一種包覆式爆炸成型彈丸數(shù)值模擬研究

韓陽陽，尹建平，王志軍，孫加肖

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院， 太原 030051)

根據(jù)聚能效應(yīng)原理，聚能裝藥裝置爆炸后，藥型罩被爆炸載荷壓垮、翻轉(zhuǎn)和閉合形成的高速彈丸，稱之為爆炸成型彈丸(Explosively Formed Penetrator， EFP)[1]。EFP成型模式分為3種：向后翻轉(zhuǎn)型、向前壓攏型、壓垮型。向后翻轉(zhuǎn)型EFP一般帶尾翼或圍裙，彈丸前部一般較光滑，具備良好的氣動外形及外彈道性能，更適于攻擊遠距離目標。向前壓攏型EFP具有良好的密實性、高動能等優(yōu)點，但是氣動性較差，所以更適于攻擊較近距離內(nèi)目標[2]。壓垮型EFP一般呈球形，因此具有良好的密實性，也適合攻擊近距離目標。德國研制的“鸕鶿”反艦半穿甲戰(zhàn)斗部能夠形成24個向前壓攏型EFP，能夠穿透7層6 mm鋼靶[3-4]。王樹有等[5]研究了小長徑比聚能裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)對包覆式爆炸成型復(fù)合侵徹體成型影響，得到了較優(yōu)的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。門建兵等[6]提出了一種能夠利用變壁厚球缺罩形成的包覆式爆炸成型復(fù)合反應(yīng)破片。于川等[7]設(shè)計了壓攏型EFP實驗裝置，并進行了侵徹多層鋼靶實驗。從研究現(xiàn)狀來看，EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)多用于靈巧彈藥、智能彈藥中，大多研究具有良好飛行穩(wěn)定性的向后翻轉(zhuǎn)型EFP，對于向前壓攏型EFP的研究較少。

橫向效應(yīng)增強型侵徹體(PELE)是一種基于新型毀傷機理的彈藥，該彈藥由高密度外層彈體和裝在殼體內(nèi)的低密度惰性裝填物組成。PELE擊中目標后，外殼侵徹靶板，惰性彈芯被擠壓在彈坑與外殼之間，彈芯所受壓力不斷升高，對外殼產(chǎn)生徑向作用力使周圍外殼膨脹，最終達到擴孔效果[8-9]。

為了提高EFP的毀傷性能，增大EFP對靶板的侵徹孔徑，在傳統(tǒng)戰(zhàn)斗部形成向前壓攏型EFP基礎(chǔ)上，受橫向效應(yīng)增強型侵徹體作用原理的啟發(fā)，本文提出一種新型外鋼內(nèi)鋁復(fù)合戰(zhàn)斗部，旨在通過侵徹體的橫向效應(yīng)達到增大開孔口徑，進而有效地攻擊近距離輕型裝甲的目的。運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件模擬了該包覆式EFP成型及對靶板侵徹，分析了戰(zhàn)斗部各結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP成型性能影響。

1 幾何結(jié)構(gòu)及計算模型

戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)幾何模型如圖1所示，藥型罩中間夾層部分低密度材料為鋁，外部高密度材料為鋼，兩罩之間不存在自由面。裝藥直徑D1為60 mm，裝藥長徑比H/D1為1，藥型罩圓弧外壁曲率半徑R為49.43 mm，罩頂厚t1為5 mm，罩底厚t2為0.6 mm。

在數(shù)值模擬過程中，運用Truegrid前處理軟件進行處理，模型中的單元均采用 solid164八節(jié)點六面體單元。炸藥選取8701炸藥，密度1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，運用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL狀態(tài)方程來描述炸藥在爆轟波作用下的動力響應(yīng)行為。藥型罩內(nèi)部夾層鋁密度為2.77 g/cm3，彈性模量為72GPa，泊松比為0.33，外部罩材鋼的密度為7.83 g/cm3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.30，本構(gòu)模型均選用JONSON_COOK模型，狀態(tài)方程為*EOS_GRUNEISEN。起爆方式選取裝藥底端面中心點起爆，算法選取拉格朗日算法[10]，該算法能夠清晰地對材料邊界和界面的變化進行描述。建立的戰(zhàn)斗部有限元模型如圖2所示。

