多爆炸成形彈丸引爆帶殼裝藥數值模擬研究

張 琨，紀 沖，趙長嘯，周望遠，姜 濤，孫宇翔

多爆炸成形彈丸引爆帶殼裝藥數值模擬研究

張 琨1，紀 沖1，趙長嘯1，周望遠2，姜 濤1，孫宇翔1

（1.陸軍工程大學，江蘇 南京，210007；2.中國人民解放軍75733部隊，廣東 廣州，510800）

利用LS-DYNA有限元數值計算軟件，對多爆炸成形彈丸（MEFP）戰(zhàn)斗部沖擊引爆帶殼裝藥過程進行了模擬研究，對比分析了中心點、環(huán)形和平面3種起爆方式對MEFP的影響。相比中心點起爆，平面起爆時中心彈丸速度提高27.8%，動能提高87.5%；環(huán)形起爆下，中心彈丸速度提升24.6%，動能提升77.5%。3種起爆方式均能實現對帶殼裝藥的沖擊起爆，表明基于MEFP銷毀帶殼裝藥方法可行。相對于點起爆、環(huán)形起爆方式，采用平面起爆方式時彈丸發(fā)散角最小，彈丸束密集程度最高，利于提升未爆彈引爆率。

多爆炸成形彈丸；帶殼裝藥；引爆參量；數值模擬

航彈、榴彈等大型未爆彈銷毀新技術一直是彈藥處置銷毀領域關注的熱點和難點。易建坤等[1]研究了高熱劑銷毀彈藥的方法，利用鋁熱反應產生的高溫熔渣，熔穿彈殼點燃內部裝藥；鐘樹良[2]提出了水射流切割技術觀點，利用水射流中的磨料顆粒對炸藥產生沖擊作用，使炸藥受到沖蝕而破碎；祝逢春等[3]嘗試使用聚能金屬射流處理未爆彈。以上技術均需作業(yè)人員近距離進行相關器材設置等操作，因此，在未爆彈狀態(tài)不明情況下實施此類作業(yè)將導致作業(yè)人員承受巨大安全風險。針對上述現實問題，探索研究遠距離安全引爆未爆彈技術具有重要現實意義。

基于多爆炸成形彈丸（Multiple Explosively Form- ed Projectile，簡稱MEFP）戰(zhàn)斗部銷毀未爆彈正是能夠滿足上述要求的一種高效毀傷技術。該戰(zhàn)斗部爆炸后產生多個彈丸，可對目標進行大密集度攻擊，同時每個毀傷元均具有足夠的侵徹能力，能夠有效引爆未爆彈[4-9]。Richard Fong等[10]對軸向變形罩式MEFP進行了深入研究，配合適當的起爆方式，形成了具有良好定向性能的MEFP毀傷元群，可在一定距離上對付目標，但沒有給出具體結構參數。本文利用LS-DYNA數值軟件模擬了MEFP沖擊起爆平面帶殼裝藥全過程，為設計銷毀帶殼裝藥的MEFP提供參考。

1 仿真模型建立

1.1 計算模型

以某整體式MEFP戰(zhàn)斗部為研究對象，其結構如圖1所示。

圖1 1/2 MEFP戰(zhàn)斗部有限元計算模型

戰(zhàn)斗部口徑=106mm，高度=50mm，藥型罩口徑=30mm，相鄰藥型罩間距和周邊藥型罩距裝藥邊緣最短距離相等，同為=4mm。裝藥采用8701炸藥，藥型罩材料為紫銅。藥型罩采用球缺罩，內、外曲率半徑分別為42mm、44mm，壁厚2mm。計算模型中的各部分均采用拉格朗日網格和Solid164實體單元。由于戰(zhàn)斗部結構的幾何形狀具有軸對稱性，為簡化運算選取1/2結構部分建立三維模型進行計算。

