次口徑三層球缺藥型罩形成串聯(lián)EFP數(shù)值模擬

竇成彪，尹建平，徐全振，孫加肖，唐 琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

次口徑三層球缺藥型罩形成串聯(lián)EFP數(shù)值模擬

竇成彪，尹建平，徐全振，孫加肖，唐 琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件，分析了一種次口徑三層球缺藥型罩戰(zhàn)斗部形成串聯(lián)EFP的過(guò)程，得到每層藥型罩形成的EFP速度和長(zhǎng)徑比隨球缺罩曲率半徑、藥型罩壁厚、裝藥高度的變化規(guī)律曲線。分析結(jié)果表明：球缺罩曲率半徑和藥型罩壁厚對(duì)EFP外形有顯著影響，裝藥高度的增加可有效提高EFP速度。

三層藥型罩；EFP；成型裝藥；數(shù)值模擬

多層串聯(lián)式爆炸成形彈丸(explosively formed penetrators，EFP)戰(zhàn)斗部是在復(fù)合裝甲、爆炸反應(yīng)裝甲等新型裝甲的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新概念戰(zhàn)斗部[1-2]。該戰(zhàn)斗部可共軸放置藥型罩，單次起爆后在同一軸線連續(xù)形成多個(gè)EFP。由于裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量利用率高，侵徹性能高等諸多優(yōu)點(diǎn)，不少學(xué)者針對(duì)多層串聯(lián)EFP進(jìn)行了研究。Fong R等[3]對(duì)鋼質(zhì)雙層和三層球缺罩戰(zhàn)斗部進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，獲得等效長(zhǎng)徑比很大的EFP。鄭宇[4]建立了雙層串聯(lián)EFP的速度分析模型，分析了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙層罩形成串聯(lián)EFP的影響。關(guān)于次口徑三層罩裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)串聯(lián)EFP 成型的影響規(guī)律，國(guó)內(nèi)外很少報(bào)道。作者在雙層藥型罩形成EFP的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種次口徑裝藥三層藥型罩戰(zhàn)斗部。采用ANSYS/LS-DYNA軟件，分析三層串聯(lián)毀傷元的成型過(guò)程，研究了戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)及裝藥參數(shù)對(duì)毀傷元成型的影響。

1 裝藥結(jié)構(gòu)及計(jì)算模型

所設(shè)計(jì)的成型裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中裝藥直徑80 mm，內(nèi)罩曲率半徑70 mm，三個(gè)藥型罩(內(nèi)罩、外罩、中間罩)均為次口徑球缺型結(jié)構(gòu)。該戰(zhàn)斗部的三層藥型罩厚度相等，共軸放置。三層相互接觸的藥型罩之間存在自由面，可以自由滑動(dòng)和碰撞[5-7]。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)包括藥型罩曲率半徑R，藥型罩總厚度T及裝藥高度H。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

數(shù)值計(jì)算模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，如圖2所示。劃分的網(wǎng)格單元使用Lagrange算法，能夠清楚地描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，真實(shí)地看到EFP 彈丸的成型過(guò)程。裝藥中炸藥為8701炸藥，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程；三個(gè)藥型罩及固定環(huán)材料均為紫銅，本構(gòu)模型選用Johnson Cook模型，狀態(tài)方程為Gruneisen方程[8]。所用材料模型如表2所示，仿真采用裝藥端面中心點(diǎn)起爆。

圖2 計(jì)算模型

名稱材料狀態(tài)方程本構(gòu)模型裝藥8701JWL—內(nèi)罩紫銅GruneisenJohnsonCook中罩紫銅GruneisenJohnsonCook外罩紫銅GruneisenJohnsonCook固定環(huán)紫銅GruneisenJohnsonCook

