EPS泡沫密度對組合式MEFP戰(zhàn)斗部的隔爆性能研究*

池朋飛，曹 兵，史慶杰

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，輕型裝甲在戰(zhàn)場上發(fā)揮了越來越大的作用，它具有速度快、靈活度高的優(yōu)點。單個EFP戰(zhàn)斗部對于這類目標(biāo)毀傷效果不佳，會造成過毀傷與打不中的結(jié)果。為了有效的應(yīng)對這類目標(biāo)，很多國家研發(fā)了多爆炸成形彈丸(MEFP)戰(zhàn)斗部，與單EFP戰(zhàn)斗部相比，一次起爆可以形成多枚彈丸，對目標(biāo)進(jìn)行大密度攻擊，提高了毀傷概率。

周翔[1]、付璐[2]等人對MEFP戰(zhàn)斗部發(fā)散角的影響因素進(jìn)行了分析，研究表明，發(fā)散角與填充物密度、相鄰子裝藥間距以及同時起爆時差有關(guān)，填充物壓制密度越小、相臨裝藥間距越大，以及起爆時差越小都有利于減小彈丸的發(fā)散角。文中是基于固定的裝藥間距、固定的殼體、固定的藥型罩和裝藥，研究填充物EPS泡沫的密度對EFP彈丸成型狀態(tài)的影響。

1 組合式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

文中研究的組合式MEFP裝藥結(jié)構(gòu)是建立在單個EFP的基礎(chǔ)上，將3個EFP通過填充介質(zhì)組合在一起，主要由擋板、藥型罩、填充物、裝藥和殼體組成，圖1所示為MEFP戰(zhàn)斗部的120°旋轉(zhuǎn)剖視圖。

圖1 組合式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬和結(jié)果分析

2.1 MEFP戰(zhàn)斗部計算模型和算法選擇

為了清楚地了解該組合式MEFP戰(zhàn)斗部的成型規(guī)律，文中用LS-DYNA 3D有限元計算軟件[3]對其成型過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，由于組合式MEFP裝藥結(jié)構(gòu)的形狀具有幾何對稱性，因此選取1/2結(jié)構(gòu)建立三維計算模型進(jìn)行計算，子裝藥和藥型罩分別設(shè)置為同一個part，有限元部分計算模型如圖2所示。

圖2 組合式MEFP戰(zhàn)斗部部分有限元計算模型

由于炸藥爆炸產(chǎn)生大變形，如果采用拉格朗日算法，物質(zhì)的扭曲會導(dǎo)致計算網(wǎng)格的畸形而使得計算無法進(jìn)行導(dǎo)致計算失敗，而且拉格朗日算法很難模擬出相鄰炸藥爆轟波的碰撞疊加過程；若采用純歐拉算法，要對運動界面引入非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)映射，導(dǎo)致較大誤差，邊界描述不清；因此計算中采用ALE算法[4]，運用流固耦合處理技術(shù)，其中炸藥、藥型罩、填充物、空氣采用歐拉算法，殼體和擋板采用拉格朗日算法，空區(qū)域邊界采用透射邊界，對稱面設(shè)置為對稱邊界。

2.2 材料模型

炸藥材料選用8701，選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述它的爆轟作用過程[5]?？諝膺x用NULL材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程；藥型罩材料為紫銅,選用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程[6]。殼體和擋板材料為鋁，采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。填充物選用壓制EPS泡沫[7]，材料模型采用*MAT_SOIL_AND_FOAM，表1中列出了6種不同密度EPS泡沫的主要參數(shù)。EPS泡沫的本構(gòu)模型需要輸入材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖3。

表1 EPS泡沫參數(shù)

圖3 EPS泡沫不同密度應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

圖4為組合式MEFP的成型過程，由圖4可知藥型罩從t=20 μs開始成型到t=100 μs完全成型，由于爆轟波[8]之間的相互疊加作用使得組合式MEFP中心的壓力增加,EFP緊臨中心一側(cè)會出現(xiàn)上翻現(xiàn)象，為了研究爆轟波疊加對組合式MEFP藥型罩成型過程的影響，對組合式MEFP中間填充不同密度的EPS泡沫進(jìn)行了數(shù)值模擬。并從彈丸的姿態(tài)和發(fā)散角進(jìn)行對比。

圖4 組合式MEFP成型過程

3.1 組合式MEFP戰(zhàn)斗部彈丸成型姿態(tài)

圖5為文中選取的參考標(biāo)準(zhǔn)，EFP彈丸的侵徹威力與彈丸的形狀、氣動性、著靶姿態(tài)密切相關(guān)。EFP彈丸對稱性的提高可以提高EFP彈丸的飛行穩(wěn)定性，減小速度降，改善著靶姿態(tài)。將EFP彈丸的尾裙內(nèi)外邊高度差作為參考，來分析EFP彈丸的對稱性，進(jìn)而對EFP彈丸的穿甲威力進(jìn)行對比。分別選取了采用不同密度泡沫時爆炸成形彈丸在80 μs、100 μs、120 μs、140 μs和160 μs的結(jié)果作對比，為了檢測EPS泡沫的吸能效應(yīng)，把填充物去掉填充空氣做仿真進(jìn)行對比。結(jié)果如圖6所示。

