階梯式雙層EFP成型及侵徹性能數(shù)值模擬

楊朝霞，陳智剛，楊寶良，程 瑤，張曉東，趙太勇，王維占

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051；3.西安現(xiàn)代控制技術研究所，西安 710065；4.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 引言

近幾年，由于爆炸反應裝甲、復合裝甲技術不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)破甲戰(zhàn)斗部面臨著艱難的考驗。多層藥型罩串聯(lián)EFP具備更加嚴謹?shù)哪芰哭D化與吸收機理，化學能利用率也極高并且可以增加彈丸的毀傷效應，因而引起廣大學者研究。

國外和國內先后都對多層EFP的成型模型、成型機理進行了仿真研究及試驗分析。但研究都是針對傳統(tǒng)的雙層EFP，其成型及侵徹效能仍具不足。王維占等對包覆式雙層EFP成型進行了數(shù)值模擬研究，楊帥建立了前后級爆炸成型彈丸飛行速度的理論計算模型，分別得出實現(xiàn)雙層EFP的包覆或分離的結構參數(shù)取值范圍，為本文數(shù)值模擬研究提供一定參考。

Liu等發(fā)現(xiàn)尾翼結構對EFP氣動特性有很大提高；張孝中等通過有限元模擬在藥型罩外表面刻制矩形凹槽，得到了成型較好的尾翼EFP；楊寶良等分析了階梯式藥型罩階梯旋角等參數(shù)與EFP尾翼偏斜角等的關系，為EFP氣動特性的優(yōu)劣評估提供參考依據。由此可見，階梯結構及尾翼結構對EFP綜合性能的提高大有裨益。

故本文提出了一種階梯式雙層EFP結構，利用數(shù)值模擬的方法復現(xiàn)了雙層階梯型EFP的成型過程，主要研究了裝藥長徑比、藥型罩壁厚、曲率半徑對雙層串聯(lián)階梯型EFP的成型特性的影響規(guī)律，并探究了階梯式雙層EFP對移動目標的侵徹效能。研究結論對爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部結構設計具有一定的指導意義。

2 裝藥結構方案與計算模型

本文設計外罩內表面為階梯型，內罩外表面為階梯型來進行仿真計算，如圖1所示。圖2中左圖為戰(zhàn)斗部結構示意圖，、分別為裝藥高度與直徑，、、分別為外球、中球、內球的半徑。如圖2中右側圖所示，仿真模型中罩底內口徑為80 mm，裝藥直徑為80 mm。

圖1 雙層罩有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model of double-layer liner

圖2 實體模型與計算模型示意圖Fig.2 Solid model and simulation model

通過TRUEGRID建模軟件構建仿真模型，由于藥型罩為階梯型，建立整體結構的三維模型。計算網格是Solid164八節(jié)點六面體單元，裝藥結構各部分均使用拉格朗日算法，炸藥與藥型罩之間采用侵蝕接觸，其余為自動面-面接觸算法。本文數(shù)值模擬中，戰(zhàn)斗部裝藥為8701炸藥，材料模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程為JWL，主要參數(shù)見表1。內外層藥型罩都選取紫銅這一材料，戰(zhàn)斗部殼體材料為45鋼，全部金屬采用JOHNSON-COOK材料模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN，主要參數(shù)見表2。

表1 8701 炸藥參數(shù)Table 1 Parameters of 8701 explosive

表2 金屬材料參數(shù)Table 2 Parameters of metal material

其中：為屈服應力；為應變硬化系數(shù)；為應變硬化指數(shù)；為應變率相關系數(shù)；為溫度相關系數(shù)。

3 階梯式雙層EFP成型過程分析

階梯藥型罩是在藥型罩外端面或者內端面相對于半徑法線的鑲塊錯位。在階梯藥型罩壓垮過程中，產生角動量傳遞給藥型罩而且得以保持，使彈丸在空中飛行時通過旋轉來保證氣動力穩(wěn)定性。

雙層階梯型聚能裝藥結構由殼體、炸藥和內外層藥型罩組成。其中，靠近炸藥的為外罩；遠離炸藥的為內罩。雙層EFP的成型過程如圖3所示。

圖3 雙層EFP的成型過程Fig.3 Forming process of double-layer EFP

內外層藥型罩最先垮成餅狀(24 μs)，無明顯的非對稱性。隨著藥型罩頂部和軸向邊緣的速度梯度的增加，EFP逐漸被拉長，雛形尾翼逐漸形成(92～164 μs)。不論階梯結構位于藥型罩內表面還是外表面，藥型罩的階梯結構在EFP成型過程中，成為凹陷導槽與凸出尾翼翼片的分界位置。其中，藥型罩階梯外側位置藥型罩壁厚較薄，該處藥型罩質量微元在成型過程中發(fā)生徑向收縮，形成凹陷結構的尾翼導槽。而藥型罩階梯內側位置藥型罩壁厚相對較厚，在EFP成型過程中此處質量微元發(fā)生徑向折疊擴張行為，形成凸出結構的尾翼翼片。因為藥型罩自身材質的抗力特性，徑向凹陷收縮與凸出折疊擴張的質量微元運動一定位移后停止運動，此時藥型罩形成帶有褶皺狀且周向均勻分布的尾翼式EFP，整個EFP成型過程結束(=276 μs)。內外罩成型穩(wěn)定后，由于存在一定速度差，飛行一段時間后逐漸分離(276～396 μs)。