2 EFP成型及毀傷性能研究

2.1 EFP成型過程分析

炸藥起爆后不同時刻EFP成型過程如圖3所示，由此可以看出：炸藥起爆后，爆轟波首先傳到罩頂，然后逐漸向罩底傳播，又由于罩底相對罩頂薄得多，則罩底部微元軸向速度明顯大于罩頂微元速度，t=20 μs藥型罩已經(jīng)呈現(xiàn)向前壓攏的成型模式。此后t=40 μs時，罩殼的中部遲后，罩邊緣部分速度較高并逐漸向?qū)ΨQ軸壓攏，進而成為射彈的頭部，最終在t=90 μs基本形成了成型穩(wěn)定的包覆式EFP。該EFP速度可達到2 206 m/s，長徑比為3.01。

2.2 EFP對鋼靶毀傷性能分析

為分析新型包覆式藥型罩毀傷元的毀傷性能，檢驗該包覆式EFP能否在侵徹靶板過程中同PELE侵徹體一樣產(chǎn)生橫向效應(yīng)，利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元分析軟件對毀傷元侵徹靶板過程進行數(shù)值模擬。其中靶板材料選取裝甲鋼，密度為7.83 g/cm3，彈性模量為77 GPa，泊松比為0.30，靶板尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，材料模型選取*MAT_JONSON_COOK，狀態(tài)方程選用*EOS_GRUNEISEN，炸高為6倍裝藥口徑。相同戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，藥型罩材料為銅(材料參數(shù)參照文獻[11])、外鋼內(nèi)鋁時，形成的毀傷元對靶板的侵徹效果(靶板正視圖、靶板1/2側(cè)視圖)如表1所示。

表1 不同毀傷元對鋼靶侵徹效果

由表1觀察到：相比銅罩，復(fù)合罩形成的復(fù)合EFP對靶板的侵徹孔徑逐漸增大，這是由于單一材料毀傷元在對靶板侵徹過程中，材料的性能變化一致，而當侵徹體內(nèi)部為低密度材料鋁，外部為高密度材料鋼時，內(nèi)外材料彈性模量、泊松比等差異較大，隨著包覆式EFP對靶板侵徹的深入，EFP外部鋼材質(zhì)部分受到靶板作用面積越來越大，所受壓力不斷增大，內(nèi)部鋁材質(zhì)部分對靶板的侵徹相對緩慢，且受到外部鋼材質(zhì)部分EFP和靶板的約束與壓縮不斷增大，進而鋁材質(zhì)部分對靶板的侵徹的軸向力逐漸轉(zhuǎn)化為徑向力，內(nèi)部能量聚集產(chǎn)生高壓，在此壓力作用下，外層的鋼材毀傷元逐漸產(chǎn)生徑向膨脹，進而實現(xiàn)對靶板的擴孔，即橫向效應(yīng)。當毀傷元所受的應(yīng)變達到破碎極限時，EFP破碎產(chǎn)生具有一定徑向飛散速度的破片。

在相同炸高下，銅罩形成的EFP對靶板侵徹入孔直徑為32.7 mm，出孔直徑為31.3 mm，而復(fù)合EFP對靶板正面侵徹孔徑為40.2 mm，出孔直徑為54.1 mm。復(fù)合EFP對靶板侵徹入孔與出孔直徑相對銅罩分別增大了23%、73%。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP成型影響分析

3.1 裝藥長徑比對EFP成型影響

為研究裝藥長徑比對EFP成型影響，固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，選取裝藥長徑比0.6、0.8、1.0 、1.2、1.4，數(shù)值模擬在點起爆情況下EFP成型狀況，結(jié)果如表1所示。表1中，V為EFP頭部速度，L為EFP長度，D為EFP直徑，L/D為包覆式EFP的長徑比。

