新型环形EFP垂直侵彻靶板数值模拟＊

樊龙龙 贾 伟

（1.太原市10号信箱 太原 030027）（2.66352部队 北京 101508）

1 引言

舰船通常会利用其体积大、纵深大的特点安装多层大间隙薄装甲［1］，使得反舰战斗部形成的高速射流在经过间隙时拉断，起不到深度侵彻的作用。爆炸成型弹丸因具有对炸高不敏感的特性，在以舰船为攻击目标时使用较为广泛。环形爆炸成型弹丸可在目标上侵彻出环形孔洞，更有利于后级继续侵彻。

国内外一些学者对环形装药技术进行了深入的研究。文献［2］中提出的环形装药结构可在3倍炸高处侵彻出0.75倍装药口径的环形孔洞；文献［3］将环形药型罩设计成镰刀形状并进行了实验研究，证实该结构能在2.5倍炸高处形成直径大于装药口径的环形EFP；文献［4］通过数值模拟和实验研究证明环形射流在小炸高的前提下具有良好的侵彻能力。本文在前人对环形EEP研究的基础［5～8］上，利用一种截面为弧锥结合形的新型环形装药结构［9］，对形成的环形EFP侵彻多层间隔靶进行数值模拟，研究其侵彻特性。

2 新型环形EFP的形成

新型环形EFP由截面为弧锥结合型的变壁厚药型罩形成，设计装药结构时，以文献［4］中形成高质量环形EFP前提条件为参考依据。综合考虑影响侵彻体成型各因素，设计出一种截面呈弧－锥形的环形药型罩，其结构如图1所示。

图1 药型罩结构简图

图2 装药结构简化示意图

环形药型罩由两部分组成，顶部为环球缺，口部为环锥，中间采用光滑过渡。罩参数有切割半径R、圆弧曲率半径r、锥角A、罩顶厚度d、罩截面内直径c。将环形装药结构进行合理简化，简化后的装药结构包括药型罩、炸药和壳体三部分，如图2所示。

图3 头、尾轴向速度曲线

图4 头、尾径向速度曲线

选用LS－DYNA求解器，采用环形起爆的方式对装药结构进行仿真计算，将罩体上任意微元任意时刻的速度分解为轴向和径向两个速度分量。分别取EFP头部和尾部作为研究对象，图3为EFP头部各时刻轴向速度曲线，图4为EFP尾部径向速度曲线。图5为弧－锥罩形成的环形EFP在80μs时刻的形态。

图5 弧－锥形药型罩80μs时刻形成的EFP形态

3 船侧舷防护模型

图6 舰船舷侧防护结构示意简图

舰船舷侧防护通常采用多层板架结构，一般由外板、空舱、液舱组成。由外至里依次为外板（双层）、第一层空舱、液舱、第二层空舱，如图6所示［10］。

为简化计算模型，将舷侧防护结构等效为多层间隔靶板，材料选取 HY100钢，采用 MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC本构方程。除靶板外，侵彻模型还包括炸药、药型罩、空气、壳体等四种材料，其选取材料与之前侵彻体成型仿真一致。

表1 靶板材料参数（单位制：mm－ms－kg－Gpa）

图7 前级环形聚能装药垂直侵彻靶板模型

在结构参数方面，药型罩曲率半径选取24mm，锥角选取125°，罩 顶 厚 度 选 取2mm，装药高度选取50mm，壳体厚度选取2mm。靶板为多层结构，第一层放置于距装药底端300mm，即4倍切割半径处，厚度为8mm。第二层靶板距第1层30mm，厚度为8mm；第三层靶板厚20mm，距第2层30mm；第四层靶板厚25mm，距第三层500mm；第五层靶板厚25mm，距第四层500mm。仿真采用流固耦合算法，靶板和壳体采用拉格朗日固体模型，空气、炸药和药型罩选用流体模型。靶板对称面施加对称约束条件，非对称面施加边界无反射条件，长和宽均取500mm，其中前三层与空气单元网格重合，计算模型如图7所示。

