多种材料双层EFP数值仿真对比研究

吕 进，王树有，王伟力，傅 磊

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.海军航空工程学院a.研究生管理大队；b.兵器科学与技术系，山东烟台264001）

双层药型罩形成的串联爆炸成型弹丸（EFP）在反坦克、反舰、反潜等领域有着广泛应用。它的研究对提高现有聚能装药战斗部的破甲威力，实现高效毁伤具有重要的理论价值与指导意义。双层药型罩形成的EFP理论是基于单层EFP的机理研究之上的，其核心问题是双层药型罩与爆轰产物作用后的运动状态，以及内外罩前后分离的机理。涉及到双层药型罩的变形过程，内外罩的冲击阻抗影响，内外罩结构参数影响以及起爆过程对冲击波传递的影响。研究和掌握双层药型罩形成串联EFP的机理，可以探讨和建立双层药型罩形成串联EFP的理论模型，进而为串联EFP形成的工程实践提供理论依据[1-13]。

本文主要通过数值仿真研究材料对双层EFP 成型的影响，并找出侵彻能力效果最好双层药型罩材料组合。为双层药型罩EFP 战斗部设计提供数据支持。双层药型罩形成串联EFP一维模型的建立，对于实现大长径比的EFP 和前后分离的双EFP 具有重要的学术价值。

1 有限元模型

本文在药型罩、壳体和装药结构确定的前提下，研究材料对于双层EFP 成型以及侵彻能力的影响。如图1所示，由于聚能装药结构为轴对称结构，因而建立1/2的2D模型。计算对象为有壳装药，LX-14-0 炸药，中心点起爆，内、外罩都为锥弧结合结构，内罩靠近炸药，外罩远离炸药。内、外罩的厚度都为1.5 mm，装药口径为D，圆弧段曲率半径为1.11D，装药高度为1.25D，预设定内、外罩材料为内铁外铜。

图1 AUTODYN中建立的双层药型罩模型图Fig.1 Simulate model diagram of double shaped charge in AUTODYN

LX-14-0炸药状态方程为JWL。此状态方程通常用于描述高能炸药及其爆轰产物，其形式为

式（1）中；ω、A、B、R1、R2为材料参数；ρ0为材料密度；V为相对体积；E为单位体积内能。各参数取值见表1，Pcj为炸药爆轰CJ压力。

表1 LX-14-0炸药材料参数Tab.1 Parameters of the LX-14-0 explosive

壳体材料选择STEEL 1006，该材料的状态方程（EOS）为Shock形式，壳体材料的屈服模型采用Johnson-Cook方程。

算法采用Lagrange算法。该算法的优势在于可以清楚地描述不同界面之间的相对运动，便于设置观测点获得特定位置的物理量。但是，在计算药型罩压垮及翻转过程中，网格会产生相当大的变形，导致计算困难甚至出现负体积。克服上述困难的方法可以是在建模时将药型罩网格建成细长形状，或适时使用Remap算法，重新划分网格[2]。

为了研究双层EFP侵彻性能，建立了带靶板的几何模型，见图2。靶板材料为45#钢，状态方程（EOS）选择为Shock方程，屈服模型采用Johnson-Cook方程。

图2 双层EFP侵彻靶板模型图Fig.2 Simulate model diagram of double EFP penetrating target

2 数值模拟

2.1 材料冲击阻抗对双层EFP影响的数值仿真

为了验证材料冲击阻抗对于双层罩分离影响的理论分析，使用数值仿真软件AUTODYN对爆轰产物驱动双层微元的一维情况进行了仿真。

本节选取了一般药型罩材料紫铜（Cu）作为外罩材料，分别选取铁（Fe）、铝（Al）、钛（Ti）作为双层药型罩内罩材料，材料基本参数见表2。建立3组方案分别为：方案A（外铜内铁），方案B（外铜内钛），方案C（外铜内铝）。模型结构数据不变。仅改变内罩材料，通过仿真结果研究冲击阻抗对于双层EFP的影响。

