Page 78 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 郑贺龄，等： 带截顶内衬的高熵合金/Al/PTFE双层复合药型罩成型机理与毁伤特性 第 3 期

构成准固态包覆体。该包覆体在一定程度上抑制了射流的径向离散与内部“热点”的激活，致使化学

能释放延后并主要分布于射流中后段。值得指出的是，2 种工况的靶后崩落深度并未呈现显著差异，说
明侵彻体头部动能未因复合结构而削弱，HEA 射流头部仍以相近动能撞击靶体，并激发强度相当的初始
应力波。Al/PTFE 的化学能释放在应力波传播之后才被触发，因而主要影响中后期破坏形态，而对靶体
深层崩落行为影响有限。

3 讨论和分析

3.1 射流成型数值模拟
3.1.1 模型建立
基于第 2 节的分析，以下将研究内衬结构对射流成型的影响。采用有限元软件 LS-DYNA 对射流成
型过程进行数值模拟。以试验装置为背景建立数值计算模型，鉴于模型具有对称性，为提高计算效率，
采用 3D 轴对称模型进行模拟。射流成型是一个典型的高应变率动力过程，在此过程中射流呈现类流体
状态。然而，Al/PTFE 等含能材料由粉末压制烧结成型，其行为具有特殊性。采用 SPH (smoothed particle
hydrodynamics) 算法不仅能细致模拟药型罩压垮及射流形成过程，还能准确捕捉射流飞行中因粉末不紧
实而产生的飞散现象，这种飞散会在一定程度上降低射流的侵彻威力，是不可忽略的关键因素。由于
SPH 粒子是基于 FEM (finite element method) 网格的几何中心点自动生成，所以对于收敛性的验证，仅需
对 FEM 网格进行验证。选取 FEM 网格尺寸为 0.15、0.20、0.30 和 0.50 cm，同步提取射流的头部速度，所
得结果如图 4 所示。可以看到，当网格尺寸大于 0.20 cm 时，射流头部速度的波动较大，表明计算结果不
再收敛。因此，网格尺寸 0.20 cm 为收敛区间的最大值。为了提高计算效率，选取 FEM 网格尺寸为
0.20 cm，基于该网格尺寸自动生成 SPH 粒子。此外，外壳在爆轰产物膨胀作用下会发生破碎，采用 Lagrange

算法可精确描述其膨胀破碎过程。2 种算法通 1 000
过 关 键 字 *CONTACT_ERODING_NODES_ Mesh size: 0.15 cm
0 Mesh size: 0.20 cm
TO_SURFACE 进行力间的传递。全部设置完成 Mesh size: 0.30 cm
Mesh size: 0.50 cm
后，为 2 种结构在相同位置布设观测点，以进一 −1 000
步获取成型过程中典型位置的关键信息。对于 Head velocity/(m·s −1 ) −2 000
复合罩结构，观测点 1 对应成型的毁伤元头部； −3 000
观测点 2 和 3 则设于外层罩与内层罩接触的自
−4 000
由面上，其中观测点 2 为外层罩压垮后与内层罩
的 初 始 碰 撞 点 ， 观 测 点 3 位 于 毁 伤 元 尾 部 （ 杵 −5 000
0 20 40 60 80 100
体）。对于单罩结构，为与复合罩结构形成对比， Time/μs
观测点位置的选取与复合罩保持一致。最后固
图 4 网格收敛性验证结果
定求解时间为 150 μs，建立好的数值计算模型如 Fig. 4 Mesh convergence verification results
图 5 所示。
材料参数的选择是决定数值模拟准确性的第 2 因素。外壳材料为 45 钢，属于传统金属材料，选择
Johnson-Cook 本构即可描述金属材料在高温、高应变速率下的力学行为。对于药型罩材料，已经发表的
研究成果 [18] 表明，在炸药爆轰波以及爆轰产物的作用下含能材料始终处于惰性状态，因此模拟中也选
择 Johnson-Cook 本构。HEA 的材料参数见文献 [29]，而 Al/PTFE 是一种非常成熟的含能材料，其参数来
源于文献 [30]，具体数值如表 2 所示，表中：ρ 为密度，G 为剪切模量，A 为参考应变率和参考温度下的初
始屈服应力，B 为材料应变硬化模量，n 为硬化指数，C 为材料应变率强化系数，m 为温度敏感系数，c 为
0
冲击波速度-质点速度曲线的截距，S 为曲线斜率，γ 为 Grüneisen 系数。
此外，采用 JWL 状态方程描述 JH-2 炸药爆轰产物膨胀驱动过程，该方程是一个不明确涉及化学反
应的半经验方程，其参数通过圆筒试验确定，具体参数见表 3 [31] ，表中 A 、B 、R 、R 、ω 为炸药状态方程
e e 1 2

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