单点起爆形成多模式EFP的可行性研究*

李伟兵，王晓鸣，李文彬，郑 宇

（南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094）

单点起爆形成多模式EFP的可行性研究*

李伟兵，王晓鸣，李文彬，郑 宇

（南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094）

针对同一成型装药形成多模毁伤元问题，利用LS-DYNA程序，研究了单点起爆位置对爆炸成型侵彻体（explosively formed penetrator，EFP）成型的影响规律。当起爆点距离药型罩的轴向距离从0倍装药口径增加到0.72倍装药口径，EFP速度提高了37.8%，长径比增加了1倍多；优化设计成型装药结构，分析了主装药端面中心点起爆和药型罩顶点起爆爆轰波传播规律，实现了杆式EFP、EFP 2种模态的转换。通过X光成像实验进行了验证，实验结果与数值模拟结果吻合较好。

爆炸力学；多模式EFP；单点起爆；成型装药；杆式EFP；起爆位置

为了使同一弹药能对付战场中出现的多种目标，多模式战斗部成为当前成型装药技术研究的热点问题之一。A.J.Whelan［1］设计了一种能同时攻击城市建筑物和装甲钢板的多级战斗部，其中的主战斗部通过环形起爆形成射流，前级战斗部则形成缓慢拉伸射流；F.Steinmann等［2］研究了多模式EFP战斗部，通过中心点起爆形成稳定飞行爆炸成型弹丸，通过环形起爆形成伸长式EFP，通过环形起爆和中心点延迟4μs起爆形成EFP破片；E.L.Baker等［3］研究了可选择起爆成型装药，通过改变起爆技术达到对轻装甲、地质材料等的毁伤。上述多模战斗部研究，都是以改变起爆方式来实现多模毁伤元的转换，而其中采用的环形起爆方式主要通过隔板实现环形爆轰波或以多点起爆代替环形起爆，在实际中很难实现环形起爆。

D.Bender等［4］用DYNA-2D软件模拟了通过改变EFP装药结构环起爆位置而获得不同形状的侵彻体，发现起爆环靠近中心点时能够形成飞行稳定式EFP，起爆环远离中心点时能够形成大伸长式EFP；蒋建伟等［5］在数值模拟研究多模毁伤元形成与侵彻效应时，得出起爆点位置可显著改变侵彻体的形状，且随着起爆半径增大，侵彻体逐渐拉长，长径比增大，头部速度逐渐增大，尾部速度逐渐减小，速度梯度变大；但是他们没有研究单点起爆位置改变会对侵彻体形状有何影响。如果只采用单点起爆方式，通过改变起爆位置来实现多模毁伤元的转换，就解决了环形起爆难实现的问题。

本文中主要研究同一成型装药结构单点起爆形成EFP和杆式EFP等2种毁伤元的方法，利用LSDYNA软件，通过研究单点起爆位置对EFP成型的影响规律，优化设计成型装药结构，分析主装药端面中心点起爆和药型罩顶点起爆爆轰波传播及对药型罩的压垮规律，实现主装药端面中心点起爆形成杆式EFP、药型罩顶点起爆形成EFP，并进行实验验证。

1 单点起爆位置对EFP成型的影响

1.1 模拟研究方案

成型装药结构采用船尾形装药，装药直径为100mm，装药高度为90mm，药型罩设计为锥弧结合形结构，如图1所示。起爆方式采用中心点起爆，通过设定起爆点P、A、B、C、D、E和O等7种起爆方案来研究起爆点距离药型罩的轴向距离d对EFP成型的影响，每种方案的起爆点之间相隔12mm。

用ALE算法来计算涉及网格大变形、材料流动问题的聚能侵彻体形成过程［6－8］，其中计算模型的建立和材料模型的选取见文献［8］。

1.2 数值模拟结果及分析

数值模拟得到了各方案的EFP成型情况，见图2，d为起爆点距离药型罩顶点的轴向距离（见图1），Dk为装药口径，为100mm，其中起爆点P的轴向距离为0表示起爆点在罩顶上起爆。