由于本文重點是檢驗MEFP的沖擊起爆能力，為方便運算將帶殼裝藥簡化為平面靶板貼敷被發(fā)裝藥模型。計算模型由炸藥、藥型罩、鋼殼體靶板和被發(fā)裝藥4部分組成，具體如圖2所示。計算中假定炸藥、藥型罩和鋼殼體靶板為均勻連續(xù)介質，整個爆炸侵徹過程為絕熱過程，不考慮重力影響；忽略靶板側邊效應，不考慮靶板整體運動和空氣影響。炸藥與藥型罩之間采用滑移接觸，對藥型罩內部定義自動單面接觸，藥型罩與鋼靶和被發(fā)裝藥之間采用侵蝕面面接觸。通過查閱彈藥參數[6]，本文所研究的小型未爆彈殼體為鋼質材料，平均壁厚通常小于10mm。因此文中所研究帶殼裝藥殼體尺寸采用10mm厚的45#鋼板，靶板背后貼敷被發(fā)裝藥為Ｂ炸藥，厚度為20mm。為縮短計算時間，將MEFP戰(zhàn)斗部與鋼殼體靶板的距離設定為50cm。

圖2 整體式MEFP戰(zhàn)斗部引爆帶殼裝藥有限元計算模型

1.2 仿真計算參數

數值計算中采用的相關材料模型詳見表1，具體參數詳見表2。

表1 采用的材料模型 （g-cm-μs）

Tab.1 Material models

表2 各材料模型參數 （g-cm-μs）

Tab.2 The parameters of material models

2 仿真計算結果及分析

2.1 MEFP的成形過程

仿真模型中MEFP戰(zhàn)斗部采用裝藥底部中心點處起爆方式。計算表明，裝藥起爆后，受球面爆轟波作用，中心藥型罩被壓垮翻轉形成軸對稱、形狀規(guī)則的彈丸；對于周邊藥型罩，由于爆轟波首先作用于周邊藥型罩靠近裝藥軸線的邊緣部位，再依次沿軸線作用于其他部位，故藥型罩同一半徑圓環(huán)位置上的微元接受爆轟能量大小與時間不一致，最先作用部位形成彈丸頭部，其它微元因軸向速度差被拉伸并向徑向擠壓形成彈體，彈丸形狀不規(guī)則，飛行過程中會產生翻轉現象。中心彈丸頭部與尾部存在一定的速度梯度，尾部在頭部拉扯作用下，速度逐漸趨于一致。彈丸具體成形過程如圖3所示。

模擬得到的彈丸軸向速度時程曲線如圖4所示，中心彈丸軸向速度可達2 137 m/s；MEFP屬于軸對稱結構，故周邊彈丸軸向速度規(guī)律一致，最終達到了2 005m/s。由于周邊彈丸在飛行過程中存在徑向速度，因此穩(wěn)定飛行之后便形成具有一定打擊面積的理想的彈丸束。為進行后續(xù)研究，定義彈丸發(fā)散角如圖5所示。

圖3 中心點處起爆時MEFP的成形過程

圖4 中心彈丸與周邊彈丸軸向速度

圖5 彈丸發(fā)散角示意圖

由圖5各參量定義可得，發(fā)散角為=arctan (1/1)，式中1為形成的彈丸的發(fā)散半徑，即=0時單元徑向位移，1為=0時單元軸向位移。且有：

經計算得知，發(fā)散角為5.43°。

2.2 MEFP沖擊引爆帶殼裝藥過程

由于中心彈丸軸向速度大于周邊彈丸軸向速度，因此整體式MEFP沖擊帶殼裝藥過程中，中心彈丸先著靶，周邊彈丸隨后著靶。根據數值計算得到，沖擊引爆帶殼裝藥過程主要分為3個階段，如圖6所示。第1階段：彈丸頭部與鋼靶高速撞擊，在鋼靶周圍迅速形成塑性變形區(qū)和高溫區(qū)，并在彈丸頭部產生較強沖擊波，如圖6（a）~（b）所示；第2階段：彈丸沖擊殼體產生的沖擊波入射炸藥內部，不均勻地加熱炸藥，沖擊波對炸藥本身固有的空隙和氣泡等進行絕熱壓縮，形成具有很高溫度的熱點；第3階段：熱點迅速匯聚擴散，周圍的炸藥反應釋放的能量又加強初始沖擊波，二者共同作用在裝藥內部最終發(fā)展成穩(wěn)定爆轟，如圖6（d）所示。