圖5 組合式MEFP戰(zhàn)斗部彈丸尾裙內(nèi)外邊高度差

圖6 不同密度泡沫MEFP彈丸尾裙高度差變化趨勢

由圖6可以看出，在EPS泡沫密度低于0.04 g/cm3時，隨著泡沫密度的增加，MEFP彈丸尾裙高度差逐漸降低，即EPS泡沫吸收的能量逐漸增大。當(dāng)EPS泡沫的密度大于0.04 g/cm3時，隨著泡沫密度的增加，MEFP彈丸尾裙高度差逐漸增加，即EPS泡沫吸收能量的能力隨著密度的增加而下降。由EPS泡沫的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以看出EPS泡沫的壓縮過程表現(xiàn)為線彈性階段、平臺段、致密段[9]，這3個階段決定了EPS泡沫吸收能量的能力，由仿真的結(jié)果可以看出EPS泡沫吸收能量的密度存在一個最佳值0.04 g/cm3，若密度太低泡沫材料吸收很少的能量就進(jìn)入壓實段，導(dǎo)致在達(dá)到吸收限定能量之前就達(dá)到了很高的應(yīng)力水平；若密度太大，在吸收限定能量時，其應(yīng)力處于較低水平，材料吸能性能沒有得到充分發(fā)揮。

3.2 EFP彈丸發(fā)散角

圖7為組合式MEFP戰(zhàn)斗部填充不同密度聚苯乙烯泡沫時EFP彈丸的發(fā)散角，EFP彈丸的發(fā)散角指的是EFP彈丸的速度矢量方向與組合式MEFP戰(zhàn)斗部軸線的夾角。從圖中可以看出EFP彈丸發(fā)散角在EPS泡沫密度從0.02 g/cm3到0.04 g/cm3變化時逐漸減小，當(dāng)泡沫密度大于0.04 g/cm3隨著泡沫密度的增加，EFP彈丸發(fā)散角也相應(yīng)增大。產(chǎn)生這一趨勢的原因是爆轟波在EPS泡沫中傳播時壓縮泡沫，泡沫經(jīng)過3個階段的變形吸收能量，前半段隨著泡沫密度的增加泡沫吸收的能量增加，后半段，隨著泡沫密度的增加泡沫過早的進(jìn)入了致密段，泡沫吸收能量的階段提前結(jié)束，因此，隨著密度的增加吸收的能量卻在減少，發(fā)散角逐漸增大。

圖7 組合式MEFP戰(zhàn)斗部填充不同密度彈丸發(fā)散角

4 試驗及結(jié)果分析

4.1 試驗設(shè)置

為了驗證設(shè)計的組合式MEFP戰(zhàn)斗部能否產(chǎn)生預(yù)期的彈丸以及彈丸的侵徹能力，對其進(jìn)行了地面靜爆試驗[10]。圖8為組合式MEFP戰(zhàn)斗部，試驗布局如圖9所示，組合式MEFP戰(zhàn)斗部與靶板的距離50 m。整塊靶板采用三腳架固定，并與地面保持垂直。組合式MEFP戰(zhàn)斗部中心線與靶板中心線處于同一水平面，采用瞄準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)靶板中心。試驗方案和結(jié)果見表2。

表2 試驗方案和結(jié)果

圖8 組合式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

圖9 試驗布局

4.2 試驗結(jié)果分析

由表2的試驗結(jié)果，可以看出彈丸的姿態(tài)對穿甲威力的影響較大，填充密度為0.04 g/cm3的試驗方案結(jié)果較好，其中1號戰(zhàn)斗部全部貫穿，2號戰(zhàn)斗部有一枚未擊穿，2發(fā)平均2.5枚的穿透率，相對于其它填充密度性能較好。圖10為MEFP戰(zhàn)斗部侵徹靶板試驗結(jié)果圖，由圖可知，該戰(zhàn)斗部按預(yù)期生成3枚彈丸，每一枚彈丸都能有效穿透給定距離上的給定靶板，彈丸的分散半徑約為0.6 m，與仿真結(jié)果較為符合，圖11為靶板的穿孔圖，從圖片可以看出穿孔形狀為規(guī)則圓形，表現(xiàn)為沖塞破壞[11]。由試驗結(jié)果可知該組合式MEFP戰(zhàn)斗部具有發(fā)散角較小，一次爆炸形成3枚彈丸，對50 m半徑的輕型裝甲具有良好的毀傷性能。

圖10 組合式MEFP侵徹靶板試驗結(jié)果

圖11 靶板穿孔圖

5 結(jié)論

綜合分析以上組合式MEFP戰(zhàn)斗部成型數(shù)值模擬[12]和試驗研究，有如下幾點結(jié)論：

1)組合式MEFP戰(zhàn)斗部通過填充EPS泡沫，降低了爆轟波之間的干擾，優(yōu)化了EFP彈丸的形狀，能夠穿透給定距離上的給定靶板，發(fā)散角較小，提高了對目標(biāo)的打擊毀傷概率。

2)通過數(shù)值模擬得到了EPS泡沫密度對組合式MEFP戰(zhàn)斗部中相鄰EFP的影響規(guī)律，研究表明密度為0.04 g/cm3的EPS泡沫能夠吸收較多的爆轟能量，降低爆轟波的相互干擾，密度太大或太小都不行。