雙面槽藥型罩參數(shù)對MEFP成型影響的數(shù)值模擬

張 健，邢 棟，相升海，張艷梅，張 巖，鄭 凱

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159 ； 2.東北工業(yè)集團有限公司吉林江機公司，吉林 吉林 132021； 3.中國人民解放軍65041部隊，遼寧 沈陽 110100)

隨著科技迅猛發(fā)展，輕型裝甲以及低空飛行目標(biāo)將逐漸成為影響局部戰(zhàn)爭格局的重要因素，在單個EFP基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型聚能裝藥技術(shù)MEFP逐漸成為攻擊輕型裝甲和低空飛行目標(biāo)極為有效的手段。MEFP具有作戰(zhàn)效率良好、殺傷半徑較大、摧毀目標(biāo)能力較強等優(yōu)點。二十世紀八十年代初，國內(nèi)外學(xué)者開始對MEFP戰(zhàn)斗部技術(shù)進行研究[1]。國內(nèi)學(xué)者主要對MEFP的成型、毀傷效能等方面進行研究[2-3]，王猛等人[4]對整體三罩式MEFP戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值模擬及靜爆試驗；尹建平[5]對組合式MEFP成型彈丸參數(shù)進行了分析。

本文對戰(zhàn)斗部裝藥長徑比為1整體式雙面刻槽藥型罩的MEFP成型過程進行數(shù)值模擬，研究藥型罩刻槽深度及曲率半徑對MEFP成型的影響，得到刻槽深度及藥型罩曲率半徑比與子EFP長徑比的關(guān)系曲線。

1 結(jié)構(gòu)幾何模型

通過在整體式藥型罩內(nèi)外面預(yù)制溝槽將藥型罩劃分為三部分，應(yīng)用LS-DYNA軟件對其建立如圖1a所示的計算模型，球缺形藥型罩內(nèi)外圓半徑分別為R1、R2，曲率半徑比k=R1/R2，中心處開孔，紫銅作為藥型罩材料，裝藥選用B炸藥，起爆方式為底面中心點起爆。

數(shù)值模擬采用Solid164實體單元進行離散化，參見圖1b，數(shù)值求解過程采用Lagrange方法，炸藥模擬計算過程中采用MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN材料模型[6]和JWL狀態(tài)方程[7]，JWL方程準(zhǔn)確的描述了在爆轟驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性。A、B、r1、r2和ω為JWL方程中5個特征常數(shù)，參數(shù)值見表1；炸藥密度ρ1、爆速D和爆壓PCJ是B炸藥的特性參數(shù)，見表2。

表1 B炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)[8]

表2 B炸藥參數(shù)

采用MAT-JOHNSON-COOK材料模型和EOS-GRUNEISEN狀態(tài)來描述藥型罩在爆轟波作用下的動力響應(yīng)行為。藥性罩密度ρ2、剪切模量G、彈性模量E、壓力硬化指數(shù)N和應(yīng)變率系數(shù)C為材料主要參數(shù)，見表3所示。Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)見表4。γ0是Gruneisen gamma系數(shù)，T是Us-Up曲線的截距，S1、S2和S3是Us-Up曲線斜率的系數(shù)，α為γ0一階體積校正量。

表3 藥型罩材料參數(shù)

表4 Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 MEFP的成型過程

對幾何模型進行數(shù)值模擬計算，得到MEFP的成型過程，如圖2所示。

圖2 MEFP成型過程仿真結(jié)果

圖2中，0μs時刻為初始狀態(tài)，藥型罩在0～50μs之間受炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波沖擊作用壓垮變形，向前高速運動；同時藥型罩受力拉伸變形，藥型罩由刻槽處逐漸斷裂分離；50～150μs之間，藥型罩沿刻槽處繼續(xù)分離，子EFP在爆轟壓力作用下，頭部凸起，尾裙打開；150μs時藥型罩刻槽處已完全分離，形成了成型完整、飛行軸線之間形成一定的飛散角子EFP，成型完成；150～350μs之間，子EFP依靠慣性繼續(xù)運動，按照各自軌道獨立運行；同時根據(jù)子EFP從完全分離到數(shù)值計算結(jié)束過程中位移、形狀的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，子EFP外形及飛散角沒有發(fā)生變化。為方便觀察研究，本文取300μs時刻的數(shù)值模擬結(jié)果進行分析。

2.2 刻槽深度的影響

根據(jù)文獻[4]中對藥形罩的設(shè)計，k值設(shè)定為1.25，分析刻槽深度h對刻槽式MEFP成型的影響。分別選取h為1/8H、1/7H、1/6H、1/5H、1/4H、1/3H(H為藥型罩厚度)進行數(shù)值分析。圖3為產(chǎn)生爆轟作用后300μs時的6種數(shù)值模擬形態(tài)，圖4為對應(yīng)長徑比曲線圖。(在爆炸成型彈丸中，將成型完整EFP最大長度與EFP尾裙旋轉(zhuǎn)圓直徑之比定義為EFP長徑比)。