4 垂直侵彻计算

环形起爆形成的侵彻体在80μs时姿态已经稳定，164μs时开始侵彻靶板，这两个时刻侵彻体所对应的形态如图8所示。80μs时侵彻体长细比好，围裙较明显，在空中飞行距离为141mm。164μs时侵彻体在空中飞行距离达到299mm，过程中由于受到自身速度梯度以及空气阻力的影响，侵彻体长细比产生变化、截面长度变小，物质向围裙部有少量靠拢，但形态变化不显著。两个时刻EFP的轴向速度分别是1874m／s和1868m／s，即侵彻体在飞行过程中速度变化不大。两个时刻EFP的径向速度分别是4m／s和－1m／s，即侵彻体在切割靶板前基本保持竖直飞行状态。

EFP对靶板的侵彻时间从164μs～280μs，期间将前两层靶穿透，在第三层靶开孔8mm深。在模拟环形EFP侵彻靶板过程中观察到，整个过程中伴随靶板和侵彻体的碎片飞溅，侵彻体对前两层靶板的破坏方式主要为挤压和剪切方式，此时侵彻体速度较高，靶板变形挠度较小。侵彻体对第三层靶板的破坏方式主要为挤压方式，侵彻完毕时，孔洞底部留有侵彻体残片。图9为环形EFP侵彻3层靶板对应侵彻体变形及靶板开孔情况。

图8 两种时刻对应1／4侵彻体形态

图9 侵彻体变形及靶板开孔情况

从仿真结果中读取在侵彻靶板过程中侵彻体的速度、质量变化值，如表2所示。164μs～181μs，环形EFP穿透第一层靶板。穿靶前速度为1868m／s，穿靶后速度为1375m／s，即EFP速度损失了26%；穿靶前质量为0.304kg，穿靶后质量为0.301kg，即EFP质量损失了1%。因为触靶前，侵彻体速度高、形状完整，穿孔呈现整齐、规则圆环形状，内环半径为66.64mm，外环半径为83.39mm，即孔宽为16.75mm。191μs～216μs，环形EFP穿透第二层靶板。穿靶后速度降为1002m／s，即EFP速度已损失46%；穿靶后质量剩余0.172kg，即质量已损失掉43%；因侵彻体在穿透第一层靶板后，速度下降、形态发生改变，致使二层靶穿孔圆环形状不规则，最窄位置孔宽13.64，最宽位置孔宽16.72mm。232μs～280μs，环形EFP侵彻第三层靶板。穿靶后速度降为0，残余碎片质量约为0.06kg，靶板穿孔呈现不规则圆环形状，最窄位置孔宽10.92mm，最宽位置孔宽16.68mm。

表2 EFP侵彻靶板过程各时刻对应速度、质量

根据表中数据拟合速度变化曲线和质量变化曲线，如图10、图11所示。

图10 速度变化曲线

图11 质量变化曲线

由速度曲线看出，侵彻体速度呈阶梯式下降，三个下降阶梯分别对应了EFP对第一、二、三层靶板的侵彻阶段，曲线中平缓部分对应侵彻体在相邻靶板之间飞行阶段，250μs过后侵彻体速度严重不足，在第三层靶板的坑洞中速度降为0。由质量曲线看出，侵彻体在190μs～210μs区间，即穿透第二层靶板过程中质量损耗较大。在对第三层靶板侵彻完毕后，约0.062kg侵彻体残片遗留在坑洞中。

5 结语

1）截面呈弧－锥形的变壁厚环形药型罩在炸药爆轰作用下能够形成形态稳定的环形EFP侵彻体，在66μs时即达到稳定状态，且具有良好的断面密实度和较强的侵彻能力。

2）形成的环形EFP在空气中能够长距离稳定飞行，形态变化不显著，有利于保持侵彻效果。

3）垂直侵彻过程中，侵彻体将前两层靶板穿透，对第三层靶板开孔深度约8mm，孔外半径达83.39mm。

4）侵彻体速度呈阶梯式下降，在切透第二层靶板时质量损耗最大；对第三层靶侵彻效果降低，残余侵彻体留在第三层靶的坑洞中。

［1］徐双喜.大型水面舰船舷侧复合多层防护结构研究［D］.武汉：武汉理工大学，2010：3－10.

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