雙層罩毀傷元形成機理與其形狀密切相關。小錐角藥型罩通過壓垮形成毀傷元，內外罩間的摩擦阻力非常小，兩罩難以分開。球缺罩通過翻轉形成毀傷元。階梯式球缺罩有益于產生形狀更好、長徑比更大的EFP，而且成型彈丸產生了旋轉，在空中能夠穩(wěn)定飛行前進。在忽略其他條件下，階梯式球缺罩性能更加優(yōu)良，因而能以球缺罩為基礎來不斷發(fā)展完善階梯式旋轉EFP技術。

4 成型及侵徹效能因素分析

4.1 階梯結構影響

當內外層藥型罩壁厚均為5.5 mm，裝藥長徑比為1.4時，分別對傳統(tǒng)式雙層藥型罩結構和階梯式雙層藥型罩結構進行數(shù)值模擬，對比分析2種結構下雙層EFP的速度、長徑比以及轉速。

由表3可知，階梯式雙層藥型罩結構的內外層EFP速度均大于傳統(tǒng)式；階梯結構的內外層EFP長徑比相差較小，而傳統(tǒng)結構內外層EFP長徑比相差較大，且外層EFP長徑比偏大，容易產生拉伸斷裂；階梯結構的雙層EFP具有一定轉速，而傳統(tǒng)結構的雙層EFP幾乎沒有轉速。綜合分析可知，相比于傳統(tǒng)式雙層藥型罩結構，階梯式雙層藥型罩結構所形成的雙層EFP既可以在空中高速穩(wěn)定飛行，又不易產生斷裂且侵徹威力足夠。

表3 2種結構下的雙層EFPTable 3 Double-layer EFP comparison of two structures

4.2 裝藥長徑比影響

從雙層EFP速度、長徑比、轉速角度研究，內外層藥型罩壁厚均取5.5 mm，依次改變裝藥長徑比，進行數(shù)值模擬。

由表4發(fā)現(xiàn)，藥型罩形成帶有褶皺狀且周向均勻分布的尾翼式EFP。當藥型罩壁厚一定時，裝藥長徑比越大，外罩EFP尾部越收攏。根據圖4不難看出：裝藥長徑比越大，內外罩EFP速度越高，內罩EFP速度始終大于外罩EFP。內外罩EFP長徑比與裝藥長徑比呈正相關；裝藥長徑比大于1.3時，內外罩EFP長徑比相差較小。裝藥長徑比小于1時，內外罩EFP轉速隨著裝藥長徑比的增加而逐漸增加；大于1時，內外罩EFP轉速先減小后增加再減小。當裝藥長徑比為1.6時，內罩EFP負向轉速最大且外罩EFP正向轉速最大。通過上述分析得出裝藥長徑比取值在1.5～1.6較好。

圖4 裝藥長徑比-EFP成型特性曲線Fig.4 The forming characteristics of EFP vs.the ratio of length to diameter of charge

表4 不同長徑比條件下的雙層EFP對比Table 4 Comparison of double-layer EFP under different ratios of length to diameter

4.3 藥型罩壁厚影響

從雙層EFP速度、長徑比、轉速角度研究，在裝藥長徑比為1.5時，依次改變藥型罩壁厚，進行數(shù)值模擬。

由表5和圖5發(fā)現(xiàn)，隨著藥型罩壁厚的增加，內外罩EFP的速度都呈逐漸減小的趨勢，內罩EFP速度始終大于外罩EFP。內外罩EFP的長徑比隨藥型罩壁厚的增加逐漸減小，藥型罩壁厚小于5.5 mm時，外EFP長徑比與內EFP長徑比相差不大；藥型罩壁厚大于5.5 mm時，外EFP長徑比小于內EFP長徑比，兩者差值逐漸增大。當EFP長徑比過大時，容易產生拉伸斷裂；EFP長徑比過小時，會造成EFP空腔，影響破甲能力，因而雙層EFP的長徑比都要保持在一定合理范圍內。隨著藥型罩壁厚的增加，內外罩EFP轉速均逐漸減小直至為0。綜合分析可知內外罩藥型罩壁厚取值在 5～5.5 mm較好，既可以保證雙層EFP在空中高速穩(wěn)定飛行，又可以使得雙層EFP不容易斷裂且有足夠的侵徹威力(表5)。