圖3 不同刻槽深度MEFP成型完整后模擬圖

圖4 不同刻槽深度子EFP長徑比變化曲線

由圖3、圖4可知，當(dāng)h值取1/8H時，子EFP的長徑比達到5.7左右；隨著h值的減小，長徑比越來越大，長徑比在h取在1/8～1/7H之間時，變化幅度最為明顯，比值集中5左右，在這區(qū)間內(nèi)h值隨長徑比變化的敏感度較高；當(dāng)h取1/7～1/5H時，長徑比變化幅度降低，說明在h取值較小時，h值的變化對長徑比變化的敏感度較小；h取1/5～1/3H時，形成的子EFP長徑比較小，形成外形整體趨于球狀。

長徑比值變化隨h的增大而逐漸減小，從數(shù)值模擬過程可知，當(dāng)h值較小時，爆轟壓力作用在溝槽處使得藥型罩在分離時得到較好的拉伸，使其頭部半徑逐漸變小，尾裙展開幅度越來越大，致其長徑比越來越大；h值較大時，爆轟壓力使得藥型罩沿溝槽處迅速分離，子EFP的拉伸過程較短，且拉伸不充分，導(dǎo)致長徑比很小。

2.3 藥型罩曲率半徑比的影響

在刻槽深度均為1/6H的情況下，變化k值的大小分析曲率半徑比對MEFP成型的影響，300μs時仿真結(jié)果如圖5所示，圖6為對應(yīng)長徑比曲線圖。

圖5 不同曲率半徑比MEFP成型完整后模擬圖

由圖5、6可知，k值取1.1～1.25時，子EFP長徑比在2.0～3.0之間。其成型后沒有尾裙，頭部質(zhì)量過于集中，易發(fā)生翻轉(zhuǎn)。k取1.25～1.375時，長徑比增大，成型發(fā)生了較為明顯的變化，尾裙向后打開，頭部被拉伸。當(dāng)k值繼續(xù)增大，取1.375～1.5時，長徑比略有增大，但幅度不大。當(dāng)k值由1.5增加到1.75時，長徑比明顯增大，在1.75時，子EFP被拉的過長，長徑比達到5.6左右，易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。在不同曲率半徑比下，長徑比在成型完成之前始終呈增長趨勢，爆轟波作用后50～100μs時，變化尤為明顯，在同一時刻，藥型罩曲率半徑比略大，形成的子EFP長徑比也略大。

圖6 不同曲率半徑比子EFP長徑比變化曲線

2.4 綜合分析

根據(jù)文獻[5]中對EFP長徑比的研究結(jié)論，可知彈丸長徑比在3～5之間時，其外形特點有助于攻擊反裝甲目標(biāo)。

結(jié)合本文2.2、2.3節(jié)中h與k值的變化情況，在研究單一方面因素h或k對子EFP長徑比影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，對刻槽深度、曲率半徑比與子EFP長徑比的變化關(guān)系進行全面計算，利用Matlab軟件建立起長徑比與刻槽深度和曲率半徑比的關(guān)系曲面擬合圖像，如圖7所示。

圖7 長徑比與刻槽深度和曲率半徑比關(guān)系曲面

由圖7可知，MEFP成型的子EFP的長徑比隨刻槽深度的增大而逐漸減小，隨曲率半徑比的增大而增大。當(dāng)刻槽深度在1/7H～1/5H，曲率半徑比在1.25～1.5之間時，長徑比在3～5之間。

k值與h值的變化對MEFP的成型均有較明顯的影響，兩個因素發(fā)生變化時會引起爆轟波陣面作用于藥型罩位置的改變、炸藥爆轟能量損失大小的變化及子EFP飛散角的變化。

綜上所述，曲率半徑比為1.25～1.5、刻槽深度取在1/7H～1/5H時，雙面槽藥型罩MEFP形成的子EFP長徑比在3～5之間，成型較為理想。

3 結(jié)論

(1)刻槽深度與曲率半徑比的變化對MEFP的成型均有較明顯的影響：刻槽深度增大，子EFP長徑比減?。磺拾霃奖仍龃?，形成子EFP長徑比增大。

(2)刻槽深度為1/7H～1/5H、曲率半徑比為1.25～1.5時，雙面刻槽藥型罩MEFP形成的子EFP長徑比在3～5之間，成型較為理想。

[1] Ornelle Donneaud,Alain Tronche.EFP Shape Optimization in Accordance with Formation,Aero Dynamics and Terminal Ballistic Aspects[C].17th International Symposium on Ballistic.Midrand South Africa，1998：3-27.

[2] 尹建平，張洪成，付璐.多爆炸形彈丸性能參數(shù)灰關(guān)聯(lián)分析[J].火力與指揮控制，2012，13(1)：183-187.

[3] 趙長嘯.起爆方式對整體式MEFP戰(zhàn)斗部參數(shù)的影響[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報，2012，13(5)：559-564.

[4] 王猛，黃德武，羅榮梅.整體多枚爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部試驗研究及數(shù)值模擬 [J].兵工學(xué)報，2010，31(4)：453-457.

[5] 尹建平.多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部技術(shù)[M]，北京：國防工業(yè)出版社，2012.

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[8] 郭靜，劉世興，劉學(xué)深.雙色激光場中1維共線氫分子離子的經(jīng)典動力學(xué)研究[J].強激光與離子束，2006，18(7)：1186-1192.