综合效应MEFP成型过程的数值仿真*

陈　亮,刘荣忠,郭　锐,赵博博,袁　军

(南京理工大学机械工程学院,南京　210094)

综合效应MEFP成型过程的数值仿真*

陈亮,刘荣忠,郭锐,赵博博,袁军

(南京理工大学机械工程学院,南京210094)

摘要:为了扩展EFP战斗部在新型智能弹药中的应用,设计了一种可成型一个主EFP和周向16个辅EFP的综合效应MEFP装药结构。应用AUTODYN软件研究了药型罩结构参数对这种MEFP战斗部成型效果的影响。结果表明:辅药型罩曲率半径和壁厚对辅EFP的形状和速度影响较大,辅EFP飞散角随辅药型罩倾角的增大而明显减小,合理选取各参数值,可获得动能较大、形状接近球形、飞散角小的辅EFP,从而提高毁伤效能。

关键词:MEFP;数值仿真;辅EFP;飞散角

0引言

为了提高对现代战场上技术阵地目标的毁伤效能,采用传统单EFP装药进行点对点的攻击已难以满足作战要求,综合效应MEFP可同时爆炸成型一个主EFP和周向多个辅EFP或破片,对目标造成综合毁伤,具有一定的面毁伤能力,可以有效提高命中概率和毁伤效果。

科技人员对EFP战斗部已进行了大量的研究:文献[1]利用数值方法研究了结构参数对子装药结构的MEFP飞散角的影响;文献[2]对整体式MEFP成型和侵彻过程进行了仿真和实验研究;文献[3]分析了结构参数对周向MEFP成型的影响;文献[4]研究了EFP战斗部技术在防空反导中的应用。但是,对于综合效应MEFP战斗部的研究,国内还少有涉及。

文中设计了一种整体式的综合效应MEFP装药结构,采用AUTODYN软件研究了药型罩主要结构参数对MEFP成型效果及飞散角的影响,为综合效应MEFP战斗部的进一步研究提供参考。

1战斗部结构

综合效应MEFP战斗部包括药型罩、装药以及壳体。其中,药型罩由一个中心主罩和环绕主罩均匀排布的16个花瓣状辅药型罩组成。主药型罩和辅药型罩均采用等壁厚球缺罩,整个药型罩为一个整体。图1为综合效应MEFP战斗部3D模型。

图2给出了MEFP战斗部的主要结构参数,其中,D0为战斗部口径,L为战斗部总长度,D1为主药型罩口径,R1为主药型罩曲率半径,R2为辅药型罩曲率半径,δ为辅药型罩厚度。为有效控制辅EFP飞散角大小,文中引入了辅药型罩倾角θ这一结构参数,即所设计辅药型罩中心轴线与战斗部轴线成一定夹角θ,以改变成型过程中爆轰波对辅药型罩的作用角,产生一定聚焦作用,以减弱由于爆轰波作用不对称性引起的辅EFP飞散效应。

图1　MEFP战斗部3D模型

图2　综合效应MEFP战斗部结构简图

2战斗部成型过程仿真

2.1　仿真模型

利用AUTODYN 3D软件建立1/4有限元模型,仿真采用流固耦合方法,药型罩采用Lagrange网格,其余部分均采用Euler网格,药型罩、装药及壳体材料分别取为紫铜、8701炸药和45号钢,材料参数取自文献[5]。拟定MEFP战斗部初始计算方案如表1。图3为战斗部计算模型。

表1　初始方案

图3　计算模型

2.2　战斗部成型过程

采用中心点起爆方式,综合效应MEFP战斗部不同时刻成型情况如图4所示。

图4　综合效应MEFP战斗部成型过程

仿真结果表明:起爆28 μs后,各药型罩基本分离,80 μs后,辅EFP基本成型结束,150 μs后,主EFP基本成型结束,最终形成了一个中心主EFP加周向16个辅EFP的毁伤元阵列。主EFP形状匀称,辅EFP的形状不规则,这是由爆轰波作用不对称性造成的。为了减小辅EFP的速度衰减,改进了药型罩的结构参数,使辅EFP形状接近球形。

3结构参数对成型效果的影响

考虑辅药型罩曲率半径R2,辅药型罩壁厚δ、辅药型罩倾角θ三个因素,分析各因素对综合效应MEFP成型的影响。仿真结果中各符号含义如下:M1为主EFP质量,M2为辅EFP质量,v1为主EFP速度,v2为辅EFP轴向速度,vr为辅EFP径向飞散速度,α为辅EFP飞散角。其中,飞散角α指辅EFP合速度方向与战斗部轴线的夹角,其大小可由下式计算:

3.1　辅药型罩曲率半径的影响

在表1给出的基础方案基础上,取辅药型罩曲率半径R2为35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm,其余参数不变,进行仿真,结果如图5所示。

