بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله ضمن معرفی انواع سرجنگی ها ، توضیح اجمالی از پرتابه های شکل یافته انفجاری - EFP - و روشهای تحلیل فرایند انفجار در آن، فرایندهای فروپاشی لاینر، تشکیل جت و نفوذ آن در هدف فولادی با استفاده از نرم افزار AUTODYN شبیه سازی و ارائه گردیده است. بعد از اطمینان از صحت الگوریتم انتخابی در شبیه سازی سرجنگی نوع ساده - EFP - و بهره گیری از آن تاثیر عوامل مختلف بر روی ویژگی های پرتابه ی EFP و مورد بررسی قرار گرفته است.
بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق با کاهش ضخامت لاینر و افزایش سرعت انفجار خرج، سرعت پرتابه EFP افزایش می یابد. همچنین وجود یک پوسته، لاینر و خرج انفجاری مناسب موجب افزایش سرعت پرتابه ها می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی ها انطباق خوبی با نتایج ارائه شده در یکی از مراجع را نشان می دهد.
.1 مقدمه
سرجنگی ها با توجه به مکانیزم عملکردشان به دو نوع کلی تقسیم می شوند. نوع اول که برای تخریب هدف و نفوذ در آن از انرژی جنبشی گلوله استفاده می کند، نفوذ کننده انرژی جنبشی2 نامیده می شود. نوع دوم سرجنگی ها هنگام برخورد به هدف با استفاده از انفجار ایجاد خسارت می کند. این نوع سرجنگی ها با نام های سرجنگی انرژی شیمیایی3 یا سرجنگی شدیدالانفجار4 خوانده میشود
سرجنگی های شدیدالانفجار بر اساس جهت اثر و کارایی شان به دو گونه ی مؤثر در همه ی جهات و مؤثر در جهت انرژی تمرکز یافته، تقسیم می شوند. تفاوت این دو نوع در این است که در اولی، انفجار سرجنگی روی تمام محیط اطراف خود تاثیر می گذلرد، در حالی که در نوع دوم انرژی در یک جهت خاص متمرکز و تخریب عظیمی در آن راستا بوجود می آورد.
در سرجنگی های با انرژی تمرکز یافته، انرژی انفجار به واسطه ی یک فضای خالی در ماده ی منفجره که لاینر فلزی پوشیده شده، متمرکز می شود. در این حالت،لاینر در اثر انفجار تغییر شکل یافته و بخشی از آن به صورت یک جت شتاب می گیرد و در جهت مشخص شده به هدف برخورد می کند و البته بخشی از مواد لاینر نیز پس از فروپاشی با سرعت کمتری به دنبال جت حرکت می کنند که به آن اسلاگ5 می گویند . میزان این انرژی بین 5 تا 20 در صد کل انرژی شیمیایی آزاد شده ماده منفجره است که به دلیل تمرکز، قادر به ایجاد حفره ی عمیقی در هدف می باشد. بسته به شکل آستری، این نوع سرجنگی ها به سه گروه عمده ی خرج گود یا خرج شکل یافته - SC - 6، خرج نیمکره ای - HC - 7 و پرتابه ی شکل یافته ی انفجاری8 تقسیم می شوند.
پرتابه ی حاصل از خرج گود، به صورت جت بوده و سرعت نوک آن در حدود 7 تا 12 کیلومتر بر ثانیه و جرمش در حدود 20 درصد جرم آستری فلزی می باشد که سبب نفوذ زیادی در هدف می شود. پرتابه ی شکل یافته ی انفجاری دارای جرم زیاد و توده ای شکل بوده و سرعت آن به حدود 1.5 تا 3 کیلومتر بر ثانیه می رسد. سرجنگی خرج نیمکره ای در واقع ما بین این دو حالت می باشد.
به عبارت دیگر جتی با جرم بیشتر و سرعت کمتر نسبت به خرج گود ایجاد می کند. سیستمهای خرج گود از سال 1943 در زمینه های مختلفی از جمله حفاری، تخریب سازه ها و در سرجنگی ها استفاده شده است.[ 1] بعد از آن پرتابه های شکل یافته انفجاری مورد توجه قرار گرفته اند. این پرتابه ها با استفاده از توانایی ایجاد فاصله ی توقف 9 بالا می تواند از فاصله زیادی از سطح هدف شکل گرفته و آن را مورد اصابت قرار دهد. این مکانیزم در موشک های حمله از بالا می تواند نواحی فوقانی تانک ها را که ضعیف تر هستند، مورد حمله قرار دهد و یا در سرجنگی مین های ضد بالگرد از فاصله ی تا حدود 150 متری آن را مورد اصابت قرار دهد.
