周向MLEFP成型過(guò)程的數(shù)值計(jì)算

尹建平，張洪成，王志軍，付 璐

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051）

引 言

多線性爆炸成型彈丸（MLEFP）屬于線性成型裝藥的一種，與目標(biāo)為線與面、時(shí)與空二維交匯，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行橫向切割，因此具有命中精度高、毀傷面積大的特點(diǎn)，而且利于殘余侵徹體繼續(xù)對(duì)靶后目標(biāo)進(jìn)行毀傷作用，具有對(duì)炸高不敏感、開(kāi)坑大、后效作用強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。目前，國(guó)外對(duì)線性成型裝藥的研究一般都局限在線性射流刀的應(yīng)用上，主要用于航天器的分離、降落傘的打開(kāi)、爆破以及切割等方面［2-3］；國(guó)內(nèi)王飛［4］等在V 型線性成型裝藥、王昌建［5］等在半圓形管型線性成型裝藥、杜忠華［6］和茍瑞君［7］在LEFP成型機(jī)理方面開(kāi)展了研究。

本研究設(shè)計(jì)了新型周向MLEFP 裝藥，建立了周向MLEFP成型過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)周向MLEFP 成型的影響，以獲得命中精度高、毀傷效能高、具有較高侵徹能力的集群LEFP，為防空反導(dǎo)戰(zhàn)斗部和反輕型裝甲目標(biāo)戰(zhàn)斗部提供參考。

1 周向MLEFP裝藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的周向MLEFP裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是在傳統(tǒng)線性聚能裝藥的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變裝藥結(jié)構(gòu)，由殼體通過(guò)釬焊、粘合或者邊緣嚙合而互鎖的方法將4個(gè)獨(dú)立的LEFP藥型罩沿邊緣裝配到一起組合而成。

圖1 周向式MLEFP裝藥結(jié)構(gòu)ig.1 Structure of the circumference linear MLEFP charge

周向MLEFP裝藥結(jié)構(gòu)的初始參數(shù)為：藥型罩采用等壁厚球缺罩，曲率半徑R=40mm，壁厚δ=3mm；裝藥長(zhǎng)度L=50mm，裝藥直徑D=50mm，裝藥寬度B=12mm。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

應(yīng)用Truegrid軟件建立了周向MLEFP 裝藥的有限元數(shù)學(xué)模型，如圖2所示，由4個(gè)線性EFP藥型罩、炸藥、空氣、殼體4部分組成。

采用有限元軟件ANSYS／LS-DYNA 對(duì)周向MLEFP成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，單元算法采用多物質(zhì)Euler算法來(lái)模擬炸藥的爆轟和藥型罩的壓垮及LEFP成型過(guò)程，且Euler網(wǎng)格范圍足以覆蓋爆轟產(chǎn)物和LEFP飛行空間。網(wǎng)格單元選用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元。根據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立1／4模型，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間和周期。藥型罩材料選用銅，殼體材料選用鋼，采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述藥型罩和殼體在爆轟波作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和高應(yīng)變條件下的材料變形問(wèn)題；銅的主要參數(shù)為：ρ=8.96g／cm3，G=47.7GPa，E=137GPa；鋼的主要參數(shù)為：ρ=7.89g／cm3，G=77GPa，E=200GPa。選用8701炸藥，采用HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN高能炸藥材料模型和JWL 狀態(tài)方程，主要參數(shù)為ρ0=1.71×10-3g／cm3，D=7980m／s，ρCJ=29.5GPa，E0=8.35GPa。空氣采用MAT＿NULL模型，狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式，用EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL來(lái)描述［8］，主要參數(shù)為：密度ρ0=1.293×10-3g／cm3，聲速C=340m／s，初始相對(duì)體積V0=1.0。

圖2 周向MLEFP裝藥有限元數(shù)學(xué)模型Fig.2 The finite element model of the circumferential MLEFP charge

3 結(jié)果與討論

3.1 周向MLEFP的成型過(guò)程

采用裝藥中心線起爆方式，周向MLEFP 的成型結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在爆炸載荷作用下，周向MLEFP 裝藥在4個(gè)方向上形成具有一定速度和長(zhǎng)度的線性爆炸成型彈丸，可以實(shí)現(xiàn)從四周近距離攔截和引爆來(lái)襲導(dǎo)彈、攻擊輕型裝甲目標(biāo)的目的。

圖3 周向MLEFP的成型過(guò)程Fig.3 Formation of the circumferential MLEFP

單方向LEFP 成型情況和飛行姿態(tài)如圖4所示。

由圖4可以看出，裝藥中心線起爆后，爆轟波以平面波的形式開(kāi)始傳遞，20μs時(shí)，線性藥型罩在爆轟壓力的作用下，藥型罩空腔內(nèi)的材料相互擠壓、碰撞，促使藥型罩被壓垮、發(fā)生變形及罩體翻轉(zhuǎn)。

