据药型罩的形状可　以分为楔形（单角度楔形和多角度组合楔形）、圆弧　

形、椭圆弧形、双曲线形和半正方形等多种形式；药　型罩材料主要选择密度大、延展性好、气化温度高、　结构均匀致密的金属材料，如紫铜、工业纯铁、铅锑　

收稿日期：２０１２—０９—１５　作者简介：武双章，讲师，主要从事炸药爆炸及其应用方面的研　究工作。　合金等，可以为一种材料，也可以为多种材料的组　合ｎ　。　

正交试验设计方法是一种利用正交表来科学安　

排多因素试验的方法，并利用正交表来计算和分析　

试验结果，是部分因子设计的主要方法，具有很高的　

效率，合理利用该方法能达到事半功倍的效果，被广　泛应用于优化设计中。因此，本文采用正交设计方　

法对椭圆形罩线型聚能装药各主要结构参数进行优　化设计　，以获得最佳的参数组合方案。　

线型聚能装药射流成型影响因素　

设计的线型聚能装药主要采用药型罩断面为椭　工程爆破　

圆形的装药结构，由炸药和药型罩组成，不考虑装药　壳体（图１为１／２模型结构图）。　

图１　线型聚能装药断面结构与参数　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＣ　

影响椭圆形罩线型聚能装药射流成型及侵彻深　

度的主要因素有炸药参数（包括炸药类型和密度）、　药型罩参数（包括罩材料、长短轴比／，／和罩顶部壁厚　

）、药顶高ａ、装药口宽ｃ以及炸高ｈ∞　¨　。对椭　

圆形罩线型聚能装药的结构参数进行优化设计的指　标选择射流最大速度　和射流断裂前的最大长度　

ｚ　，实际应用中应结合靶板并考虑炸高　因素进行　侵彻靶板的数值模拟，最终的判断指标应选择最大　

侵彻深度Ｌ　。　

３正交优化试验方案　

根据以上影响因素分析，不考虑各因素间的交　

互作用，确定影响椭圆形罩线型聚能射流成型的装　

药结构因素及各因素对应的水平值如表１所示。　

表１线型聚能装药结构参数优化设计的因素水平　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＣ　

根据因素数和水平数以及试验量的大小，选择　

Ｌ。（３　）正交表进行试验方案设计，共进行９次试验，　

试验参数组合分别为　１一　１一ａ１、　１一　２一ａ　２、　１一　３一　

ａ３、　２一　１一ａ　ｚ、　２一　２一ａ　３、　２一　３一ａ１、７ｚ３一　１一ａ　３、　３一　

２—０１、７＂／３一　３一ｎ　２。　

４有限元模型及计算过程　

根据切割对象特点，决定第１轮优化采用的装　

药口宽为１００ｍｍ，药型罩材料选择紫铜，炸药选择　聚能装药中常用的Ｂ炸药，药型罩横断面底边水平　

方向的炸药宽度保持２．０ｒａｍ不变。由于线型聚能　装药是面对称结构，在其断面上只建立１／２模型（图　

２），在其与断面垂直的长度方向只建立１层网格，此　时需要对对称面上的节点和长度方向两断面上的节　

点进行约束。可用此法建立三维模型，使用三维实　

体材料模型，可有效地减小模型的大小，节省计算时　间。模型采用ｃｍ—ｇ一　ｓ单位制。　

图２线型聚能装药有限元模型　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＣ　

本设计采用ＡＮＳＹＳ／Ｌ　ＤＹＮＡ进行建模和计　

算，利用ＬＳ－ＤＹＮＡ９７０提供的前处理功能建立计算　

模型，并定义各种材料模型，装药为Ｂ炸药，其材料模　型为ＭＡＴ—ＨＩＧＨ—ＥＸＰＬＯＳＩＶＥ—ＢＵＲＮ，采用ＥＯＳ—　

ＪｗＬ状态方程；药型罩材料为紫铜，材料模型为　ＭＡＴＪＯＨＮＳＯＮＣＯＯＫ，采用ＥＯＳ—ＧＲＵＮＥＩＳＥＮ　状态方程；空气采用ＭＡＴ—ＮＵＬＬ模型，状态方程为　

ＥＯＳＧＲＵＮＥＩＳＥＮ。炸药、药型罩和空气３种材料均　采用ＥＵＬＥＲ网格建模，单元使用多物质ＡＬＥ算法。　

数值模拟计算中假设线型聚能装药为点起爆，起爆点　

位于装药顶部中心处。装药、药型罩和空气的计算网　格均为六面体实体单元，采用面映射网格划分和体扫　

略相结合的方式建立。计算时间为１００／￣Ｓ。　数值模拟获得的典型射流形成过程如图３所　

示。０　ｓ时炸药开始爆轰；７　ｓ时爆轰波到达药型罩　

顶端，药型罩开始被压垮；１８　ｓ时炸药爆轰结束；　２８／￣ｓ时射流速度达到最大；由于沿射流纵向存在着　

较大的速度梯度，射流不断被拉伸变长变薄，４８／ｚｓ　时杵体开始断裂，７１　ｓ时射流开始断裂，随后逐渐　

断裂为多段。　

５　数值模拟结果与分析　

５．１数值模拟结果　

对表２所列的试验方案分别进行了数值计算，　

得到了最大射流速度　…、射流断裂前最大长度　ｌｍａｘ指标。

　武双章等：椭圆形罩线型聚能装药结构参数正交优化研究　・　３　・　

０　ｐ＿ｓ　７　ｐ＿ｓ　１８　ｓ　２８　ｓ　４８　ｐ＿ｓ　

７ｌ　ｓ　８０　ｓ　９Ｏ　ｓ　１００　ｓ　

图３典型的射流形成过程　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　表２线型聚能装药结构参数正交设计及最大射流速度　ｖ一和射流断裂前最大长度ｚ一数值试验结果　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｈｅ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＣ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｅｎｇｔｈ　

各因素的下标数字代表水平，如ｎ１代表长短轴比　水平一。　

５．２结果分析　

对表２所示的数值模拟结果进行极差分析，如　表３所示。　

表３极差分析表　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　、　

表中Ｋ枷为因素Ｊ的第ｉ水平指标ｍ总和，如Ｋｍ（１２９１３．０５）为因素１的第一水平指标１总和；　枷为因素Ｊ的第ｉ水平指标ｍ平均值；ｊ　为　因素　指标ｍ的极差，等于因素　不同水平的指标ｍ平均值最大值与最小值之差。由于采用射流最大速度ｔ　和射流断裂前最大长度ｚ　作为试　验指标，故试验指标和数据初步处理中各因素均包含２列，其中第１列对应于射流最大速度Ｖｍａ　，第２列对应于射流断裂前最大长度ｚ…　

表２所列的９次试验中，第２号试验的射流速　

度最大（　一４３９３．４７ｍ／ｓ），其对应的试验条件为　一　

一ｎ　；第８号试验的射流长度最大（１—８８ｍｍ），对　

应的试验条件为　。一　一ｎ　。　

１＿５　１．６　１．７　１．８　１．９　２．０　２．１　长短轴比ｎ　从表３中的各因素不同水平指标平均值可以得　

到射流速度和射流长度与３因素的关系，分别如图　４和图５所示。　

１．９　２．１　２．３　２．５　２．７　２．９　３．１　罩壁厚　ｎｍ　萎一　

图４射流速度与３因素关系趋势图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｒｅｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　药顶高ａ／ｉｒＬｒ

ｎ