如图5(a)、图5(b)所示,随着辅药型罩曲率半径R2增大,辅EFP长度逐渐减小,当R2取值为35 mm时有拉断趋势,当R2取值为45 mm时,辅EFP形状最接近球形;辅EFP轴向速度v2随着R2增大而增加,这是由于爆轰波对辅药型罩轴向推动作用增强造成的。当R2取值为45 mm时,获得的主EFP的质量约为51.5 g,速度约为2 750 m/s,辅EFP质量约为16.5 g,轴向速度约为2 250 m/s,能保证较强的侵彻威力。图5(c)的结果表明:随着R2增大,飞散角和径向飞散速度,均随之减小,因此为获得较小飞散角,R2不宜过小。综上所述,对于该战斗部结构而言,为获得形状接近球状且飞散角较小的辅EFP,辅罩曲率半径R2取值在40~50 mm,即取0.26

图5　辅药型罩曲率半径R2的影响

3.2　辅药型罩厚度的影响

取辅药型罩壁厚δ为2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm,其余结构参数不变,仿真结果如图6所示。

如图6(a)、图6(b)所示,随着辅药型罩厚度δ的增加,辅EFP长度随之减小,当δ取值在3~4 mm时,形状较接近球形;此外,随δ减小,辅EFP速度明显增大,但同时其质量也随之明显减小,由此可知,当δ取某一特定值时,辅EFP动能将达到最大值;主EFP的速度有所增加,这主要是由于随着δ增大,爆轰产物的泄出时间将被延迟,从而增强了爆轰波对主罩的作用。从图6(c)可以看出,随着δ增大,辅EFP径向飞散速度和飞散角均随之减小,当δ取值为2.5 mm时,飞散角达到1°左右,故δ取值不宜过小。综上所述,厚度δ取值在3~4 mm,即取0.02<δ/D0<0.026较为合理。

图6　辅药型罩壁厚δ的影响

3.3　辅药型罩倾角的影响

取辅药型罩倾角θ为0°、3°、4°、5°、6°、7°,其余结构参数不变,仿真结果如图7。

如图7(a)、图7(b)所示,随着辅药型罩倾角θ的增大,除辅EFP轴向速度v2有小幅减小外,辅EFP形状和质量以及主EFP速度和质量均无明显变化,这说明当θ取值较小时,其大小对MEFP战斗部的侵彻威力影响不大。从图7(c)可以看出:辅EFP飞散角和径向飞散速度,随着θ增大而明显减小,且当不引入θ(即θ为0°)时,飞散角超过4°,当θ为5°时,飞散角α减小到1°以下,当θ为7°时,飞散角已出现负值,即辅EFP不仅不飞散,反而会向战斗部轴线汇聚,这对提高毁伤效能也是不利的。综上所述,通过引入辅药型罩倾角θ这一结构参数,可有效控制辅EFP飞散角,当θ取值为5°<θ<6°时较为合理。

图7　辅药型罩倾角θ的影响

4结论

通过对综合效应MEFP战斗部成型过程的数值仿真,得到以下结论:

1)对该战斗部结构而言,辅药型罩曲率半径R2、壁厚δ是影响辅EFP形状和速度的主要因素,当R2取值在0.26

2)辅EFP飞散角随辅药型罩倾角θ增大明显减小,当θ取值在5°<θ<6°时可保证辅EFP具有合理的飞散角。

参考文献:

[1]周翔, 龙源, 余道强, 等. 多弹头爆炸成形弹丸数值仿真及发散角影响因素 [J]. 兵工学报, 2006, 27(1): 23-26.

[2]赵长啸, 龙源, 余道强, 等. 切割式多爆炸成形弹丸成形及对钢靶的穿甲效应 [J]. 爆炸与冲击, 2013, 33(2): 186-193.

[3]尹建平, 姚志华, 王志军. 药型罩参数对周向MEFP成型的影响 [J]. 火炸药学报, 2011, 34(6): 53-57.

[4]孔毓琦, 郭锐. 自锻破片在防空反导中的应用仿真 [J]. 江苏航空, 2010(S1): 124-126.

[5]李刚. 紧凑型末敏弹EFP战斗部技术研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

收稿日期:2014-06-14

基金项目:国家自然科学基金(11102088;11372136);上海航天科技创新基金(SAST201333)资助

作者简介:陈亮(1990-),男,四川泸州人,博士研究生,研究方向:弹药灵巧化与智能化技术。

中图分类号:TJ410.33

文献标志码:A

Numerical Simulation of Forming Process of Multi-effect MEFP

CHEN Liang,LIU Rongzhong,GUO Rui,ZHAO Bobo,YUAN Jun

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to expand application of EFP warhead in new intelligent ammunition, a multi-effect MEFP charge structure was designed which could form a main EFP and 16 circumferential auxiliary EFP. Numerical simulations using AUTODYN software were carried out to research influence of the parameters of liner on formation of this kind of MEFP warhead. The results show that both curvature radius and thickness of the auxiliary liner have a great influence on shape and velocity of the auxiliary EFP, while radial dispersion of the auxiliary EFP decreases obviously with increase of the auxiliary liner angle. When the parameters of liner are reasonable, the kinetic energy of the auxiliary EFP is larger, the shape is close to spherical, and the damage effectiveness is better.

Keywords:MEFP; numerical simulation; auxiliary EFP; radial dispersion