2 三層串聯(lián)EFP成型過(guò)程

為分析三層罩成型過(guò)程，選取內(nèi)罩曲率70 mm，裝藥高度80 mm，每層藥型罩厚度1.8 mm。圖3為起爆后不同時(shí)刻的三層串聯(lián)EFP成型過(guò)程，可以看出：炸藥起爆后，爆轟波首先到達(dá)藥型罩中間部分，使三個(gè)藥型罩相互碰撞，此時(shí)藥型罩頂部軸向速度均大于底部軸線速度，各個(gè)藥型罩向后翻轉(zhuǎn)。由于藥型罩之間為自由表面以及在厚度方向存在速度差，相互接觸的藥型罩底部邊緣之間開始出現(xiàn)分離。此后，藥型罩軸線附近微元在徑向速度的作用下向軸線匯聚，內(nèi)罩與中罩、中罩與外罩軸線因速度差且相互沒有牽連發(fā)生分離；藥型罩底部由于徑向速度低，相互接觸，未發(fā)生分離。最后，由于藥型罩微元之間的相互牽連作用，尾部速度提高，各接觸的藥型罩在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中逐漸分離。150 μs后EFP不再互相接觸，分離后的藥型罩成型與單層藥型罩形成EFP類似。最終，成型的三個(gè)EFP具有恒定的速度差，形成共軸的三層串聯(lián)EFP。圖4顯示成型過(guò)程中各EFP頭部速度變化。

圖3 不同時(shí)刻仿真結(jié)果

圖4 EFP頭部速度變化

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)成型影響

3.1 曲率半徑的影響

單層球缺藥型罩的曲率半徑是影響EFP成型的重要因數(shù)。由于三層藥型罩結(jié)構(gòu)中藥型罩互相貼合放置，每層藥型罩曲率半徑相互關(guān)聯(lián)，由內(nèi)向外呈線性梯度減小。為分析曲率半徑的影響，取每層藥型罩壁厚1.8 mm，裝藥高度80 mm，分別計(jì)算了內(nèi)罩曲率半徑為60、65、70、75、80 mm，300 μs后的EFP成型參數(shù)，如表2所示。

300 μs后的EFP速度基本穩(wěn)定，EFP之間形成穩(wěn)定速度差， EFP速度、長(zhǎng)徑比隨曲率半徑變化曲線如圖5和圖6。曲率半徑對(duì)三層藥型罩的的分離程度影響很大，在三種曲率半徑下，外罩與中罩都能快速分離。曲率半徑越小，內(nèi)罩與中罩分離越迅速，這是由于曲率半徑較大時(shí),內(nèi)罩與中罩形成EFP尾裙發(fā)生了碰撞，兩EFP之間速度差減?。划?dāng)曲率半徑減小時(shí),碰撞現(xiàn)象減弱，速度差增大。且內(nèi)外罩的速度差隨著曲率半徑的增加而減小。分析EFP成型參數(shù)可知，曲率半徑對(duì)成型的影響與單層球缺藥型罩的影響不同，每層藥型罩變化趨勢(shì)也各不相同。曲率半徑增大，內(nèi)罩與中罩形成的EFP速度增大，而外罩的速度變化不大。另一方面，曲率半徑對(duì)外罩長(zhǎng)徑比影響最為明顯，R從80 mm減少到60 mm，外罩形成EFP長(zhǎng)徑比增加一倍，內(nèi)罩減少一半，而中罩變化不大。

表2 EFP成型參數(shù)

圖5 EFP速度隨曲率半徑變化

3.2 藥型罩總壁厚的影響

根據(jù)學(xué)者對(duì)單層球缺藥型罩EFP的研究，藥型罩壁厚對(duì)EFP速度影響很大。對(duì)三層藥型罩而言，EFP之間的穩(wěn)定速度差，是形成串聯(lián)EFP的必要條件。由曲率半徑對(duì)成型影響分析，選擇曲率半徑R為70 mm，裝藥高度80 mm。三層藥型罩厚度相同條件下，分別計(jì)算每層壁厚為1.4、1.6、1.8、2.0、2.2 mm，300 μs后EFP成型參數(shù)如表3所示。EFP速度、長(zhǎng)徑比隨藥型罩厚度變化曲線如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出，隨著藥型罩壁厚的增大，每個(gè)微元的壓垮速度都下降，每層藥型罩形成的EFP長(zhǎng)徑比和速度均減少。外罩與中罩比較，速度差增大；但中罩與內(nèi)罩的速度差減小。當(dāng)每層厚度為1.4 mm時(shí)，由于壁厚太薄，成型翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，罩體被拉斷，不能正常分離；每層厚度2.2 mm時(shí)，三個(gè)藥型罩抗變形能力都明顯增強(qiáng)，藥型罩分離迅速，內(nèi)罩速度過(guò)低，不能形成形狀較好的桿式EFP。

綜上所述，形成正常分離的串聯(lián)EFP，藥型罩總厚度選擇不宜過(guò)大或過(guò)小，每層藥型罩厚度為1.8～2.0 mm時(shí)，可形成長(zhǎng)徑比較大的三層桿式EFP。