圖4 單方向LEFP成型過(guò)程（主視圖和右視圖）Fig.4 Formation of the singe LEFP

40μs時(shí)藥型罩罩面微元逐漸向藥型罩中心處軸向匯聚，藥型罩邊緣處發(fā)生徑向收縮變化；80μs時(shí)，由于罩體上軸線處與邊緣處存在著速度梯度，促使罩體不斷變形；隨著爆轟波的繼續(xù)推進(jìn)，藥型罩兩端面繼續(xù)向罩面中心線處收攏，最終于100μs藥型罩在軸向拉伸及徑向擠壓的作用下形成密實(shí)的線性爆炸成型彈丸。線性爆炸成型彈丸整體速度基本穩(wěn)定在1 620m／s左右，飛行姿態(tài)穩(wěn)定。

3.2 裝藥長(zhǎng)徑比的影響

利用有限元軟件分析了不同裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)周向MLEFP成型的影響。當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比L／D分別為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8時(shí)，通過(guò)計(jì)算得到不同裝藥長(zhǎng)徑比時(shí)單方向LEFP 的成型過(guò)程和參數(shù)，如表1所示。

表1 不同裝藥長(zhǎng)徑比情況下單方向LEFP成型過(guò)程和參數(shù)（俯視圖）Table 1 Formation and parameters of the single LEFP with different length-diameter ratio of charge

由表1可以看出，不同的裝藥長(zhǎng)徑比，LEFP的成型有明顯的變化，線性藥型罩在成型過(guò)程中均出現(xiàn)明顯的邊緣斷裂情況，這與戰(zhàn)斗部中利用邊緣嚙合而互鎖的方法裝配殼體固定線性藥型罩有直接的關(guān)系。侵徹體兩端面的成型較為整齊且密實(shí)程度相近，這說(shuō)明侵徹體端面的軸向收縮與藥型罩的曲率半徑和壁厚有直接的關(guān)系。

圖5為L(zhǎng)EFP穩(wěn)定飛行速度與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線。由圖5可以看出，隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加，LEFP穩(wěn)定飛行的速度逐漸增加。裝藥長(zhǎng)徑比取0.8、1.0時(shí)，LEFP 的速度較低，飛行距離較短，影響了戰(zhàn)斗部毀傷威力；裝藥長(zhǎng)徑比取1.2、1.5 和1.8時(shí)，LEFP頭部和尾部的速度梯度大，侵徹體頭部“突出”愈發(fā)明顯，使得侵徹體尾部容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，影響高密實(shí)度LEFP的形成；但LEFP延伸拉長(zhǎng)，使得飛行距離增大，且利于對(duì)目標(biāo)造成較大區(qū)域的毀傷。當(dāng)t=100μs時(shí)，LEFP可基本上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

圖5 LEFP穩(wěn)定飛行速度與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between steady speed of LEFP and length-diameter ratio of charge

圖6為炸藥的能量利用率與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線。由圖6可以看出，隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增加裝藥能量利用率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于能量利用率一方面考慮了裝藥對(duì)藥型罩成型的加速；另一方面，隨著LEFP 飛行速度的增大，動(dòng)能趨于穩(wěn)定，藥型罩的變形也需要能量。因此，裝藥長(zhǎng)徑比增大時(shí)，裝藥的能量利用率呈下降趨勢(shì)。根據(jù)上述分析，在設(shè)計(jì)戰(zhàn)斗部時(shí)，應(yīng)從能量利用率角度出發(fā)，裝藥長(zhǎng)徑比的選擇不宜過(guò)大。

圖6 線性裝藥能量利用率與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between energy efficiency of linear charge and length-diameter ratio of charge

綜合上述LEFP穩(wěn)定飛行時(shí)的速度、藥型罩罩材利用率、炸藥的能量利用率和LEFP有效飛行距離4個(gè)方面的分析，對(duì)于裝藥口徑為50mm 的線性戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，裝藥長(zhǎng)徑比取1.0≤L／D≤1.5較為適宜。

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)的新型周向MLEFP裝藥結(jié)構(gòu)，在爆炸載荷作用下，能夠在四個(gè)方向上形成具有一定速度和長(zhǎng)度的LEFP，且與導(dǎo)彈或裝甲目標(biāo)的作用方式為線與面、時(shí)空二維交匯，因此具有命中精度高、毀傷面積大、有效飛行距離遠(yuǎn)、后效顯著的特點(diǎn)，可以提高對(duì)目標(biāo)的命中概率和毀傷效能。

（2）裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)周向MLEFP 成型有一定影響。隨著裝藥長(zhǎng)徑比的增大，LEFP 穩(wěn)定飛行速度逐漸增大，線性藥型罩材料的利用率逐漸增大，炸藥的能量利用率呈先增大后減小的趨勢(shì)，LEFP 的有效飛行距離也逐漸增大，但增長(zhǎng)幅度明顯減小。在文中設(shè)計(jì)的周向MLEFP 裝藥條件下，當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比取1.0≤L／D≤1.5，形成的LEFP 速度高，密實(shí)度好，整體動(dòng)能大，毀傷效能好。

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