分析模拟结果，得到图3所示EFP成型参数随中心点起爆位置的变化曲线，其中v1为EFP头部速度，v′为EFP头尾速度差，l为EFP长度，dp为EFP直径，l／dp为长径比，头部速度、头尾速度差、长度和长径比都随着起爆点距离药型罩的轴向距离增大而逐渐增大。当起爆点距离药型罩的轴向距离从0倍装药口径增加到0.72倍装药口径，EFP速度提高了37.8%，长径比增加了1倍多。由图2侵彻体形态可以得出中心点起爆位置对EFP形成的影响趋势：在同一装药结构下，随着起爆点距离药型罩轴向距离的增大，EFP拉长明显，向杆式EFP转变。

图1 成型装药结构及起爆点分布Fig.1Formed charge structure and initiation point layout

图2 中心点起爆各方案120μs时的计算结果Fig.2 EFP shapes at 120μs in the cases of different initiation points

图3 120μs时EFP成型参数随中心点起爆位置的变化曲线Fig.3 Variation of the formation parameters of an explosively formed penetrator with the center point initiation positions at 120μs

主装药中心点起爆后，爆轰波到达罩顶附近时，波阵面呈球面。当中心点起爆位置在轴向上发生变化，必将使球面波作用在药型罩上的时间先后和压力大小不同，使药型罩压垮变形不同，从而引起EFP成型参数的变化。图4为主装药中心轴上任意一点起爆爆轰波对药型罩单元压垮作用的示意图，其中GF为爆轰波阵面，θ为爆轰波在外表面的入射角，δ为药型罩单元的飞散角，2α为药型罩锥角。设G点处单元坐标为 （x，y），取炸药爆速为D，应用Taylor公式可得药型罩压垮速度

图4 爆轰波对药型罩单元压垮作用示意图Fig.4 Schematic of the charge liner element collapsed by detonation waves

药型罩压垮速度直接决定了侵彻体最后的成型速度，由上式可得EFP速度与起爆点距离药型罩的轴向距离之间呈抛物线规律变化，该规律与模拟结果一致。

1.3 实验验证

实验采用与数值模拟同样的成型装药结构，采用中心点O起爆方式，进行X光实验验证。模拟结果与实验结果的比较见图5，其中v1为侵彻体头部速度，v2为尾部速度，dp为侵彻体直径，l为长度。从所形成的侵彻体的外部形状及侵彻体参数的比较情况来看，数值模拟结果与实验结果较吻合。

图5 模拟结果与实验结果的比较Fig.5 Comparison between simulation and experiment

2 单点起爆形成多模式EFP

LI Wei-bing等［8］研究了环形多点起爆对EFP成型及侵彻的影响，找出了代替环起爆的多点起爆点数，得到了环形多点起爆位置对EFP成型及侵彻的影响规律。虽然找出了使形成的侵彻体不发生弯曲变形的多点同步起爆偏差应在200ns以内，但是实验中存在的多点同步起爆偏差尽管降低到最小，还是会影响侵彻体成型，特别是对侵彻体尾翼的影响，从而导致EFP稳定性不好，影响最终的侵彻效果。通过对单点起爆位置对EFP成型的影响规律研究，发现随着起爆点距离药型罩轴向距离的增大，EFP速度和长径比都有显著提高，其规律与起爆环位置［8］对EFP的影响规律一致。从而联想到是否可改变单点起爆位置来实现EFP和杆式EFP的转换，进而解决环形多点同步起爆偏差对EFP的影响。

李伟兵等［9］研究了成型装药高度、壳体厚度和药型罩结构参数对多模毁伤元成型的影响，结合单点起爆位置对EFP成型的影响规律，优化设计了成型装药结构，如图1所示，选取锥角为135°、弧度半径为45mm的药型罩结构，主装药中心点O起爆形成杆式EFP，药型罩顶点P起爆形成EFP。

