MEFP式战斗部正交试验优化

孔毓琦，郭锐

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

0 引言

多弹头爆炸成型弹丸（multiple explosively formed projectile，MEFP），与一般的预制破片战斗部技术相比，它具有对目标打击毁伤率高、远距离打击能力强等特点。现阶段对于MEFP的研究多偏向于对其装药结构和起爆方式等方面，对于MEFP药形罩的结构设计也多偏向于传统的轴向布置，而圆周方向布置的MEFP尚缺乏系统的研究。在此，设计了一种新型周向式MEFP战斗部，并选取其装药材料、曲率半径、材料和壁厚等结构参数进行正交试验分析，从而求得其在这种结构上的优化方案。

1 MEFP战斗部优化设计方案（图1）（图2）

将药形罩的装药类型和结构尺寸作为优化设计的对象。因此，可以把药形罩的罩顶厚δ，装药类型N，内表面曲率半径r1以及外表面曲率半径r2设定为正交优化设计的4个因素，各个水平因素的最终取值见表1。

表1 正交设计各因素水平取值表

这里，用L9（34）正交表将罩顶厚、装药类型、内表面曲率半径以及外表面曲率半径4个因素所对应的9个水平列成9个数值计算方案如表2所示。

表2 各仿真计算方案因素取值

仿真完成后将各方案仿真得到的质量、剩余速度和剩余比动能等仿真计算结果作为各方案的评定指标。

2 MEFP成型过程仿真

在此，按照表2所列战斗部结构方案，分别建立有限元仿真计算模型，计算得到不同方案的EFP质量m，剩余速度vf和剩余比动能Es等模拟结果，根据参数指标对计算结果进行极差分析，就可以得到优化方案的各组成因素。下面以方案3为例来进行仿真模拟。在此方案中采用多列药形罩进行叠放，药型罩截面为变壁厚球缺形式。为简化建模过程，对列与列之间的EFP连接进行了断开处理。

由图3可以看出，在爆轰产物和爆轰压力的作用下，大约在10 μs时罩顶微元开始被压垮变形并流向药形罩的对称中心，这个时候药形罩也同时被压垮和变形，于是整个药形罩就开始向前运动（图3（b））。在大约20 μs时，药形罩微元在对称中心发生堆积现象，各微元之间相互碰撞、挤压，就使得罩壁厚不断增加，于是药形罩微元中速度高的部分就会产生“射流”，而速度低的部分就会产生“杵体”（图3（c））。在大约43 μs时，MEFP基本成型，所形成的破片具有比较均匀的质量分布和较高的速度。同时破片场的分布也很均匀（图3（d））。

由图4可知方案3形成的破片质量为15.511 g，远大于一般的预制破片，同时其速度也达到1 658.9 m/s。下面把各方案EFP的最终成型图展示如下（图5）。

图5 各仿真方案的最终成型图

3 结果分析及优化方案确定

由仿真最终成型图可以看出，破片近似与一个椭圆柱，其平均迎风面积近似为其表面积的四分之一。得到各方案破片尺寸及平均迎风面积见表3。

表3 各方案破片尺寸及平均迎风面积

根据指标要求有效杀伤半径为20 m，由速度衰减公式可得各方案破片飞行20 m后的剩余速度vf，剩余动能Ef，剩余比动能Es的值如表4所示。

表4 各方案仿真计算结果

对以上各值进行极差分析，所得的结果如表5、表6和表7所示。

表5 质量m的极差分析结果

表6 剩余速度vf的极差分析结果

表7 剩余比动能Es的极差分析结果

根据表5、表6和表7，可以得到各指标随各因素的变化情况如图6所示，由此可以得到药形罩结构参数对战斗部指标的影响趋势，从而得到一组最优的结构参数。

图6 各方案指标随各因素的变化图

由计算结果可以看出，对于各指标，其重要性依次为:剩余比动能Es最重要，剩余速度vf次之，质量m最小。各指标随因素的变化情况如图6所示，根据极差分析可知:

罩顶厚δ对剩余比动能Es和质量m影响最大，δ越小Es越大，δ宜取2.2 mm;δ越大 m 越大，δ宜取 2.4 mm;罩顶厚δ对剩余速度vf是第二要指标，δ越小vf越大，δ宜取2.2 mm;故罩顶厚δ取2.2 mm最好。

同理可得，内表面曲率半径r1取28 mm时各项指标最好，外表面曲率半径r2取22 mm时各项指标最好，装药类型N为8701炸药时各项指标最好。

综上分析，MEFP战斗部优化方案是;罩顶厚δ=2.2 mm，内表面曲率半径r1=28 mm，外表面曲率半径r2=22 mm，装药类型N为8701炸药。

4 小结

在MEFP成型的过程中，药形罩的装药材料、曲率半径、材料和壁厚等结构参数都对MEFP的成型都产生着影响，所以有必要对以上因素对MEFP成型的影响进行正交试验分析，把药形罩的罩顶厚、内表面曲率半径、外表面曲率半径和装药类型确定为正交优化设计的4个因素，用L9（34）正交表来安排4个因素所对应的9个水平，得到9个仿真方案，将剩余比动能、剩余速度和质量作为优化设计评定指标。通过极差分析得到一种相对最优方案是:罩顶厚δ=2.2 mm，内表面曲率半径r1=28 mm，外表面曲率半径r2=22 mm，装药类型N为8701炸药。

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