多模LEFP成型机理与侵彻威力研究

朱绪强，王　锋，杜忠华，成　一

(1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江 157013)



多模LEFP成型机理与侵彻威力研究

朱绪强1,2，王锋1，杜忠华1，成一1

(1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江 157013)

为研究多模3种毁伤元的成型特点和侵彻威力，建立了多点起爆LEFP数值模拟模型，用LS-DYNA软件模拟了一端起爆、中心起爆和两端同时起爆3种起爆方式下LEFP成型过程。利用威力试验，测试了3种起爆方式下靶板的切口形态和侵彻深度，讨论了3种毁伤元在不同炸高下侵彻能力的差异。数值模拟结果表明，一端和中心起爆侵彻体呈线性，在大炸高下易飞散；两端同时起爆时，根据爆轰波对撞理论，两个爆轰波对撞产生超压，形成高速侵彻体，在大炸高下仍具有较强的毁伤威力。同时根据3种基本毁伤元成型特点，可在装药上设置多个起爆点，通过控制起爆点数量、位置和时序形成不同数量、速度和飞散方向的高速EFP毁伤元。实验结果表明，侵彻深度符合数值模拟的侵彻体形成规律。

线性成型装药；LEFP；侵彻威力；爆轰波对撞理论；药型罩

引　言

线性成型装药(LEFP)是一种聚能装药，被引爆后，其药型罩在爆轰压力的作用下发生翻转，在对称面上形成一定长度的线性爆炸成型侵彻体。国内外对线性成型装药理论的研究大多局限于V形罩的试验、理论、数值模拟和应用研究。其中，Rondot、Rolc和Ho Soo KIM等[1-2]开展了V形装药的数值模拟，Curtis、Hayes等[3-4]主要开展了线性成型装药的理论建模，分析了影响成型装药威力的主要影响因素。V形装药主要作为线性切割器用于对钢板的切割或对导弹的拦截切割，但V形罩形成的线性射流对炸高很敏感，在大炸高下有很大的局限性。近几年国内外相继开展了大炸高下生成LEFP侵彻体的研究，研究方式基本以单点起爆和线性起爆为主[5-10]。

给LEFP加装多个起爆装置，根据作用需求，通过在空间和时序上控制起爆，可以形成不同种类、不同发散方向和速度的毁伤元，即多模LEFP。多模LEFP不仅可用于防护，形成的线性侵彻体可有效拦截来袭的各种弹药，同时也可形成高速、用于攻击的毁伤元。本研究针对一端起爆、顶部中心起爆和两端同时起爆等3种基本起爆方式进行了数值模拟及实验验证，以期为研究多模LEFP的成型规律和侵彻能力提供参考。

1　多模LEFP数值模型

设计的LEFP结构如图1所示。

图1　线性装药结构示意图Fig.1　Schematic diagram of the charge arrangement of LEFP

采用LS-DYNA软件，建立的有限元模型如图2所示，由装药、壳体、药型罩、空气和靶板构成。装药、药型罩和空气采用ALE算法，壳体和靶板采用拉格朗日算法，流体和固体之间使用流固耦合算法。为便于计算建立1/2模型，在对称面加对称边界，在空气和靶板周围加非反射边界。装药材料是8701，使用HIGH_EXPLOSIVE材料模型和JWL状态方程；壳体材料是45号钢，均使用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程；药型罩材料是紫铜，使用STEINBERG材料模型和GRUNEISEN状态方程；空气使用空物质NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL状态方程。8701材料参数见表1，战斗部与靶板参数见表1。

图2　LEFP侵彻靶板有限元模型Fig. 2　Finite element model of LEFP penetration target

ρ/(g·cm-3)D/(m·s-1)P/GPaA/GPaB/GPaR1R2ω1.70842529.7854.520.54.61.350.25

2　多模LEFP不同毁伤元形态的变化

爆轰波对药型罩的压垮行为是一个复杂的三维过程，爆轰波作用于药型罩，使药型罩沿径向发生翻转，同时，爆轰波初始作用于药型罩不同位置，使药型罩沿Z向发生变形，起爆方式在空间和时序上的差别主要导致药型罩沿Z方向的变形，通过Z方向的变形形成多种毁伤元。

