LEFP反擊戰(zhàn)斗部結構設計研究

鄭燦杰，盧連軍，李勇健，鐘躍武，王維占，李 根

(1.山東特種工業(yè)集團有限公司， 山東 淄博 255200； 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)

1 引言

聚能型爆炸反應裝甲在坦克防御系統(tǒng)中扮演關鍵的角色，其作用原理是依靠本身爆炸產(chǎn)生的線性自鍛破片對穿甲彈、聚能破甲射流進行切割和干擾，降低對坦克主裝甲的毀傷威力。當穿甲彈以一定的角度高速傾斜撞擊反應裝甲塊，在穿甲彈接近車體一段距離時，起爆聚能裝藥單元，形成LEFP反擊單元來實現(xiàn)對來襲彈藥的攔截，對穿甲彈的彈體結構發(fā)生破壞、偏轉、彎曲、斷裂，削弱桿彈的速度和質量，改變動能彈丸著靶姿態(tài)，從而降低動能彈丸對主裝甲的侵徹能力。本文對LEFP反擊戰(zhàn)斗部結構進行設計計算，獲得在大炸高條件下兼顧穿深與侵徹面積合理匹配的戰(zhàn)斗部結構。

2 LEFP的成型及影響因素

LEFP是由線性成型裝藥爆炸后，藥型罩在爆轟產(chǎn)物作用下擠壓、翻轉，在對稱面上形成具有一定長度的成型侵徹體。作為一種新型聚能毀傷元，它與射流切割器相比，具有使用炸高大、后效作用強、藥型罩利用率高等特點。由于LEFP的性能受材料屬性、裝藥結構、起爆方式等影響，在一定裝藥口徑的條件下，適當提高藥型罩曲率半徑，可以提高LEFP的頭部速度，但形成LEFP的質量也隨之減少；隨藥型罩壁厚的增加，導致藥型罩獲得的動能較少，但藥型罩太薄，會導致藥型罩在反轉時候過早斷裂，從而影響侵徹威力；隨著裝藥高度的增大，LEFP的速度隨之增大，但增大的幅度逐漸變小；殼體具有延緩稀疏波和延長裝藥作用時間的作用，殼體厚度的增大，破片速度也隨之增大，但幅度并不大。藥型罩壁厚是眾多因素(藥型罩曲率半徑、裝藥高度、藥型罩壁厚和殼體)中影響LEFP成型的主要因素。

3 數(shù)值模擬

針對來襲目標設計LEFP結構，使用有限元軟件，模擬150 mm長LEFP反擊戰(zhàn)斗部侵徹鎢桿和45#鋼板的過程，獲得反擊毀傷單元的初速、動能等參數(shù)并計算動態(tài)威力。

針對毀傷元結構，本文進行了部分簡化，建立了相應的有限元計算模型。計算時，采用TRUEGRID軟件建模，生成模型k文件，然后使用ANSYS/LS-DYNA進行求解計算。考慮整個模型有一定的對稱性，建模時為了減少計算量，只需建立1/2模型即可模擬戰(zhàn)斗部侵徹鎢桿及45#鋼板過程；計算網(wǎng)格均采用六面體實體單元，藥型罩、戰(zhàn)斗部裝藥采用ALE算法，殼體、目標靶彈采用拉格朗日算法，目標靶彈炸藥和殼體之間的相互作用由接觸控制來定義。

計算中炸藥采用高能炸藥材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，其表達式為:

(1)

=(,)

(2)

式(1)～(2)中:為來自于狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物力；為任意時刻炸藥單元所釋放的壓力；為炸藥燃燒質量分數(shù)；為相對體積；為初始比內能；、、、和為輸入?yún)?shù)。

這里采用B炸藥，表1給出了B炸藥主要參數(shù)。

表1 炸藥的材料參數(shù)(單位制：mm-ms-kg-GPa)Table 1 Material parameters of explosives

藥型罩對成型聚能侵徹體的質量好壞起決定作用，直接決定了其毀傷性能的優(yōu)劣。目前最多采用的藥型罩材料是紫銅，其密度高、塑性優(yōu)良，形成的侵徹體破甲效果優(yōu)異。因此，反擊單元系統(tǒng)的藥型罩材料選取紫銅，材料模型為MAT_JOHNSON_COOK，它是在考慮了金屬材料承受大應力、高應變率以及高溫的情況下，用來描述動態(tài)響應過程和材料變形問題。表2列舉了紫銅材料的具體參數(shù)。

表2 紫銅材料參數(shù)(mm-ms-kg-GPa)Table 2 Material model and state equation of red copper

對于Euler算法和多物質ALE流固耦合算法來說，建模還需要在侵徹體飛行的整個區(qū)域范圍內添加空氣域，并在邊界點上施加壓力流出的邊界條件，避免邊界效應對計算精度的影響。空氣域所用的材料模型為MAT_NULL，采用線性多項式狀態(tài)方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，表示單位初始體積內能的線性關系。壓力值的表達式為：

=++++(++)

(3)

(4)

式(3)～(4)中：～為常數(shù)；為相對體積；為初始內能。

本文數(shù)值計算中空氣的材料參數(shù)如表3所示。

表3 空氣的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of air

研究采用直徑30 mm鎢桿和70 mm厚45#鋼材料作為打擊目標，研究3種結構聚能裝藥的侵徹性能。材料模型采用應變率相關和失效相結合的各向同性塑性隨動硬化模型。

數(shù)值仿真通過對裝藥、藥型罩、裝藥殼體、起爆方式、毀傷威力數(shù)值的計算，初步設計了裝藥結構和藥型罩，其藥型罩口徑為45 mm，裝藥類型為B炸藥，殼體為1.5 mm厚的鋁殼。藥型罩見圖1。