圖5 藥型罩壁厚-EFP成型特性曲線Fig.5 The forming characteristics of EFP vs.the thickness of liner

表5 不同藥型罩壁厚條件下的雙層EFP對比Table 5 Comparison of double-layer EFP under different thicknesses of liner

4.4 曲率半徑影響

依次改變內外罩曲率半徑比(與裝藥直徑之比)，進行數(shù)值模擬，表6為曲徑比與雙層EFP速度、長徑比、轉速之間的關系。

由表6和圖6可知：隨著曲徑比的增大，外罩EFP速度逐漸增大，內罩EFP速度逐漸減小。內外罩EFP的長徑比隨曲徑比的增大都逐漸減小，但EFP長徑比過小時，破甲能力有所下降。隨著曲徑比的增加，內外罩EFP的轉速均逐漸減小，直至為0。綜合分析，當內外罩曲徑比在0.96～1.38時，彈丸既可以保證較高的飛行穩(wěn)定性，又具備足夠的侵徹威力。

表6 不同曲徑比條件下的雙層EFP對比Table 6 Comparison of double-layer EFP under different ratios of curved diameter

圖6 中曲徑比-EFP成型特性曲線Fig.6 The forming characteristics of EFP vs.the ratio of curved diameter

4.5 侵徹效能

經上述分析可知，研究設計的雙層階梯旋轉EFP可在不同結構參數(shù)下成型形態(tài)和前后EFP分離距離不同，這將導致EFP的終點彈道對裝甲目標的毀傷效能具有顯著影響。研究選定美國LAV-25輪式步兵戰(zhàn)車為研究對象，選取其易損件(正面首上裝甲)等效靶為12 mm RHA鋼靶，作為雙層階梯EFP的侵徹目標，炸高分別為1 m、10m、30 m、60 m、100 m，靶板等效為長100 cm、寬30 cm、厚度10 mm的移動裝甲鋼，速度為24 m/s(車輛移動的時速)。

雙層EFP侵徹移動靶時，由于內外罩EFP速度大小有所差異，內罩EFP首先接觸到靶板并將其穿透，此時外罩EFP距離靶板存在一定距離；當外罩EFP接觸到靶板時，靶板已經移動一段距離，因此2個EFP所造成的穿孔具有一定距離。由圖7可知，炸高小于10 m時，雙層EFP侵徹移動靶形成2個相連孔；炸高大于10 m時，雙層EFP侵徹移動靶形成2個具有一定距離的孔；炸高越大，2個孔的間距就越大。

圖7 長徑比為1.1時，不同炸高下雙層EFP對移動靶的侵徹示意圖Fig.7 Penetration results of double-layer EFP to moving target under different standoff distances when the ratio of length to diameter is 1.1

由圖8～圖10可知，本文所設計的雙層階梯型聚能裝藥結構可實現(xiàn)對移動靶的多孔毀傷效應。結合3.2～3.4節(jié)可知，移動靶板的穿孔間距主要與前后級EFP的成型速度具有相關性，而前后級成型EFP速度與裝藥結構參數(shù)密不可分。根據圖11可以發(fā)現(xiàn)，炸高大于10 m時，炸高越大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的兩孔的間距越大。炸高為100 m時，隨著長徑比的增大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的2個孔的間距基本一致；隨著藥型罩壁厚的增加，靶板上的2個孔的間距越來越大；隨著曲徑比的增大，靶板上的2個孔的間距越來越小。

圖8 炸高100 m時不同長徑比條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.8 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different ratios of length to diameter when the standoff distance is 100 m

圖9 炸高100 m時不同藥型罩壁厚條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.9 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different thicknesses of liner when the standoff distance is 100 m

圖10 炸高100 m時不同曲徑比條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.10 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different ratios of curved diameter when the standoff distance is 100 m

圖11 兩孔間距隨炸高、裝藥長徑比及藥型罩參數(shù)變化曲線Fig.11 The distance double punching vs.standoff distance、ratio of length to diameter of charge and structural parameters of liner

5 結論

1)雙層階梯型聚能裝藥戰(zhàn)斗部可形成分離式雙層旋轉EFP。藥型罩結構參數(shù)對EFP成型特性的影響非常關鍵，裝藥長徑比在1.5～1.6，內外罩壁厚在5～5.5 mm，曲徑比在0.96～1.38時，雙層EFP能夠在空中高速穩(wěn)定飛行且成型較好，既不容易拉伸斷裂，又有足夠的侵徹威力。

2)雙層階梯型聚能裝藥戰(zhàn)斗部可實現(xiàn)對裝甲目標的雙開孔效應。炸高越大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的兩孔的間距越大；裝藥長徑比增大，兩孔間距基本不變；兩孔間距與藥型罩壁厚呈正相關，與曲徑比呈負相關。

研究結論可為戰(zhàn)斗部結構發(fā)展提供參考。