由表2可以看出，當裝藥長徑比H/D1在0.6～1.4之間，藥型罩均形成包覆式EFP，且裝藥長徑比對EFP形狀影響不大。

表2 EFP成型參數(shù)仿真結(jié)果

結(jié)合圖4、圖5可更形象直觀地看出隨著裝藥長徑比的增大，EFP速度、長度、長徑比均不斷增大，其中EFP速度增加了15%，長徑比增長了29%。因為當裝藥長徑比不斷增大時，裝藥量增加，炸藥的總能量變大，所以EFP速度不斷增大，同時也使EFP拉伸的時間增長，拉伸程度不斷增大，進而形成的EFP長徑比不斷增大。

3.2 外曲率半徑對EFP成型影響

藥型罩的外壁曲率半徑的大小對藥型罩的結(jié)構(gòu)影響很大，這是因為當戰(zhàn)斗部的起爆點確定后，藥型罩的外曲率半徑就決定了爆轟波陣面法線與罩表面的切線之間的夾角，進而決定了爆轟波對罩單元的壓垮壓合作用效果，最終決定爆炸成型彈丸的成型及性能參數(shù)。在分析藥型罩外曲率半徑的影響時，固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，在中心點起爆的情況下，數(shù)值模擬藥型罩外曲率半徑分別為49～53mm(每種方案增加1mm)時EFP成型性能變化，其數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 EFP成型參數(shù)仿真結(jié)果

由表3可以看出：隨著藥型罩外曲率半徑R的增大，EFP由向前壓攏型逐漸變成向后翻轉(zhuǎn)型，因此曲率半徑對EFP形狀影響較大。

由圖6、圖7的EFP速度與長徑比隨著藥型罩外曲率半徑變化曲線圖觀察到：外曲率半徑R不斷增大，爆炸成型彈丸的頭部速度逐漸減小，長徑比也逐步減小，且EFP頭部速度減小了53%，EFP長徑比減小了49%。

3.3 罩底厚對EFP成型性能影響

為分析藥型罩底厚度對EFP成型的影響，固定其他戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，數(shù)值模擬藥型罩底厚為0.6～1.8 mm(每種方案增加0.3 mm)時，戰(zhàn)斗部成型性能變化，結(jié)果如表3所示。由表4觀察到罩底厚度越大，爆炸成型彈丸的長度越短，罩邊緣壓攏程度越小，速度不斷降低。

表4 EFP成型參數(shù)仿真結(jié)果

EFP頭部速度，EFP長徑比隨藥型罩口厚度的變化如圖8、圖9所示。當藥型罩底厚逐漸增加時，EFP頭部速度、長度和長徑比均逐漸減小。其中EFP頭部速度減小了9%，長徑比減小了49%，由此可見罩底厚對爆炸成型彈丸速度影響不大，對長徑比影響較大。原因是隨著藥型罩壁厚的增加，使同樣多的炸藥能量要推動更多質(zhì)量的藥型罩做功，從而使得單位質(zhì)量的藥型罩獲得的能量減少，導(dǎo)致壓垮速度減小，同時罩邊緣逐漸變厚，罩底速度減小，罩頂罩底速度差逐漸減小，不易形成向前壓攏型EFP。

4 結(jié)論

1) 外鋼內(nèi)鋁新型變壁厚球缺型藥型罩形成的包覆式EFP穩(wěn)定速度為2 206 m/s，長徑比為3.01。

2) 包覆式EFP對靶板的侵徹具有橫向效應(yīng)。相比銅罩形成EFP對靶板的侵徹，入孔直徑增大了23%、出孔直徑增大了73%。

3) 隨著裝藥長徑比逐漸越大，包覆式EFP速度和長徑比也不斷增大；藥型罩外曲率半徑不斷越大，EFP頭部速度及長徑比越??；隨著藥型罩底厚逐漸增大，EFP速度及長徑比不斷減小。

4) 裝藥長徑比對EFP速度及長徑比影響較大，對EFP成型效果影響相對較??；藥型罩外曲率半徑對EFP形狀影響很大，對EFP速度及長徑比影響也很大；藥型罩底厚對EFP成型形狀影響較大，對EFP速度及長徑比影響相對較小。