3.3 裝藥高度的影響

為分析裝藥高度對(duì)三層藥型罩串聯(lián)EFP參數(shù)的影響，選擇每層藥型罩壁厚1.8 mm，曲率半徑R為70 mm，分別計(jì)算裝藥高度為60、70、80、90、100 mm結(jié)果如圖所示。EFP速度、長(zhǎng)徑比隨曲率半徑變化曲線如圖9和圖10所示。

由表4可以看出，在不同裝藥高度時(shí)，三層藥型罩均能實(shí)現(xiàn)分離成型。由圖9可知，隨著裝藥高度的增加，每層EFP速度增加，其中外罩速度增加最大，每層EFP之間速度差變大；同樣，隨著裝藥長(zhǎng)徑比增加，每層EFP長(zhǎng)徑比及長(zhǎng)度增大。綜合分析可知，裝藥高度對(duì)三層串聯(lián)EFP影響規(guī)律與單層EFP類似，裝藥量的增大使EFP獲得更多動(dòng)能，使EFP拉伸時(shí)間變長(zhǎng)。

圖7 EFP速度隨藥型罩厚度變化

T/mmV/(m·s-1)L/mmD/mmL/D300μs形狀1．4197786．812．96．7171989．612．77．1152588．47．611．61．6178465．612．55．2150373．714．35．2131467．711．36．01．8166654．116．13．4136964．818．63．5119657．417．03．42．0156247．617．92．7126751．120．52．5109749．921．92．32．2147142．220．22．1116945．626．81．7105645．126．01．7

圖9 EFP速度隨裝藥高度變化

H/mmV/(m·s-1)L/mmD/mmL/D300μs形狀60150643．519．42．2126848．119．92．4111549．218．62．670159748．816．72．9132455．818．73．0116352．218．42．880166654．116．13．4136964．818．63．5119657．417．03．490172159．216．23．7140368．915．14．6122061．615．73．9100176362．913．64．6143782．313．26．2125168．114．44．7

4 結(jié)論

1) 采用的三個(gè)同材料等壁厚球缺型藥型罩同軸貼合放置并采用次口徑成型裝藥結(jié)構(gòu)的方法形成三個(gè)獨(dú)立共軸EFP，各EFP之間具有穩(wěn)定的速度差。

2) 成型裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)(球缺罩曲率半徑、藥型罩壁厚、裝藥高度的變化規(guī)律)對(duì)三層藥型罩分離形成獨(dú)立EFP影響不同。其中，曲率半徑主要影響EFP形狀，對(duì)外層藥型罩速度影響不大；每層藥型罩壁厚越大，各層藥型罩分離越快，過(guò)小的藥型罩厚度不能分離成獨(dú)立EFP，過(guò)大的厚度由于內(nèi)藥型罩速度低不能形成桿式EFP；三層藥型罩裝藥高度和長(zhǎng)徑比對(duì)每層EFP速度的影響規(guī)律與單層藥型罩類似，可通過(guò)增加裝藥高度提高每層EFP速度。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Numerical Simulation of Shaped Charge with TripleSub-Caliber Hemispherical Liner into Series EFP

DOU Cheng-biao,YIN Jian-pin,XU Quan-zheng,SUN Jia-xiao,TANG Qi

(School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

By ANSYS/LS-DYNA software, the forming process of shaped charge with triple sub-caliber hemispherical liner into series EFP was analyzed. The law curves of velocity and L/D with structural parameters of curvature radius, thickness of hemispherical liner and the height of shaped charge of each liner were obtained. The result indicates that there are remarkable effects of curvature radius and thickness of hemispherical liner on the formation parameters of each EFP. Increasing the height of shaped charge effectively enhances velocity of each EFP.

triple layer liners; EFP; shaped charge; numerical simulation

2016-11-25；

2016-12-31

國(guó)家自然科學(xué)基金( 11572291)

竇成彪(1990—)，男，碩士研究生，主要從事沖擊動(dòng)力學(xué)及仿真研究。

10.11809/scbgxb2017.04.014

竇成彪，尹建平，徐全振，等.次口徑三層球缺藥型罩形成串聯(lián)EFP數(shù)值模擬[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):63-67.

format:DOU Cheng-biao,YIN Jian-pin,XU Quan-zheng,et al.Numerical Simulation of Shaped Charge with Triple Sub-Caliber Hemispherical Liner into Series EFP[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):63-67.

TJ413

A

2096-2304(2017)04-0063-05