药型罩参数及装药对MEFP效能的影响*

张洪成，尹建平，王志军

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

随着各种轻型装甲目标在现代战争中的广泛应用，能否有效摧毁它们成为影响战争进程的重要因素之一。多爆炸成形弹丸(multiple explosive formed projectile，MEFP)是在单个EFP基础上发展起来的一种新型聚能装药技术，具有良好的作战效率、杀伤半径大、摧毁目标能力强等优点，成为应对轻型装甲目标的有效手段之一。

目前国内对MEFP的研究，主要集中在MEFP的成型、毁伤效能等方面。文献[1]分析了相邻子装药间距、填充物密度和起爆延迟时间对MEFP发散角的影响，并以正交优化设计方法对MEFP的命中概率、毁伤概率进行了研究;文献[2]设计了一种整体式三罩MEFP战斗部，并进行了静爆试验，试验结果表明形成的三枚EFP子弹丸具有较好的侵彻性能。文中应用LS-DYNA软件对组合式七罩MEFP的成型过程进行了数值研究，分析了不同相邻子装药间距、装药、药型罩曲率半径对MEFP成型的影响，得到了这些因素对MEFP效能的影响规律。

1 计算模型

图1 组合式MEFP战斗部1/4简化计算模型

计算模型如图1所示，采用组合式七罩MEFP装药结构，7个子装药中一枚位于战斗部中央，其余6枚均匀分布在四周，子装药之间有惰性装填物，以减小相邻子装药间爆轰波的相互干扰。药型罩和挡板均为1006钢，惰性装填物为泡沫铝材料，炸药为TNT、8701炸药和B炸药。起爆方式为七点同时起爆，起爆点在各子装药底面圆心处，战斗部直径为100mm，子装药直径随装药间距变化。计算采用Lagrange算法，两个对称面采用对称约束，装药底部及四周边界、挡板边界采用全约束，炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程，药型罩和挡板均采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和Gruneisen状态方程，泡沫铝采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。药型罩和挡板材料参数如表1所示，炸药材料参数如表2所示，泡沫铝材料参数如表3所示［5－6］。考虑到模型的对称性，计算时采用1/4简化模型。

表1 药型罩和挡板材料参数

表2 装药材料参数

表3 泡沫铝材料参数

2 数值模拟结果及分析

2.1 MEFP的形成过程

MEFP的成型过程是一个非常复杂的过程，药型罩形状、厚度、材料、子装药间距、装药长径比、装药种类、填充材料等因素都会影响MEFP的成型及其作战效能。为了研究MEFP的成型过程，取相邻子装药间距7mm，装药为 B炸药，药型罩锥角为140°，壁厚为2mm进行数值分析，得到MEFP的成型过程如图2所示。

结果表明，药型罩在约t=6μs时开始受到爆轰波的冲击作用，开始压垮变形，向前高速运动;从12μs开始，药型罩发生翻转，逐渐形成7个高速小弹丸，而且，弹丸质量绝大部分集中在高速的头部，因而弹丸具有很高的动能;由于速度梯度的存在，形成的EFP在飞行中仍会有所拉长，但基本形状保持不变;同时，中心EFP和边沿6个EFP在最大速度、速度梯度、长度和形状上差别较小(在后面分析相邻子装药间距为2.5mm时，这些参数的差别仍不大)，这主要是因为填充材料泡沫铝具有较好的隔爆性能，使得相邻装药间的影响较小，形成的各子EFP性能差别不明显。因此，下面的分析中均选取中心EFP来进行研究。

图2 MEFP的成型过程

2.2 不同相邻子装药间距对MEFP效能的影响

子装药间的填充材料是为了降低各装药间的影响，使各子EFP能更好的成型。为了分析子装药间距(即装填材料厚度)对MEFP效能的影响，分别选取间距2.5mm、7mm、12mm(药型罩直径分别为 30mm、26mm、20mm)进行数值分析，形成的MEFP分别如图3中的3个小图所示。计算采用药型罩为锥角为140°的锥形罩，壁厚为2mm，装药为B炸药。

