殼體對(duì)串聯(lián)EFP成型影響的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　姜弛　王義磊

殼體對(duì)串聯(lián)EFP成型影響的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院姜弛王義磊

本文運(yùn)用LS-dyna數(shù)值模擬軟件對(duì)鋼外殼雙層藥型罩串聯(lián)EFP成型過程進(jìn)行數(shù)值仿真，采用理論分析和數(shù)值仿真結(jié)合的方法對(duì)EFP外殼厚度變化與藥型罩成型規(guī)律之間的關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，在0.03≤δ/Dk≤0.04的情況下，銅鐵藥型罩EFP的成型效果更好。

藥型罩；串聯(lián)EFP；結(jié)構(gòu)參數(shù)；雙層

引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了應(yīng)對(duì)聚能射流的高穿射能力，反應(yīng)裝甲的大規(guī)模配裝已成為主流。為了應(yīng)對(duì)反應(yīng)裝甲，爆炸成型彈丸（EFP）應(yīng)運(yùn)而生。EFP基本原理是：藥型罩在爆轟波的作用下，形成高速“彈丸”，撞擊目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的侵徹，其特點(diǎn)是“彈丸”具有穿孔直徑以及后效作用大、抗旋轉(zhuǎn)，因此在軍事上得到了廣泛應(yīng)用。本文所要研究的是串聯(lián)EFP的外殼厚度對(duì)其成型與速度的影響。對(duì)鋼殼體的EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究人員已經(jīng)做了大量的研究，并得到了指導(dǎo)性的言論［1］。設(shè)計(jì)合理的殼體結(jié)構(gòu)不僅可以使EFP更加有效地侵徹反應(yīng)裝甲，也可以為后續(xù)的研究工作做下鋪墊。

1　計(jì)算模型

1.1爆炸成型彈丸幾何模型建立

計(jì)算模型采用如圖1所示的典型球缺藥型罩EFP戰(zhàn)斗部裝藥，裝藥為B炸藥，藥型罩為雙層藥型罩串聯(lián)結(jié)構(gòu)，殼體的材料為鋼，起爆模式為中心起爆。圖1中各參數(shù)的物理意義如下：R為外罩曲率半徑；δ為殼體厚度，L為裝藥長度，Dk為裝藥直徑。

1.2有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文采用LS-dyna進(jìn)行EFP數(shù)值模擬，為減少運(yùn)算量建模采用軸對(duì)稱1/2建模，因此采用LS-DYNA-2D來模擬EFP成型過程。圖2為網(wǎng)絡(luò)模型。采用Lagrange算法，炸藥和金屬罩之間的接觸使用*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法，計(jì)算過程中使用小型重啟動(dòng)分析。50μs后炸藥基本爆轟完畢，對(duì)藥型罩影響很小，因此將刪除炸藥PART和接觸。計(jì)算時(shí)間為500μs。

圖1

圖2

1.3材料模型

1.3.1炸藥

此次采用B炸藥，該炸藥的主要參數(shù)見表1。

表1　B炸藥參數(shù)

JWL狀態(tài)方程精確地描述了在爆炸過程中爆轟氣體的壓力、體積、能量特性，JWL狀態(tài)方程的表達(dá)式為：

式中：A、B、R1、R2和ω為輸入?yún)?shù)，E0為初始比內(nèi)能，參數(shù)如表2所示。

表2　輸入?yún)?shù)

1.3.2藥型罩和殼體

藥性罩［2］材料分別采用紫銅和鐵，殼體采用鋼材料。材料模型采用Johnson-cook，材料參數(shù)見表3。狀態(tài)方程采用Gruneisen狀態(tài)方程，式中參數(shù)見表4，其表達(dá)式為：

表3　材料參數(shù)

表4　狀態(tài)方程參數(shù)

2　數(shù)值模擬

2.1殼體對(duì)EFP成型的影響

為了研究EFP鋼外殼厚度對(duì)雙層藥型罩成型的影響，設(shè)置了δ/Dk分別等于0、0.02、0.03、0.04、0.05時(shí)成型EFP的長徑比，按照外罩為銅、內(nèi)罩為鐵的結(jié)構(gòu)模擬EFP長徑比與外殼厚度和裝藥直徑的比值的變化規(guī)律，如圖3所示。EFP速度與外殼厚度和裝藥直徑的比值的變化規(guī)律，如圖4所示。結(jié)果顯示，隨著δ/Dk的增大，內(nèi)外罩對(duì)應(yīng)的EFP的速度都在增大。在δ/Dk＜0.03時(shí)內(nèi)外罩的速度相差不大，隨著殼體厚度增加內(nèi)外罩對(duì)應(yīng)的EFP速度才逐漸分開并逐漸拉大。內(nèi)罩EFP的長徑比隨著δ/Dk的增大變化不大，維持在3～5.5，而外罩的長徑比卻隨δ/Dk的增大逐步減小，并且在δ/Dk=0.04之后發(fā)生交匯并從此大小發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖3

圖4

3　結(jié)論

在δ/Dk≥0.03時(shí)銅鐵藥型罩形成的EFP的速度才發(fā)生分離，然而前后EFP必須擁有一定的速度差才能在飛行一段時(shí)間后形成接觸反應(yīng)裝甲的時(shí)間差，從而達(dá)到更優(yōu)的侵徹效果。

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)不同壁厚下的炸藥爆轟應(yīng)力分布也不同，其原因可總結(jié)為不同壁厚反射回來的二次波的傳播方向和幅值都不同，幅值是隨著壁厚的增大而增大，所以作用在藥型罩上，產(chǎn)生的結(jié)果也不同，從而會(huì)產(chǎn)生不同長徑比的EFP。

研究員［3、4］對(duì)EFP單層藥型罩成型后EFP長徑比隨外殼厚度變化趨勢(shì)的研究結(jié)果表明，EFP長徑比的變化趨勢(shì)是隨著δ/Dk的增大而減小，與雙層藥型罩中外罩形成的EFP的變化規(guī)律相同。然而隨著殼體厚度增大，內(nèi)外罩形成的EFP的長徑比大小出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，在δ/Dk=0.04之后，外罩的長徑比將小于內(nèi)罩的長徑比。從靶板侵徹［5］的角度來講，內(nèi)罩先接觸靶板，而外罩后接觸靶板。從前人得到的規(guī)律得知，隨著EFP長徑比逐漸減小，其侵徹深度也是逐漸減小，但孔徑卻是逐漸變大的，所以作為開孔打穿為優(yōu)先選項(xiàng)的EFP，推薦EFP長徑比較??；而作為擴(kuò)孔為主要功能的EFP則推薦EFP的長徑比較大。

綜上所述，在銅鐵藥型罩0.03≤δ/Dk≤0.04時(shí)內(nèi)罩長徑比要小于外罩長徑比，會(huì)有更優(yōu)的成型效果。

［1］周翔，龍?jiān)矗佬”?76毫米口徑EFP成型過程數(shù)值模擬及影響因素研究［J］.彈道學(xué)報(bào)，15（2），2003：59～63.

［2］范斌，王志軍，王輝.多爆炸成型彈丸成型的數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，30（1），2010：124～126.

［3］蔣建偉，楊軍，門建兵，羅建.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP成型影響的數(shù)值模擬［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，24（11），2004：939～941.

［4］門建兵，蔣建偉，楊軍.串聯(lián)EFP成型與侵徹的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，30（4），2010：383～386.

［5］王建，曹紅根，周剪隆.EFP侵徹爆炸反應(yīng)裝甲過程研究［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），32（1），2008：9～12.