حفره ایجاد شده در اثر سرجنگی خرج گود، به دلیل شکل جت، دارای عمق بیشتر و قطر کمتری است. در حالی که پرتابه های EFP حفره ای با قطر بزرگتر ولی با عمق کمتر ایجاد می کنند. به علاوه جت حاصل از خرج گود دارای گرادیان سرعت بوده و برای رسیدن به بیشترین طول جت، بستگی زیادی به فاصله ی توقف دارد. در حالی که عدم حساسیت پرتابه EFP به فاصله توقف از مزایای بزرگ آن محسوب می شود.پارامتر اساسی در سرجنگی های EFP، میزان عمق نفوذ و قطر حفره ایجاد شده در سطح هدف می باشد .
امروزه روشهای عددی در کنار روشهای تحلیلی و تجربی کمک زیادی به حل مسائل و شناخت پدیده های فیزیکی می نماید. پدیدههایی که در طی فرایند نفوذ اتفاق می افتد، معمولا در تستهای تجربی به سختی قابل مشاهده و ثبت هستند. در حالی که در یک تحلیل عددی معمولا کل فرایند را می توان شبیه سازی کرد. تحلیل مسائل شکل گیری و نفوذ پرتابه ها ی EFP دارای پیچیدگی های زیادی است که انفجار موج، انتشار موج شوک درون خرج و اصابت موج به لاینر، تغییر فرم لاینر و شکل گیری پرتابه و بعد اصابت آن به سطح هدف و نفوذ در آن را شامل می شود. بررسی این مراحل مختلف کاری با نرم افزار AUTODYN بسیار مشکل و زمانبر است و سعی می شود از روشهای مختلف تحلیلی، تجربی و عددی در این زمینه استفاده شود.
در دو دهه گذشته محققان با توسعه نرم افزارها و امکانات کامپیوتری، کارهای جالبی را در زمینه تحلیل عددی و شبیه سازی فرایند شکل گیری پرتابه ها و نفوذ آن ها انجام داده اند. محققانی از قبیل والترز10، زاکاس11، کارلئون12 ، هاریسون13 و مایرز14 در این زمینه کارهای بسیار خوبی ارائه داده اند
با توجه به سیلان مواد و تغییر فرمهای شدید ایجاد شده در اثر انفجار، در تحلیل های لازم در شکل گیری پرتابه ها ی EFP و همچنین در پرتابه های خرج گود ها از روشهای اویلری15، لاگرانژی16 و روش بهینه ی اویلری-لاگرانژی - ALE - 17 استفاده می شود که در این مقاله از روش اویلری استفاده شده است.
هاریسون مراحل شکل گیری یک پرتابه متشکل از یک لاینر کروی مسی و ماده منفجره استوانه ای از جنس OCTOL را با استفاده از کد تفاضل محدود لاگرانژی HEMP مورد بررسی قرار داد که البته در این تحلیل به دلیل کرنش های بسیار زیاد لاینر هنگام شکل گیری پرتابه در لحظه 35 میکروثانیه مش بندی مجدد برای بهبود شبکه انجام شده است.
خدارحمی و همکارانش مراحل شکل گیری و نفوذ پرتابه های EFP را به روش اجزاء محدود و به کمک کد LS-DANA برای دو نوع لاینر کروی با ضخامت متغیر و لاینر با پروفیل چند جمله ای مورد بررسی قرار داده اند که نتایج حاصل از این شبیه سازی با یافته های تجربی مقایسه و انطباق داده شده است .
کاتایاما 18 و کایپ19 یک روش عددی جدید پیشنهاد داده اند که مرکب از روش نیمه عددی با استفاده از نرم افزار CSC و روش عددی با استفاده از نرم افزار AUTODYN می باشد و با این روش توانسته اند شکل گیری جت یک خرج گود را تحلیل و بررسی کنند.