圖6 整體式MEFP中心彈丸侵徹45#鋼靶及引爆被發(fā)裝藥過程

為更加清晰地分析沖擊引爆過程，在LS-PrePost后處理軟件中，從被覆裝藥內部等間距選取8個觀測點，相鄰觀測點間距為3mm，如圖7所示。炸藥被沖擊引爆時，爆轟波最先到達8個觀測點中的H519837，該點出現沖擊波波峰。隨著爆轟的傳遞，余下7點均依次出現沖擊波波峰，符合炸藥穩(wěn)定爆轟時CJ面爆轟波壓力的數據指標[9]，說明爆轟波在帶殼裝藥中穩(wěn)定持續(xù)傳播，帶殼裝藥被充分引爆。

圖7 選取的各參照點及其壓力變化曲線

圖8 整體式MEFP周邊彈丸侵徹45#鋼靶及引爆被發(fā)裝藥過程

實際作業(yè)過程中，存在中心彈丸脫靶而周邊彈丸著靶的情況。為檢驗周邊彈丸沖擊起爆能力，在數值計算過程中刪除中心彈丸與靶板及被覆裝藥的接觸，使周邊彈丸單獨沖擊侵徹。如圖8所示，在周邊彈丸侵徹作用下，炸藥被沖擊起爆并發(fā)展成穩(wěn)定爆轟。由此可見，即便中心彈丸脫靶，周邊彈丸仍具有較強的沖擊起爆能力。

2.3 起爆方式對彈丸性能影響

為研究不同起爆方式對MEFP性能的影響，模擬對戰(zhàn)斗部采用中心點、環(huán)形和平面起爆3種方式進行觀察對比。環(huán)形起爆為在裝藥底部具有一定半徑圓環(huán)形的線起爆，本文環(huán)形起爆半徑選定為0.30L。3種起爆方式下中心彈丸速度及動能分布如圖9~10所示。

圖10 3種起爆方式下中心彈丸動能分布

由圖9~10可見，相比中心點起爆，平面起爆時中心彈丸速度提高27.8%，動能提高87.5%；環(huán)形起爆情況下，中心彈丸速度提升24.6%，動能提升77.5%。3種起爆方式下彈丸都具有足夠起爆能力，均能可靠沖擊起爆帶殼裝藥。

結合圖1和圖5，根據公式（1），求得3種起爆方式下彈丸發(fā)散角和毀傷面積，見表3。通過表3可以發(fā)現，平面起爆時彈丸發(fā)散角最小，能夠形成比較密集的彈丸束，利于提升著靶率。

表3 不同起爆方式下彈丸發(fā)散角與毀傷面積（靶距為5m）

Tab.3 Divergence angle and damage area of projectile under different detonation modes (target distance is 5m)

3 結論

通過對MEFP沖擊引爆帶殼裝藥過程進行數值模擬仿真，分析得到以下結論：（1）由數值模擬結果可得，MEFP能夠成功沖擊引爆帶殼裝藥，表明基于MEFP銷毀未爆彈方法可行。（2）相對于點起爆、環(huán)形起爆方式，采用平面起爆方式時彈丸動能最大，具有更大的侵徹能力，彈丸發(fā)散角最小，彈丸束密集程度最高，利于提升未爆彈引爆率。

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Numerical Simulation and Study of MEFP on Impact Initiation Process of Charge with Shell

ZHANG Kun1，JI Chong1，ZHAO Chang-xiao1，ZHOU Wang-yuan2，JIANG Tao1，SUN Yu-xiang1

（1.Army Engineering University of PLA，Nanjing，210007；2.75733 Troops，PLA，Guangzhou，510800）

In this paper, LS-DYNA was used to simulate the impact detonation of multiple explosive shaped projectile (MEFP) with shell charge under three different detonation modes. Compared with the central point initiation, the velocity and kinetic energy of the central projectile were increased by 27.8% and 87.5% respectively in the plane initiation state. Under the condition of ring initiation, the velocity of the center projectile was increased by 24.6% and the kinetic energy by 77.5%.All the three detonation methods can realize the impact detonation of shell charge, which indicates that the method of destroying shell charge based on MEFP is feasible. Compared with the point initiation and ring initiation, the projectile divergence angle is the smallest and the projectile beam density is the highest when the plane initiation is adopted, which is conductive to improving the detonation rate of unexploded projectile.

MEFP；Charge with shell；Detonation parameters；Numerical simulation

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.006

1003-1480（2020）01-0022-04

2019-11-15

張琨（1990-），男，碩士研究生，主要從事爆炸與毀傷作用機理及其應用研究。