2.1 多模式EFP成型机理分析

由于起爆方式对聚能侵彻体的影响主要体现在对主装药爆轰波形的控制上，单点起爆位置的改变引起主装药爆轰波对药型罩的不同作用过程如图6所示。由图中可以看出，单点起爆主装药中爆轰波波阵面呈球面，中心点O起爆，球面波要到9μs才开始对药型罩作用；药型罩顶点P起爆，则一起爆就开始对药型罩作用；而且每一时刻爆轰波最大压力区分布不一样。图7为主装药爆轰波传播过程中最大爆轰压力的变化曲线，爆轰压力都是先瞬间增大，然后快速下降到一定值后平缓减小。其中中心点起爆形成的爆轰波压力峰值比药型罩顶点起爆形成的爆轰波压力峰值来得晚，主要是由于中心点起爆爆轰波需要在主装药中传播一段时间才对药型罩作用；中心点起爆时爆轰压力在12～15μs瞬间下降，药型罩顶点起爆时爆轰压力在9～12μs瞬间下降，这是由于在这之间药型罩在爆轰波的压垮作用下与炸药产生间隙，从而使爆轰载荷瞬间卸载。

图6 不同的起爆位置，主装药爆轰波的传播过程Fig.6 The diffusion processes of the detonation waves of the main charge explosive in the cases of different initiation positions

图8为药型罩的压垮过程，图9为药型罩所受到最大爆轰压力的变化曲线，曲线变化趋势与爆轰波传播过程最大爆轰压力的曲线变化趋势基本一致。中心点O起爆药型罩受到的爆轰压力峰值远大于药型罩顶点P起爆受到的爆轰压力峰值；中心点O起爆药型罩在9μs时爆轰压力瞬间增大，而且球面波首先传到药型罩顶端，这也是引起后来形成的聚能侵彻体头部速度较大的原因。观察图8中药型罩受到最大爆轰压力分布区域，发现药型罩顶点P起爆爆轰波最大压力区较大，药型罩多个微元同时被压垮，因此其形成的聚能侵彻体头尾速度差较小，而中心点O起爆爆轰波最大压力区较集中。

图7 主装药爆轰波传播过程中最大爆轰压力Fig.7 The maximum detonation pressures in the diffusion processes of the detonation waves of the main charge explosive

图8 药型罩的压垮过程Fig.8 The collapse process of the charge liner

图9 药型罩受到的最大爆轰压力Fig.9 The maximum detonation pressures suffered by the charge liner

2.2 仿真得到多模式EFP

模拟计算优化设计成型装药结构，得到中心点O起爆形成杆式EFP，药型罩顶点P起爆形成EFP，见图10，其中v1为侵彻体头部速度，v2为尾部速度，dp为侵彻体直径，l为长度。其中杆式EFP此时头尾速度差还较大，从其剖面图可以看出侵彻体的尾裙将断裂，从而形成前面实体部分的杆式侵彻体。杆式EFP的长径比2.57是EFP长径比1.13的2.3倍，其头部速度比EFP的头部速度增加了48.6%，将大大提高侵彻效果。

图10 单点起爆形成多模式EFP在120μs时的形态Fig.10 Multimode EFPs formed by single-point initiation at 120μs

3 结 论

（1）通过数值模拟研究了单点起爆位置对EFP成型的影响，得知EFP的成型参数随起爆点距离药型罩的轴向距离呈双曲线规律变化。当起爆点距离药型罩的轴向距离从0倍装药口径增加到0.72倍装药口径，EFP速度提高37.8%，长径比增加1倍多。

（2）在同一成型装药战斗部上，通过改变中心点起爆位置，可以获得EFP和杆式EFP，2种模态之间可实现转换。

（3）主装药端面中心点起爆形成杆式EFP，药型罩顶点起爆形成EFP，杆式EFP的长径比是EFP的2.3倍，其头部速度比EFP的头部速度提高了48.6%，大大提高了战斗部的毁伤能力。

［1］Whelan A J.Multiple effect warheads for defeat of urban structures and armour［C］∥Stephan B，James W.Proceedings of the 24th International Symposium on Ballistics.New Orleans，Louisiana，2008：1092-1098.

