殼體結構對EFP成形性能的影響

池朋飛，曹 兵，史慶杰

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

爆炸成型彈丸[1](EFP)是利用聚能原理，通過炸藥的爆轟作用，使大錐角藥型罩或球缺型藥型罩發(fā)生塑性變形，形成一個具有很高速度和一定形狀的彈丸，以動能侵徹目標。彈丸的形狀與侵徹威力關系密切。在保證彈丸飛行穩(wěn)定性的前提下，提高彈丸速度和長徑比可以提高彈丸的侵徹威力。國內外學者對對EFP的成型進行了大量的研究，其工作主要集中在裝藥、藥型罩以及殼體材料選擇和結構優(yōu)化方面。

蔣建偉等[2]研究了殼體厚度和材料對EFP成型的影響，研究表明在同樣裝藥條件下，鋼殼體相對鋁殼體形成的EFP速度高、長徑比大。唐平江等[3]研究了變壁厚殼體對形成帶尾翼EFP的影響，得出了形狀不同的殼體能形成與之對應形狀尾翼的結論，同時對比了鋼殼和鋁殼對尾翼的影響，結果表明鋼殼能形成較好的尾翼。

近年來EFP戰(zhàn)斗部在末敏彈、智能雷上廣泛應用。其殼體多采用全包裹的鋼殼體，隨著現代技術的應用，對武器的輕型化、小型化要求不斷提高，智能雷在作戰(zhàn)中不但要求要便于攜帶更要求能快速布撒，因此戰(zhàn)斗部在滿足威力要求的同時，要盡量減輕重量[4]。本文對帶殼體EFP戰(zhàn)斗部相對裸裝藥EFP侵徹能力增益進行研究，探明其侵徹增益機理，去除對EFP成型無關或次要部分，減少EFP戰(zhàn)斗部的重量。

1 有限元模型試驗驗證

為了驗證數值模擬的可靠性，用X光拍攝了EFP彈丸的成型圖片，用LS-DYNA軟件建立了相應的EFP有限元模型，將仿真結果與試驗結果進行對比。三維有限元模型如圖1所示。仿真模型由炸藥、藥型罩和空氣組成，采用任意拉格朗日-歐拉(ALE)算法，可以有效的模擬藥型罩在炸藥爆轟波驅動下的大變形問題。采用端面中心點起爆方式，有限元模型各部分選用的材料模型[6]見表1。

名稱材料狀態(tài)方程本構模型裝藥8701炸藥JWLHIGH_EXPLOSIVE_BURN藥型罩紫銅GruneisenJohnson-cook空氣域空氣NullGruneisen

在100 μs時刻，EFP仿真的結果與X光圖像見圖2。EFP數值仿真成型參數和試驗結果列于表2，表中，L/D為EFP長徑比,V為EFP彈丸速度。由圖2可以看出：兩者的成型形狀基本一致，數值模擬得到的EFP尾裙略大于X廣攝影結果，兩者尾裙處都有明顯外翻現象，這是切邊型藥型罩的切邊在爆轟作用下向軸線壓垮成型的結果。對比表2中數值仿真和試驗EFP的成型參數，數值仿真EFP彈丸長徑比1.8，試驗長徑比1.83，相對誤差為1.6%；速度相差16 m/s，相對誤差0.9%；誤差均在5%以內，這表明數值模擬采用的材料本構、狀態(tài)方程等是可信的。

L/DV/(m·s-1)仿真值1.81 656試驗值1.831 672

2 數值模擬結果與分析

計算模型如圖3所示，H為EFP戰(zhàn)斗部裝藥高度，h為殼體高度，δ為殼體的厚度，Dk為裝藥口徑，口徑比約為1，殼體材料為45鋼[7]。為了研究殼體厚度和高度對EFP成型的影響，選取了如表3所示的27種方案，表中列出了每種方案對應EFP在140 μs的成型結果。

方案h/Hδ=0.018DkV/(m·s-1)L/Dδ=0.027DkV/(m·s-1)L/Dδ=0.036DkV/(m·s-1)L/D11 8301.901 9333.842 1244.570.931 8111.521 8582.121 9162.460.861 7751.981 8262.541 8382.300.791 7401 8081 8320.721 6821 7671 7750.651 6672.161 6892.151 6990.581 6642.161 6662.131 6612.190.511 6602.071 6602.071 6612.150.441 6582.061 6582.061 6582.06裸裝藥1 6561.971 6561.971 6561.97

2.1 殼體厚度對EFP速度和形狀的影響

由表3和圖5可以看出，在殼體高度相同的條件下，隨著殼體厚度的增加，EFP的速度逐漸增加。對比殼體厚度分別為0.018Dk、0.027Dk、0.036Dk在殼體高度為H時，EFP在速度增加的同時彈丸頭部發(fā)生頸縮現象，頭部和尾部速度差異增加，隨著時間的增加，EFP彈丸會發(fā)生斷裂。EFP彈丸是藥型罩爆轟載荷作用下變形形成的，藥型罩表面的爆轟載荷分布決定了藥型罩的壓垮變形趨勢，決定了EFP的成型規(guī)律，而爆轟載荷是通過爆轟波傳遞的，爆轟波陣面的結構形狀決定了爆轟載荷的分布規(guī)律，也就決定了藥型罩的壓垮變形趨勢。