圖1 反擊戰(zhàn)斗部3種藥型罩示意圖Fig.1 Counter attack warhead three kinds of drug cover schematic diagram

該計算方案的有限元分析模型如圖2所示。

1.戰(zhàn)斗部殼體；2.藥型罩；3.戰(zhàn)斗部裝藥；4.等效鎢棒圖2 計算模型示意圖Fig.2 Calculation model

模擬反擊戰(zhàn)斗部與來襲目標靶彈的作用姿態(tài)，并對其進行切割，觀察對目標靶彈的作用情況。

4 仿真結果分析

4.1 3種毀傷元成型

3種藥型罩成型狀態(tài)如圖3所示。3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)如表4所示。

從圖3可以看出，3裝藥結構均能形成對穿/破甲彈進行毀傷的LEFP毀傷元。從表4毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)可以看出，錐形和亞半球形藥型罩形成的毀傷元速度差小，頭部速度幾乎相同，能夠在大炸高下對鎢桿進行毀傷；半球形藥型罩形成的毀傷元頭部速度高，頭尾速度差大，容易斷裂。

圖3 3種藥型罩成型狀態(tài)示意圖Fig.3 Forming status diagram of three types of drug cover

表4 3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)Table 4 Three damage metadata parameters

4.2 3種毀傷元侵徹結果分析

半球結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程,亞半球結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程,錐形結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 半球結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程示意圖Fig.4 Penetration process of hemispherical structural damage element to 45# steel and tungsten rod

圖5 亞半球結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程示意圖Fig.5 Penetration process of subhemispheric structural damage element on 45# steel and tungsten rod

圖6 錐形結構毀傷元對45#鋼、鎢桿侵徹過程示意圖Fig.6 Conical structure damage element to 45# steel, tungsten rod penetration process

對鋼靶和鎢桿的毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)如表5所示。

表5 3種毀傷元數(shù)據(jù)參數(shù)(mm)Table 5 hree damage metadata parameters

3種毀傷元分別對鎢桿和45#鋼進行侵徹。從侵徹深度上看，半球罩裝藥結構要明顯優(yōu)于其他2種裝藥結構，但從作用面積看劣于其他2種。錐形罩裝藥結構與亞半球裝藥，由于其母線長度短、錐角度大、曲率半徑較小且藥型罩壁厚較后，在爆轟產(chǎn)物的作用下擠壓、翻轉，形成的LEFP速度較低且速度梯度較小，侵徹能力稍差，但藥型罩利用率高，對炸高不敏感，作用面積較大。半球形裝藥結構形成的毀傷元速度高，速度梯度大，毀傷元被拉長，利于對鎢桿和鋼靶的侵徹，但由于作用時毀傷元容易斷裂，且藥型罩利用率不高，因此在改變對鎢桿及鋼靶姿態(tài)時劣于前2種結構。

5 試驗

為了驗證LEFP反擊戰(zhàn)斗部威力選取錐行、半球形等2種線性裝藥結構，進行了2發(fā)靜爆試驗。試驗中所使用裝藥結構尺寸與數(shù)值計算模型相同，裝藥采用B炸藥注藥工藝，裝藥密度1.67 g/cm；藥型罩采用紫銅板料壓制而成。靶板材料為45#均質鋼與等效25 mm鎢桿。試驗結果如圖7、圖8所示。

圖7 錐罩LEFP切割鎢棒和靶塊實物圖Fig.7 The cone hood LEFP cuts tungsten rod and target block

圖8 半球罩 LEFP切割鎢棒和靶塊實物圖Fig.8 The hemisphere hood LEFP cut tungsten rod and target block

試驗結果與仿真結果(圖4、圖6)能夠相互印證，切孔尺寸基本相當，可見數(shù)值模擬具有一定的可靠性。半球罩聚能裝藥對鋼靶及鎢桿的切孔形貌窄深，而錐形罩裝藥結構對鋼靶及鎢桿的切孔形貌寬淺，由此可知，錐形罩裝藥結構對炸高不敏感，作用面積較大，對靶板和鎢桿侵徹的寬度優(yōu)于半球罩聚能裝藥。

6 結論

1) 3種裝藥結構均能形成對鎢桿進行毀傷的LEFP毀傷元。錐形和亞半球形藥型罩形成的毀傷元速度差小，能夠在大炸高下對鎢桿進行毀傷；半球形藥型罩形成的毀傷元頭部速度高，頭尾速度差大，容易斷裂。

2) 錐形罩裝藥結構與亞半球裝藥，由于其母線長度短、錐角度大、曲率半徑較小且藥型罩壁厚較厚，在爆轟產(chǎn)物的作用下擠壓、翻轉，形成的LEFP速度較低且速度梯度較小，不利于對鎢桿和鋼靶的侵徹，但藥型罩利用率高，對炸高不敏感，作用面積較大。

3) 半球形裝藥結構形成的毀傷元速度高，速度梯度大，毀傷元被拉長，利于對鎢桿和鋼靶的侵徹，由于作用時毀傷元容易斷裂，且藥型罩利用率不高，因此在改變對鎢桿及鋼靶姿態(tài)時劣于前2種結構。