CEW战斗部成型数值模拟*

吴国东，董方栋，王志军，尹建平

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

局部战争表明，轻型装甲以及无装甲防护车辆同重型装甲车辆一样倍受青睐。综合效应战斗部CEW(combined effects warhead)可以同时产生打击重型装甲的单个的EFP以及打击轻型装甲和无装甲防护车辆的多爆炸成形弹丸(MEFP)，实现一弹多用的目的，具有重要的军事意义。

CEW分为两部分:常规EFP药型罩居于中心，炸药爆炸后形成单个的EFP;在其周围有一圈小的药型罩，形成 MEFP。Richard Fong[1]等人的研究表明，周围有16个小药型罩的CEW形成的MEFP不但可以对目标形成足够的覆盖，而且小EFP具有充足的质量以达到毁伤效果。但Richard Fong等人的研究中未考虑装药壳体的影响，MEFP成型不佳，所形成的是16个简单破片，这必将影响其毁伤效果。目前，关于药型罩的结构参数对CEW性能的影响规律，国内外鲜有研究报道。文中采用LS-DYNA软件，首先通过加壳体以及在外沿加装炸药的方法使MEFP成型大大改观，然后以药型罩参数对毁伤元性能的影响为出发点，分析了壁厚对CEW性能的影响规律。可为实际研究及应用提供一些理论支持[2－5]。

1 CEW实体结构与仿真模型的建立

文中选用的CEW战斗部是中间一个大药型罩，周围排列16个小药型罩的战斗部。实体模型如图1。中间药型罩为球缺形，曲率半径为65mm，药型罩底部口径为80mm，周围小药型罩为圆锥罩，锥角120°，底部口径为15mm。

为减小计算时间，建立四分之一模型，如图2所示。其中炸药为B炸药，药型罩材料为铜，壳体材料为45号钢。EFP成型的影响因素是多方面的，为简化计算，做出如下假设:

图1 CEW战斗部实体模型

1)药型罩和壳体均为连续均匀介质;

2)不考虑重力影响。

仿真采用LS-DYNA软件欧拉算法，在EFP飞行的整个空间覆盖空气网络，并添加无反射边界条件，避免压力在边界上的反射。空气采用流体模型，计算方程为线性多项式。炸药选用B炸药，采用材料模型HIGH_EXPLOSIVE_BURN和状态方程JWL来描述其本构关系，主要材料参数为:ρ0=1.82×10－3g/cm3，D=8480m/s，Pcj=34.2GPa，E0=9.0GPa。药型罩材料为铜，材料模型及状态方程分别为JOHNSON_COOK、GRUNEISEN，主要材料参数:ρ=8.96 ×10－3g/cm3，G=50.9GPa。

2 数值模拟结果及分析

2.1 成型数值模拟

以大罩壁厚4mm，小罩壁厚2.5mm的CEW战斗部进行成型数值模拟。仿真发现，在设计CEW战斗部结构时，在外沿加一层装药，并采用有壳结构后，周围小药型罩的外沿实现了压垮，形成了闭合完全的小EFP(与加装壳体及外沿炸药前的成型效果对比如图3)。这是因为，外沿加一层装药后，增强了外沿的爆轰波压力，改变了波形，使波阵面与罩母线的夹角减小，作用于罩面上的初始压力提高。壳体的添加则使爆轰波在壳体壁面上发生反射，稀疏波减弱且进入推迟，从而使靠近壳壁(小药型罩外沿)的爆轰能量增强，外沿的压垮作用增强，以上两方面的作用使小罩闭合趋于完全。药型罩炸药作用下未发生明显的翻转，这是因为对每个药型罩而言装药口径均大于药型罩口径，药型罩在周围炸药爆轰作用下，药型罩周边材料不仅获得轴向速度且获得径向速度，从而向对称轴压合汇聚的结果。

图2 四分之一有限元模型图

图3 设置壳体及外沿炸药前后CEW成型对比

图4 不同壁厚药型罩中心EFP速度云图

研究发现，未考虑壳体及外沿装药之前MEFP的飞散角为14.62°，设置壳体及外沿装药后飞散角为5.766°。前者由于成型不好，形成的是16个破片，其迎风面积较后者大，飞行中所受空气阻力大，速度衰减相应会很快，这就会大大降低它在远距离上攻击轻型装甲的能力，但在仿真中未出现这种衰减规律，这是因为仿真为简化模型，未考虑空气阻力的影响;而后者飞散角小且成型也好，向前翻转并汇聚为一颗颗密实的弹丸，5.766°的飞散角可以保证MEFP在100多口径距离上仍具有很好的覆盖密度，更有效的提高了命中率。周边 MEFP速度此时已稳定，达到2253m/s，可用其攻击轻型装甲及无装甲防护车辆。

2.2 药型罩壁厚的影响

选取不同壁厚的药型罩进行研究，中心大药型罩壁厚 h1由1mm 过渡到4.5mm(增量0.5mm)，周边小罩壁厚 h2在 1mm到 3.25mm之间变化(增量0.25mm)。