隨著殼體厚度的增加，爆轟波與殼體進行碰撞反射，反射波與爆轟波形成疊加，增大了爆轟波陣面壓力，其中反射波的強度與殼體的厚度成正比例關系。爆轟波陣面壓力的提高造成了藥型罩相對爆轟載荷的增加，因此彈丸速度逐漸增加。而造成彈丸從尾部中空到形成桿式彈丸最終頭部發(fā)生頸縮斷裂[8]，這是是由于爆轟載荷經過殼體反射后，分布到藥型罩表面的載荷發(fā)生變化，藥型罩變形過程中向軸線并攏速度增大，使得形成的EFP從簡單的翻轉過渡到密實的長桿彈丸。

2.2 殼體高度對EFP速度和形狀的影響

由圖4可以看出，在殼體厚度不變時，隨著殼體高度H的降低，彈丸的形狀逐漸從桿式彈丸[9]過渡到尾部中空飛行穩(wěn)定性良好的EFP彈丸。由圖5可以看出隨著殼體相對高度的增加EFP彈丸的速度相應增加，在殼體相對高度小于0.5H時，EFP彈丸的速度變化不大；當殼體相對高度大于0.5H時，EFP彈丸的速度才有明顯提高，而殼體相對高度對EFP彈丸速度的影響還體現在，隨著殼體厚度的增加，EFP彈丸速度提高的響應提前，結合圖4可以看出EFP彈丸隨著速度的提高，在某個區(qū)間內EFP彈丸會發(fā)生斷尾現象，這是由于爆轟載荷在藥型罩上分布不均，藥型罩尾部微元受到的壓力相對于藥型罩其他部分受到的壓力過小，在變形過程中藥型罩尾部速度相對彈丸頭部速度差異增加，當速度差達到一定程度時，尾部斷裂。當殼體相對高度接近H時，EFP逐漸形成了長桿形彈丸。

結合表3和圖4還能看出，當EFP戰(zhàn)斗部的殼體高度低于0.5H時，EFP的速度和形狀與裸裝藥沒有明顯區(qū)別，因此可以得出戰(zhàn)斗部殼體對藥型罩成型的影響主要集中在離藥型罩口部較近的上半段。因此在工程應用上，為了降低戰(zhàn)斗部的重量，在滿足戰(zhàn)斗部整體結構強度的同時，戰(zhàn)斗部殼體的下半部分和底板可以考慮采用輕質材料替代。

2.3 分離殼體對EFP速度和形狀的影響

由之前的仿真結果得到了殼體對EFP成型的影響集中在殼體的上半部分，離藥型罩越近影響越大，殼體高度在一定范圍時，EFP彈丸的尾部會發(fā)生斷裂。由圖4可以看出完整殼體雖然能大幅度提高彈丸的速度、長徑比，但是彈丸形狀不理想，飛行穩(wěn)定性差。為了探究上半部分殼體對EFP的影響規(guī)律，做出了圖5的仿真模型，設計了5種方案，殼體厚度為0.036Dk。仿真結果見表4，EFP成型結果見圖6。

方案hV/(m·s-1)L/D方案10.21H1 6802.16方案20.28H1 7082.22方案30.35H1 7482.23方案40.42H1 8322.11方案50.86H1 8382.18

對比圖7和圖4(c)可以看出采取分離式殼體的情況下，EFP成型尾部沒有發(fā)生斷裂。將方案1-4與表3中殼體厚度為0.036Dk殼體高度分別為0.65H、0.72H、0.79H、0.86H進行對比，發(fā)現分離式殼體速度相對于完整殼體速度稍有降低，分離式殼體與裸裝藥EFP結果對比可以看出，分離式殼體形成的EFP在速度、長徑比、密實度方面均大于裸裝藥，并且具有良好的飛行穩(wěn)定性[10]。對比方案4和方案5，EFP的速度相差6 m/s，彈丸長徑比相差0.09。從圖6可以看出方案4和方案5形成的EFP彈丸形狀基本一致。再次驗證了戰(zhàn)斗部殼體下半部分對EFP彈丸成型的結果影響很小，EFP戰(zhàn)斗部可以下半部分殼體和底板更換為輕質的塑料，減輕重量。

3 結論

本文對EFP戰(zhàn)斗部安裝不同厚度不同高度的殼體進行了仿真對比，揭示了殼體對EFP[11]成型的影響的機理，由仿真結果得出了如下結論:

1) 殼體對EFP成型的影響集中在離藥型罩較近的上半部，殼體厚度和高度會影響EFP的成型狀態(tài)。

2) 殼體的厚度和高度在一定范圍內時，殼體越厚形成的彈丸速度越高，但是形成的彈丸飛行穩(wěn)定性不理想，分離式殼體可以有效改良彈丸形狀，提高彈丸速度、長徑比和密實度。

3) 對于不同的藥型罩采用什么樣的殼體結構最佳還需要進一步研究。