变壁厚球缺型EFP战斗部结构优化设计

韩明蕾，林溪石,2，唐恩凌

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳110159；2.沈阳军区 工程科研设计院，辽宁 沈阳 110162)

变壁厚球缺型EFP战斗部结构优化设计

韩明蕾1，林溪石1,2，唐恩凌1

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳110159；2.沈阳军区 工程科研设计院，辽宁 沈阳 110162)

为研究聚能装药结构参数对爆炸成型弹丸性能的影响，利用 LS-DYNA软件对 EFP的成型过程进行三维数值模拟，用正交优化法分析药型罩壁厚、曲率半径、罩口罩顶壁厚比、壳体厚度对 EFP成型的影响规律。结果表明：药型罩壁厚是影响EFP速度的主要因素；并得知口径为40mm变壁厚球缺型EFP，当药型罩顶壁厚为2.1mm、曲率半径为30mm、罩口罩顶壁厚比为0.4、壳体厚度为2mm时，EFP具有高的初速、流线外形、高密实度、大长径比。

EFP；变壁厚；壳体；正交优化；数值模拟

现代爆炸成型弹丸(EFP)战斗部设计的必备环节是进行结构优化，改善EFP的弹道性能，以提高作用距离。EFP的成型是十分复杂的过程，涉及许多因素[1]，其战斗部的药型罩主要有大锥角罩、球缺罩和弧锥结合罩等类型，其中球缺型药型罩研究和使用较多。对于变壁厚球缺型药型罩EFP的成型，在装药直径及长度确定的情况下，药型罩壁厚、曲率半径、罩口罩顶壁厚比、壳体厚度是影响EFP成型性能的重要因素。唐密等[1]以等壁厚球缺罩EFP的主要尺寸为考察因素，以成型后的弹丸速度为考察指标，利用正交优化法分析了各因素对指标的影响；龙源等[2]用数值模拟研究了装药长径比对EFP速度的影响；周翔等[3]研究了装药长径比、壳体厚度、药型罩壁厚对EFP速度的影响，得到了有关EFP成型速度的关系式。本文应用正交优化设计方法，计算分析罩顶壁厚、药型罩外径、罩口罩顶壁厚比、壳体厚度4个因素对EFP成型的影响。在此基础上，对装药口径为40mm变壁厚带壳球缺型EFP进行优化设计。

1 数值模拟

1.1 基本假设

炸药、壳体和药型罩材料为均匀连续介质，整个爆炸过程为绝热过程[2]，不考虑重力及空气阻力影响。

1.2 控制方程

LS-DYNA3D程序采用的主要算法是Lagrangian增量法[3]，主要包括：

运动方程

设初始时刻质点的坐标为Xi(i=1,2,3)；任意时刻t，该质点的坐标为xi(i=1,2,3)，则该质点运动方程[4]为

xi=xi(Xi,t),i=1,2,3

(1)

在t=0时，初始条件

xi(Xi,0)=Xi

(2)

xi(Xi,0)=Vi(Xi,0)

(3)

式中Vi为初始时刻速度。

动量方程

σij+ρfi=ρai

(4)

式中：fi为单位质量的体积力；σij为柯西应力；ai为加速度；ρ为当前质量密度。

质量守恒方程

ρ=jρ0

(5)

式中：j为雅克比行列式；ρ0为初始质量密度。

能量方程

E=VSijεij-(p+q)V

(6)

式中：q为体积黏性阻力；εij为应变率张量；V为现实构型的体积。

偏应力

Sij=σij+(p+q)σij

(7)

压力

(8)

1.3 计算模型

EFP药型罩呈变壁厚球缺型见图1，计算模型采用图2所示装药结构，它由炸药、壳体、药型罩组成。炸药为8701，密度为1.845g/cm3，爆速为8835m/s，状态方程为JWL状态方程。药型罩材料为电工纯铁，采用变壁厚球缺型结构。壳体为45#钢，密度为7.83g/cm3，药型罩和壳体均采用MAT-JOHNSON-COOK本构模型和GRUNEISEN状态方程[5]，药型罩本构模型参数见表1。装药直径和高度均为40mm。炸药和药型罩及壳体之间采用面面滑动接触。

图1 变壁厚球缺罩简图

图2 数值计算模型

2 正交设计分析

以EFP速度ν，长径比L/D为考察指标，选取因素为药型罩外径γ1、罩顶壁厚δ、罩口罩顶壁厚比λ、壳体厚度η为正交设计的4个因素，水平为4，各因素水平如表2所示。

表1 Johnson-Cook本构方程计算参数

表2 因素和水平表

用L16(45)安排4个因素对应的16个水平，得到16个数值计算方案。仿真采用LS-DYNA程序，用单元计算快、精度良好的Lagrange方法计算EFP成型过程。采用单点积分，并根据对称性取1/4结构建立三维模型。

计算过程中，采用等效失效应变的方法删除失效单元。炸药起爆26μs后，不再对EFP形成过程产生直接影响，可将炸药单元从计算模型中删除[6]。计算时间为100μs，各参数组合得到的EFP成型情况如图3所示。