图3 不同子装药间距时MEFP的成型

图4 不同装药间距中心EFP的长度曲线

图5 不同装药间距中心EFP的头部速度曲线

由图 3可知，各子装药形成EFP的尾裙随装药间距增大逐渐减小，而尾裙的减小将影响EFP的飞行稳定性。由图4可知，中心EFP长度随着时间的增加而增大，而在同一时刻，中心EFP长度随装药间距增大而减小，如t=50μs时，间距 2.5mm、7mm、12mm 的长度分别为 54.10mm、49.20mm、36.88mm。因而在保证爆轰波相互影响不大的前提下，可以尽量减小子装药间的间距，从而提高MEFP的飞行稳定性。但随着装药间距的减小，形成的MEFP发散角增大，不利于其命中概率的提高［1］。由图5可知，当装药间距从 2.5mm增大到12mm时，中心EFP速度降低较明显，如在 t=50μs 时， 间 距2.5mm、7mm、12mm的中心EFP头部速度从1604m/s、1485m/s到1184m/s。这主要是由于随着装药间距的增加，子EFP的有效装药减少，爆轰产物的总能量减小，致使形成的EFP速度降低。因此，综合考虑子装药间距对MEFP飞行稳定性、发散角及侵彻效能的影响，装药间距取4～8mm较为合适。

2.3 不同装药对MEFP效能的影响

为了分析不同装药对MEFP效能的影响，分别取TNT、8701及B炸药进行数值分析，形成的MEFP分别如图6中的3个小图所示。计算采用的药型罩锥角为140°，壁厚为2mm，装药间距为7mm。

图6 不同装药时MEFP的成型

图7 不同装药中心EFP的长度曲线

由图 6可知，不同装药形成的EFP尾裙直径，从TNT到B炸药逐渐增大，而尾裙直径的增大有利于EFP的稳定飞行。由图7可知，随着时间的增大，中心 EFP长度从TNT到B炸药明显增大。由图8可知，在任一时刻，如 t=50μs时，从TNT到B炸药的中心EFP速度 从 1062 m/s、1322 m/s增大到1486 m/s，中心EFP的速度逐渐增大，这是因为B炸药相对于8701及TNT具有更高密度及爆速，爆炸释放的能量更大，形成的EFP速度更高。因此，选用B炸药的MEFP战斗部，飞行稳定性好，具有更好的毁伤效能。

图8 不同装药中心EFP的头部速度曲线

2.4 不同曲率半径对MEFP效能的影响

为了分析球缺型药型罩曲率半径对MEFP效能的影响，分别取药型罩内曲率半径R1=14mm、R1=17mm及R1=20mm进行数值分析，形成的MEFP如图9的3图所示。计算采用的其他参数同2.1节。

图9 不同曲率半径时MEFP的成型

图10 不同曲率半径中心EFP的长度曲线

由图9可知，不同曲率半径形成的EFP尾裙直径，随着曲率半径的增大而增大，形成的子 EFP飞行稳定性增强。由图10可知，中心EFP长度随着曲率半径的增大而减小，但差别较小;而由图11可知，任一时刻，如t=50μs时，3个曲率半径形成的中心EFP 速度分别为 1276 m/s、1372 m/s、1401 m/s，即中心EFP的速度随曲率半径的增大而增大，MEFP的动能增大。但曲率半径不能无限增大，因为随着曲率半径的增大，将逐渐形成杆式弹丸，甚至是聚能射流而不是 EFP。因此，对相邻子装药间距7mm而言，综合考虑MEFP的飞行稳定性及效能，曲率半径R1取18～22mm较为适宜。同时，作者就相邻子装药间距分别为2.5mm和12mm时，内曲率半径R1对MEFP效能的影响进行了分析。结果表明，当间距为2.5mm时，R1取28～32mm较为适宜;当间距为12mm时，R1取12～16mm较为适宜。

图11 不同曲率半径中心EFP的头部速度曲线

3 结论

应用有限元软件LS-DYNA，就相邻子装药间距、装药、药型罩曲率半径对口径为100mm的组合式七罩MEFP战斗部效能的影响进行了数值分析，结果表明:

1)对于不同相邻子装药间距，随着间距的增大，各子装药形成EFP的尾裙直径减小，飞行稳定性降低，EFP长度减小，中心EFP头部速度降低;但当装药间距增大时，形成的MEFP发散角减小，有利于命中概率的提高。综合考虑，相邻子装药间距取4～8mm较为适宜。

2)对于不同装药，形成的EFP尾裙直径从TNT到B炸药逐渐增大，EFP的飞行稳定性增强，EFP长度增大，中心EFP的速度逐渐增大。因此，选用B炸药的MEFP战斗部，飞行稳定性好，具有更好的毁伤效能。

3)对于不同曲率半径，形成的EFP尾裙直径随着曲率半径的增大而增大，飞行稳定性增强，EFP长度减小，中心EFP速度增大。对相邻子装药间距为2.5mm、7mm和12mm，综合考虑MEFP的飞行稳定性及毁伤效能，曲率半径 R1分别取28～32mm、18～22mm和12～16mm较为适宜。

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