钢结构壳体对EFP成型影响的数值模拟

山西中北大学机电工程学院 姜弛 乔磊

引言

随着新型反应装甲末敏弹的研制，爆炸成型弹丸战斗部的研究越来越受到广泛的重视。爆炸成型弹丸（EFP）是把破甲弹和穿甲弹结合统一于一体的一种弹丸，其基本原理是：药型罩在爆轰波的作用下，形成高速“弹丸”，撞击目标实现对目标的侵彻。其特点是“弹丸”穿孔直径以及后效作用大、抗旋转，因此在军事上得到广泛应用。本文所要研究的串联EFP恰恰可以实现对坦克反应装甲的侵彻，对钢壳体的EFP战斗部的结构设计前人已经做了大量的研究，并得到了指导性的言论。然而对于钢壳体的双层EFP结构设计国内研究较少。所以设计合理的壳体结构不仅可以使EFP更加有效地侵彻反应装甲，也可以为后续的研究工作做下铺垫。

1计算模型

1.1 爆炸成型弹丸几何模型建立[2]

计算模型采用如图1所示的典型球缺药型罩EFP战斗部装药，装药为8701炸药，药型罩为双层药型罩串联的铜—铜结构，壳体的材料为钢，起爆模式为中心起爆。图1中各参数的物理意义如下：R为外罩曲率半径；δ 为壳体厚度，L为装药长度，Dk为装药直径。

1.2 有限元模型的建立及网格划分

本文采用LS-dyna进行EFP数值模拟，为减少运算量建模采用轴对称1/2建模，因此采用LS-DYNA-2D来模拟EFP成型过程。图2为网络模型，采用Lagrange算法。炸药和金属罩之间的接触使用 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触算法，计算过程中使用小型重启动分析。50μs后炸药基本爆轰完毕，对药型罩影响很小，因此将删除炸药PART和接触，计算时间为500μs。

图1

图2

1.3 材料模型

1.3.1 炸药

此次采用8701为主装药的混合炸药，对HMX采用高性能炸药材料模型，爆轰产物的膨胀采用JWL状态方程，并假定爆轰前沿以正常速率传播。

该炸药的主要参数为：ρ=1.77g/cm3，D=8425m/s，PCJ=34.2GPa。

JWL状态方程精确地描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性，JWL状态方程的表达式为：

式中：A、B、R1、R2和ω 为输入参数，E0为初始比内能。A=748.6GPa，B=13.38GPa，R1=4.5，R2=1.2，ω=0.38。

1.3.2 药型罩[1]

内外罩均采用紫铜，材料模型采用Johnson-cook，材料参数为ρ=8.96g/cm3，G=46GPa，A=0.09GPa，B=0.21GPa，N=0.31，C=0.025，M=0.19，TM=1360，TR=293。

状态方程采用Gruneisen状态方程，其表达式为：

式 中 ，C=3940，S1=1.49，S2=0，S3=0，γ0=1.99，a=0.47。

1.3.3 药型罩壳体

药型罩壳体采用钢结构，材料模型采用 Johnson-cook， 材 料 参 数 为ρ=7.89g/cm3，G=77GPa，A=0.35GPa，B=0.275GPa，N=0.36，C=0.022，M=1.0，TM=1811，TR=294。

状态方程Gruneisen的主要参数：C=4569，S1=1.49，S2=0，S3=0，γ0=2.17，a=0.5。

2 数值模拟

2.1 药型罩串联爆炸成型过程

双层EFP成型过程以δ/Dk=0.03 为例进行数值模拟，如图3所示，显示了以100μs为间隔的模拟过程。

图3 串联EFP 瞬态过程

2.2 EFP 壳体对EFP 成型的影响

为了研究EFP钢外壳厚度对双层药型罩成型的影响，设置了δ/Dk分别等于0、0.02、0.03、0.04、0.05时成型杵体的长径比，杵体长径比与速度分别与外壳厚度与装药直径的比值的变化规律如图4、图5所示。结果显示随着δ/Dk的增大，内外罩的速度都在增大，内罩速度增幅略微快于外罩速度，速度差也在逐步拉大。内罩的长径比随着δ/Dk的增大变化不大，维持在4.5～5.5之间，而外罩的长径比却随δ/Dk的增大逐步减小，并且在δ/Dk=0.03之后发生交汇并从此大小发生逆转。

图4

图5

3 结论

前人[3-4]对EFP单层药型罩成型后杵体长径比随外壳厚度变化趋势的研究结果对比可知，外罩的长径比变化趋势与单层药型罩的变化趋势均是随着δ/Dk的增大EFP的长径比减小，EFP的成型主要依靠爆轰波的挤压。随着壳体厚度增大，内外罩的长径比大小出现逆转，在δ/Dk=0.03之后，外罩的长径比将小于内罩的长径比。从靶板侵彻[5]的角度来讲，内罩先接触靶板，而外罩后接触靶板。从前人得到的规律可知，随着EFP长径比逐渐减小，其侵彻深度也是逐渐减小，但孔径却是逐渐变大的，所以作为开孔打穿为优先选项的外罩，推荐EFP长径比较大；而作为扩孔为主要功能的外罩则推荐EFP的长径比较小。综上所述，当δ/Dk＞0.04内罩长径比要大于外罩长径比时，会有更优的侵彻效果。

[1]腾桃居,陈磊,石翔.不同材料双层药型罩EFP 成型及侵彻性能数值模拟[J].弹箭与制导学报,34(5)，2014：113～116.

[2]顾文斌,刘建青,唐勇等.球缺型EFP 战斗部结构优化设计研究[J].南京理工大学学报（自然科学版）,32(2),2008：665～670.

[3]蒋建伟,杨军,门建兵,罗建. 结构参数对EFP 成型影响的数值模拟[J].北京理工大学学报,24(11),2004：939～941.

[4]门建兵,蒋建伟,杨军.串联EFP 成型与侵彻的数值模拟及实验研究研究[J].北京理工大学学报,30(4),2010：383～386.

[5]王建,曹红根,周剪隆. EFP 侵彻爆炸反应装甲过程研究[J]. 南京理工大学学报（自然科学版）,32(1),2008：9～12.