图3 不同组EFP成型效果

本次模拟目的是得到稳定飞行且能远距离作用的EFP，要求EFP具有流线的外形，大密实度，高速度及较大的长径比。由图3可知：第2、5、6、9、10、13模拟结果的成型良好；第1个长径比过大，飞行稳定性不好，容易拉断；第11、12、15个长径比过小，EFP迎风面面积过大，阻力很大；第16个没有成功径向闭合成翻转型EFP。

将仿真计算得到的EFP速度、长径比作为优化设计评定指标，将计算结果填入正交表的右侧，如表3所示。对表3中的计算结果进行极差分析，结果列于表4。利用综合平衡法分析可得到优化EFP装药结构参数[6]。

各指标随各因素的变化情况如图4a～图4d所示。由图4可知，ν和L/D随δ的增大急速减小；ν随γ1增大而增大，L/D随γ1增大先急速后缓慢的减小；ν和L/D随λ的增大而减小；ν随η增大先增大后减小，L/D随η增大先减小后增大。

表3 方案与结果

表4 EFP极差分析结果

图4 ν与L/D随各参数的变化曲线

根据极差分析可知，各因素对EFP速度影响的大小顺序是：药型罩壁厚δ、罩口罩顶壁厚比λ、药型罩外径γ1、壳体厚度η，其中δ对速度的影响远超过其他因素；对EFP长径比影响的大小顺序是药型罩外径γ1、药型罩顶壁厚δ、壳体厚度η、罩口罩顶壁厚比λ。

再分析各因素的最优水平组合，在表3安排的16个方案中，方案5得到的EFP具有良好的尾裙，大密实度及长径比，而且速度较高，其各因素的水平分别为：药型罩顶壁厚δ取水平2，药型罩外径γ1取水平1，罩口罩顶壁厚比λ取水平2，壳体厚度η取水平3。结合图4 EFP速度、长径比随各因素变化曲线，可知如果将罩口罩顶壁厚比λ取水平1，EFP速度和长径比会进一步提高，由此得到φ40mm变壁厚球缺型EFP新的优化方案:δ=2.1mm，γ1=30mm，λ=0.4，η=2mm。

3 优化方案仿真计算分析

将新的优化方案重新建模计算，EFP的成型一般到200μs已经结束，图5为计算到200μs时EFP成型情况。

图5 EFP成型过程仿真结果

EFP头、尾部的速度和时程曲线如图6所示，其中时间单位为μs，速度单位为km/s。观察图5和图6仿真结果，药型罩翻转形成EFP，到200μs头尾速度基本趋向一致，形状不再发生变化，说明此时EFP成型过程已经结束。该EFP具有优美的外形，弹丸密实度高，长径比大，EFP头部速度为1920m/s，长径比为3.2，显然优于方案5。

图6 EFP头尾速度和时间曲线

4 结论

利用三维有限元程序结合正交设计方法对φ40mm球缺型EFP战斗部结构参数进行了模拟优化，得出以下结论：

(1)各因素对EFP速度影响的大小顺序是：药型罩壁厚δ、罩口罩顶壁厚比λ、药型罩外径γ1、壳体厚度η。对EFP长径比影响的大小顺序是：药型罩外径γ1、药型罩壁厚δ、壳体厚度η、罩口罩顶壁厚比λ。

(2)药型罩壁厚δ是决定EFP速度的最主要因素。

(3)仿真研究了变壁厚球缺型EFP战斗部结构参数对EFP成型的影响，得到了各结构参数的最佳水平组合，分别为2、1、1、3，该组合得到EFP速度为1920m/s，长径比为3.2。

[1]唐蜜,柏劲松,李平,等.爆炸成型弹丸成型因素的正交设计研究[J].火工品,2006,5(3):38-44.

[2]龙源,周翔,马海洋,等.装药长径比对EFP动能影响的数值模拟研究[J].弹箭与制导学报,2003,23(2):134-136.

[3]周翔,龙源.地雷战斗部爆炸成型弹丸速度影响因素[J].解放军理工大学学报,2004,5(4):62-64.

[4]周翔,龙源,岳小兵.76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究[J].弹道学报，2003,15(2):59-63.

[5]郭支明,王志军,吴东国.EFP战斗部参数优化设计[J].弹箭与制导学报,2005,25(4):159-161.

[6]续新宇,易建政,朱剑,等.某专用EFP的结构设计和数值模拟[J].工程爆破,2007,13(4):25-27.

[7]顾文彬,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,2008,32(15):166-170.

(责任编辑：赵丽琴)

Optimization Design of Variable Wall Thickness of EFP Warhead with Hemispherical Liner

HAN Minglei1,LIN Xishi1,2,TANG Enling1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Engineering Research and Design Academy of Shenyang Military Region,Shenyang 110162,China )

In order to research the impact of structural parameters on EFP,the numerical simulation for the forming process of EFP by using LS-DYNA software,Orthogonal optimization analysis of liner thickness,radius of curvature,cover the top of the wall thickness ratio masks,shell thickness on EFP forming investigated.The results show that liner thickness is the most important factor affecting the speed of EFP and optimize the wall thickness of the ball to get a caliber of variable charging structure missing type EFP program of 40mm.

： EFP；variable wall thickness;case;orthogonal optimization;numerical simulation

2014-06-01

韩明蕾(1987—)，男，硕士研究生；通讯作者：唐思凌(1971—)，男，教授，研究方向：终点弹道毁伤理论.

1003-1251(2015)05-0054-04

TJ410.33

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