中心EFP速度稳定后，速度云图如图4所示(对于h1=3.5mm～ h1=5.5mm 5组EFP最终被拉断，在此选取280μs时刻云图)。

发现h1=1mm时，由于壁厚过小，在炸药爆轰作用下药型罩发生大面积崩落，使其丧失侵彻能力。1.5≤h1≤2mm时具有形成EFP的典型特征，发生明显翻转，产生了质量不小的崩落，并且随壁厚增加形成的翻转弹由碟形翻转弹向柱形翻转弹变化。壁厚在2.5mm到3mm之间时，EFP翻转逐渐不明显，这是由于随着药型罩壁厚的增加，其质量增大，在相同爆轰能量下，它的加速度必然降低，这使得药型罩顶部还未完全翻转的情况下药型罩底部的质量在爆轰作用下向中心压垮闭合，形成了柱形翻转弹。壁厚不小于3mm时，最终有形成杵体弹的特征。

不同壁厚的计算结果如表1。v1为中心EFP头部速度，v2为EFP尾部速度，Δv为EFP头尾部速度差，L为EFP的长度，d为EFP的直径，EFP长径比为L/d。z为此时EFP尾部与原药型罩底部距离。

由表1，随着药型罩壁厚的增大，EFP速度不断减小，这是由于装药及爆轰方式等条件一定的条件下，由能量守恒定律可知，转化为EFP的动能是一定的，随着药型罩壁厚的增加，其质量增大，由动能E=mv2/2，其速度势必减小。

表1 不同壁厚药型罩中心EFP计算结果

由表1，h1≤3mm所形成EFP的长径比随着壁厚的增加，长径比逐渐增大，速度稳定时刻逐渐推迟，稳定时EFP与原药型罩距离也相应增大。2.5mm≤h1≤3mm时形成了中心较密实的EFP，且稳定速度较高(2546m/s≤v≤2788m/s)，可对目标造成理想的毁伤效果。

h1≥3.5mm，EFP最终被拉断，且速度高的部分占总体质量较小，由图4的成型状态结合表1中EFP头尾部速度差，即可知此点。这是由于药型罩质量进一步增大，加速度更小，而药型罩底部向中心汇聚与中心速度梯度较小的质量有机结合在一起，形成质量较大的杵体，使得EFP翻转极不明显，而存在药型罩向前压垮，形成杵体弹的特征，由于后部速度梯度较小的杵体质量占整体质量很大的比例，最终EFP被拉断，这将使EFP侵彻效果大大降低，基于杵体弹为长径比较大的实心侵彻体的特征，可通过改变爆轰方式或添加隔板等措施进一步调整爆轰波形来改善其成型，如此可使其侵彻性能大大增强。

综上，可选择h1=3mm的中心药型罩，此时EFP为中心密实的弹丸，且长径比为3.52，速度为2546m/s，可对重型装甲造成预期的毁伤效果。数值模拟结果表明，药型罩存在一个最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有较高的速度、合适的长径比、易于稳定飞行的外形。

不同壁厚的小药型罩所形成MEFP的稳定速度及飞散角的变化规律如表2所示。h2为小药型罩壁厚，v为MEFP稳定后速度，θ为飞散角。

由表2，随着药型罩壁厚的增加MEFP速度逐渐降低，此点由能量守恒定律可得。飞散角在5°到6°内变化，此飞散角可保证MEFP在100倍口径炸高下仍具有较好的覆盖密度。综合MEFP速度及质量两因素，可选择h2=2mm，MEFP不仅速度较高，而且具有可观的质量，保证了毁伤元毁伤效果的实现。

表2 不同壁厚药型罩MEFP计算结果

3 结论

文中通过对CEW战斗部进行成型数值模拟，得到了以下结论:

1)通过设置外沿装药和壳体，CEW战斗部MEFP成型得到大大改观，从而使飞行中的空气阻力大大减小，增强了MEFP在远距离上的毁伤效果。

2)设置外沿装药和壳体后，MEFP飞散角减小(5°≤θ≤6°)，使MEFP在一定距离上仍具有较好的覆盖密度。

3)数值模拟结果表明，药型罩存在一个最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有较高的速度、合适的长径比、易于稳定飞行的外形。

4)数值结果表明，周边药型罩也存在一个合适的壁厚，在此壁厚下EFP质量及速度较为合适。

本研究中仅讨论了壁厚对CEW战斗部成型的影响，其他结构参数的影响有待讨论。另外由于实际条件所限，没有进行试验验证，这需要在以后的工作中完成。

[1]Richard Fong，Matthew Comstock，Henry Hsieh，et al.Combined effects warhead development[C]//25th International Symposium on Ballistics.Beijing，China，2010.

[2]李裕春，程克明.多爆炸成形弹丸技术研究[J].兵器材料科学与工程，2008，31(3):74 －76.

[3]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.

[4]杨宝良，陈秀文，申孝立，等.不同起爆方式下MEFP战斗部的数值模拟[J].弹箭与制导学报，2006，26(3):108－110.

[5]付璐，尹建平，王志军，等.组合式MEFP战斗部的正交优化设计[J].弹箭与制导学报，2011，31(6):73 －75.