لیو20 و همکارانش فرایند انفجار خرج از جنس TNT و شکل گیری جت یک خرج گود بدون پوسته را با روش SPH شبیه سازی و تحلیل کرده اند
جان وو21 و همکارانش انفجار و نفوذ پرتابه ی یک EFP را با استفاده از نرم افزار LS-DYNA مدل سازی کرده اند. در این تحلیل از روش اویلری-لاگرانژی - ALE - در شکل گیری پرتابه ی EFP استفاده شده است
.2 روش تحقیق
پژوهش در زمینه ی مورد نظر همانطور که اشاره شده است با شبیه سازی توسط نرم افزار تحلیلی AUTODYN صورت گرفته است. به کمبود مقالات و مطالب ارائه شده در این زمینه و برای اطمینان از نتایج شبیه سازی ها، نتایج ارائه شده در مرجع [9] با نتایج حاصل از شبیه سازی در این مقاله مقایسه شده است. هرچند در مراجع فوق الذکر از نرم افزار LS-DYNA استفاده شده است، اما در صورت دستیابی به نتایج یکسان در مقایسه دو تحلیل، می توان الگوریتم عددی انتخاب شده برای حل مسئله را معتبر دانست و از آن در مدل سازی های بعدی استفاده نمود. در این بخش ابتدا پرتابه تغییر شکل یافته ساده را شبیه سازی گردیده و سپس پارامترهای مختلف بر عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است ونهایتا با بکارگیری الگوریتم انتخابی برای شبیه سازی پرتابه تغییر شکل یافته ساده، سرجنگی ترکش زای چندگانه نیز به صورت دو بعدی در نرم افزار اتوداین شبیه سازی گردیده و تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است.
.2-1 شبیه سازی عددی انفجار، شکل گیری و نفوذ در پرتابه شکل یافته انفجاری ساده - EFP -
تمام شبیه سازی ها در محیط AUTODYN صورت گرفته و به روش اویلری مورد تحلیل قرار گرفته اند. با توجه به تقارن هندسی و بارگذاری EFP، از مدل متقارن محوری در شبیه سازی ها استفاده شده است. طبیعی است که در این نوع مدل سازی، هم حافظه ی مورد نیاز در کامپیوتر و هم زمان اجرای برنامه نسبت به حالت سه بعدی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
این EFP دارای لاینر مسی و پوسته ی فولادی بوده و ماده منفجره آن از جنس DYNAMITE 8710 می باشد و مرکز قاعده ماده منفجره به عنوان نقطه شروع انفجار در نظر گرفته شده است. برای المان بندی اجزاء این EFP از از المان های چهاروجهی22 و متقارن محوری23 استفاده شده است. لاینر کروی دارای ضخامت 4 میلی متر و قطر 60 میلی متر بوده و پوسته ی فولادی دارای ضخامت 2 و طول 66 میلی متر می باشد.
.2-1-1 خواص مکانیکی و فیزیکی
خواص مکانیکی لاینر باید با توجه به تغییر شکل آن در حین تحول تشکیل پرتابه تعریف شود. برای بیان رفتار ماده در حین بارگذاری انفجاری که با تغییر شکل های زیاد و نرخ کرنش بالا همراه می باشد، از مدل مقاومتی جانسون-کوک استفاده شده است. جدول - 1 - خواص فیزیکی لاینر و ضرایب جانسون - کوک را برای آن نشان می دهد. در این جدول A، B، C، m و n ضرایب معادله جانسون-کوک بوده وρ ، E و به ترتیب چگالی، ضریب یانگ و دمای
ذوب مس می باشد.
خواص مکانیکی اصلی مواد انفجاری شامل سرعت انفجار - D - ، چگالی - ρ - و فشار انفجار - - می باشند. این
کمیت ها برای ماده منفجره DYNAMITE 8710 در جدول - 2 - ارائه گردیده اند. در این جدول انرژی داخلی اولیه بر واحد جرم می باشد.
.2-1-2 خواص ترمودینامیکی
برای بیان خواص ترمودینامیکی از معادله حالت24 استفاده می شود. با توجه به این که فشار های حاصل از فرایند انفجار بسیار زیاد می باشند، فرض ثابت بودن حجم در تغییر شکل های خمیری معتبر نمی باشد. در این شرایط از معادله حالت برای بیان تغییر حجم بر حسب فشار استفاده می شود. برای مواد مختلف معاله حالت های مختلفی پیشنهاد گردیده است. در این تحلیل برای لاینر از معادله حالت گرونیزن25 ، برای خرج انفجاری از معادله حالت 26 JWL و هوا را به عنوان گاز ایده ال در نظر گرفته اند.