［2］Steinmann F，Lösch C.Multimode warhead technology studies［C］∥Novbert B，Jerem A，George R.Proceedings of the 21th International Symposium on Ballistics.Adelaide，Australia，2004：728-735.

［3］Baker E L，Daniels A S，Turci J P，et al.Selectable initiation shaped charges［C］∥Joe C，Dennis O.Proceedings of the 20th International Symposium on Ballistics.Orlando，Florida，USA，2002：589-596.

［4］Bender D，Fong R，Ng W，et al.Dual mode warhead technology for future smart munitions［C］∥Ires R C.Proceedings of the 19th International Symposium on Ballistics.Interlaken，Switzerland，2001：679-684.

［5］蒋建伟，帅俊峰，李娜，等.多模毁伤元形成与侵彻效应的数值模拟［J］.北京理工大学学报，2008，28（9）：756-805.

JIANG Jian-wei，SHUAI Jun-feng，LI Na，et al.Numerical simulation of the formation of multimode EFP and its penetration effect to RHA［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2008，28（9）：756-805.

［6］Johnson G R，Stryk R A.Some considerations for 3DEFP computations［J］.International Journal of Impact Engineering，2006，32（10）：1621-1634.

［7］Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA Keyword User’s Manual［Z］.California：Livermore Software Technology Corporation，2003.

［8］LI Wei-bing，WANG Xiao-ming，LI Wen-bin.The effect of annular multi-point initiation on the formation and penetration of an explosively formed penetrator［J］.International Journal of Impact Engineering，2010，37（4）：414-424.

［9］李伟兵，王晓鸣，李文彬，等.药型罩结构参数对多模毁伤元形成的影响［J］.弹道学报，2009，21（1）：19-23.

LI Wei-bing，WANG Xiao-ming，LI Wen-bin，et al.Effect of liner configuration parameter on formation of multimode penetrator［J］.Journal of Ballistics，2009，21（1）：19-23.

Feasibility research on the formation of a multimode explosively formed penetrator with single-point initiation＊

LI Wei-bing，WANG Xiao-ming，LI Wen-bin，ZHENG Yu
（ZNDY of Ministerial Key Laboratory，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

Aimed at forming multimode penetrators with the same shaped charge，the LS-DYNA software was used to explore the effects of the point initiation position on the formation of an explosively formed penetrator（EFP）.When the axis distance between the liner and the initiation point increased from 0to 0.72times as long as the charge caliber，the EFP velocity increased 37.8percent and the length-diameter ratio increased over 100percent.The charge shape was optimized.The diffusion of the detonation waves was analyzed，which were formed by the center point initiation at the end of the charge and the point initiation of the liner peak，respectively.And the conversion of the rod-shaped EFP and EFP was achieved.The simulated results accord with the X-ray imaging experiments.

mechanics of explosion；multimode explosively formed penetrator（EFP）；single-point initiation；shaped charge；rod-shaped EFP；initiation position

30January 2010；Revised 29April 2010

LI Wei-bing，njustlwb＠163.com

（责任编辑 张凌云）

O389；TJ45＋6 国标学科代码：130·3599

A

1001-1455（2011）02-0204-06＊

2010-01-30；

2010-04-29

国家部委基金项目（A2620060253）；江苏省2009年度普通高校研究生科研创新项目（XC09E＿087Z）

李伟兵（1982— ），男，博士研究生，讲师。

book=0,ebook=328