表2 不同材料基本参数Tab.2 Basic parameters of different materials

T=200 μs时，3组方案双层EFP 成型图以及速度曲线如图3所示。

图3 双层EFP成型对比图Fig.3 Different comparison of double EFP molding

由计算结果可得出以下结论：

1）观察仿真过程以及图3可以看出，方案A 中外罩与内罩速度差一直在增大，爆炸100 μs后内外罩就产生了明显分离，且之后分离越来越远。而后2组方案内外罩速度差始终保持接近，内罩对于外罩的加速效果明显。但是内罩成形效果不好，有待改进。

2）从图3可以看出，虽然内外罩材料冲击阻抗不同，但无论哪种结构，在爆轰波作用于药型罩的100 μs内，2层材料的速度差始终在一个很小的范围内波动，可认为是没有发生分离。100 μs后，内罩与外罩产生了速度差，从过程来说即开始产生内外罩分离。

3）从表3的数据对比可以看出，当内罩冲击阻抗大于外罩冲击阻抗时，2罩分离较快，对于外罩的加速效果不明显。而当内罩冲击阻抗小于外罩冲击阻抗时，2罩分离较慢，且对于外罩的加速效果明显。而且冲击阻抗差越大加速效果越明显，且外罩长径比较大。表3中，V表示EFP 平均速度；L表示EFP 长度；D表示EFP 直径；N表示EFP 长径比；下标1表示前EFP数据，下标2表示后EFP数据。

表3 各方案计算结果对比Tab.3 Statistics dates of different materials combinations

2.2 双层EFP对靶板侵彻的仿真计算

分别用上文中方案A、B、C 中的材料组合进行侵彻靶板模拟仿真，计算结果如图4所示。

图4 双层EFP侵彻靶板对比图Fig.4 Different comparison of penetrating target of double EFP

从仿真侵彻效果来看，方案A侵彻能力最差。方案B、C 前EFP 速度虽然很高，侵彻能力也有所提高。但是EFP 形状破坏严重，不能达到预期的毁伤效果。对于前部EFP的铜（Cu），3组情况下都产生了非常严重的侵蚀现象，而后部EFP由于侵彻能力又不佳基本上未对靶板产生侵彻作用。从结论看出，对双层EFP来说，不能只考虑EFP速度，还要考虑其侵彻能力。

基于以上仿真结果分析，分别选择了侵彻能力比较强的几种材料如钽（Ta）、钨（Wu）、钼（Mo）等作为双层药性罩的外罩进行仿真研究。进一步进行侵彻靶板的仿真计算，找出侵彻能力效果最好的双层药型罩材料组合。材料参数以及组合见表4、5。

表4 不同材料特性对比表Tab.4 Parameters of different materials

表5 多种材料组合表Tab.5 Parametgrs of different materials

侵彻45#钢靶板数值仿真结果如图5～6所示。

由图5～6可知，方案F（外钽内铝）、方案I（外钨内铝）、方案L（外钼内铝）是剩余速度最高、侵彻能力相对较强的方案。再比较3组方案穿透靶板后的剩余动能：

可以看出方案F（外钽内铝）剩余动能最大，相对侵彻能力最强。

图5 不同材料双层EFP侵彻靶板对比图Fig.5 Different comparison of penetrating target of double EFP

图6 不同材料双层EFP侵彻靶板速度对比图Fig.6 Different materials camparison of penetrating target speed of double EFP

3 结论

本文采用AUTODYN 数值模拟软件对不同材料组成的双层药型罩产生的串联EFP 侵彻靶板过程进行数值模拟计算。通过比较双层EFP 形状、速度、长径比、动能等参数，得出如下结论：

1）当内罩冲击阻抗大于外罩冲击阻抗时，2 罩分离较快，对于外罩的加速效果不明显。而当内罩冲击阻抗小于外罩冲击阻抗时，2罩分离较慢，且对于外罩的加速效果明显。而且冲击阻抗差越大加速效果越明显。

2）在外罩材料相同的条件下，内外罩冲击阻抗差越大侵彻能力越强。

3）比较了各种材料组合的双层EFP侵彻能力，得出侵彻能力最强的材料组合为外钽内铝。

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