一端单点起爆后，爆轰波开始在端面沿着Z方向向另一端传播，一段距离后形成滑移爆轰波，在开始阶段，滑移爆轰波有个很短的成长过程，之后形成滑移爆轰波稳定向前传播，并同时压垮药型罩。滑移爆轰波对药型罩的压垮在成长期弱于稳定期，所以一端起爆LEFP在起爆端有一定的滞后，如图3(a)所示。LEFP在稳定飞行一段距离后，在15倍炸高后开始断裂，在20倍炸高，LEFP距起爆端一半长度发生飞散。一端起爆后，受滑移爆轰波的作用，LEFP偏向一端，偏向角约为6.3°，但LEFP的长度基本保持不变。

图3　3种基本毁伤元LEFP形态变化Fig.3　LEFP morphological changes of three kinds of basic kill elements

顶部中心点起爆后，爆轰波以起爆点为中心，以球面波的形式传播，波阵面首先到达药型罩中间顶部，开始压垮药型罩，之后爆轰波向两端传播，若装药足够长，经过滑移爆轰波的成长期后，形成类似于一端起爆的稳定的滑移爆轰波，本质上中心和端面单点形成的毁伤元可认为是一种毁伤元。中心点起爆形成的LEFP会随着炸高逐渐拉长，其拉长的半偏角约为4.5°，如图3(b)所示。受起爆初始阶段球面波的影响，LEFP在稳定飞行一段距离后，在15倍炸高处发生拉伸断裂，呈“八”字形态。相对于一端起爆，中心起爆断裂成两半后，仍保持较好的侵彻能力。

两端起爆，根据爆轰波对撞理论，爆轰波在对撞区产生超压现象，理论上若爆轰波控制合理，可产生2倍以上超压。在两端起爆后，滑移爆轰波经过成长期后稳定向前传播，在接触面发生对撞，对撞区压力陡然升高，图4为爆轰波在对撞区和非对撞区压力有对比。

图4　爆轰波对撞区与非对撞区压力对比Fig.4　Comparison of the pressure of collision and non-collision area

由图4可见，对撞区最大压力约为非对撞区的2倍。爆轰波波阵面经过非对撞区后发生对撞，所以对撞区压力曲线滞后于非对撞区。对撞区压力的增加必然驱动药型罩在对撞区速度增加，使药型罩在开始阶段形成凸起，如图3(c)所示。随着炸高的增大，LEFP在对撞区Y方向速度的牵引下，LEFP两端慢慢闭合，形成具有细长的高速侵彻体，且侵彻体在大炸高下不易飞散。

若使两个起爆点延时起爆，爆轰波的对撞区不会出现在装药长度的中心位置，而是偏向一侧。通过控制起爆点起爆时差的大小，可控制对撞区的偏离距离，实现对两端起爆凸起的方向控制。偏离距离的大小与炸药的爆速和起爆延时有关，图5为延时凸起随延时时间的偏向距离，由图5可见，其值约为5mm/μs。

图5　延时起爆凸起的偏向距离Fig.5　The deviation with time difference

3　不同起爆方式下LEFP速度的变化

沿Y方向的速度是影响LEFP侵彻能力的最重要因素之一，在其他条件不变的情况下，速度越大，其侵彻能力越大。沿Z方向的速度梯度决定着LEFP的形态和在大炸高下的飞散状况。通过分析3种起爆方式下侵彻体的速度变化，研究侵彻体的成型趋势和侵彻威力。

3.1一端起爆

在一端起爆中，选取LEFP从起爆端开始沿Z方向不同位置的6个测量点，如图3(a)所示，其不同位置(距起爆点距离L)Y方向的速度曲线如图6所示。

图6　 一端起爆距起爆点不同位置Y方向速度曲线Fig. 6　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point by end initiation

由图6可见，从起爆点开始，各点依次产生速度，爆轰产物将药型罩的速度驱动到最大值后，爆轰产物的作用减弱，各点速度曲线慢慢下降趋于平缓，各点增长期的时间大约都为8 μs。对于不同点的Y向速度曲线，20mm点处于滑移爆轰成长期，其曲线峰值和稳定期速度最小。40～100mm点处于爆轰波稳定期，其曲线峰值基本一致，速度相差不大，但距起爆点越远，速度越大。对于120mm点处，结合一端起爆的形态图，在滑移爆轰波作用下，不仅在这一侧把质点速度推向最高，同时也推动质点向其运动，造成质点堆积，无论是速度还是质量在这一侧都达到最大值。

3.2顶部中心起爆

由于中心起爆沿中线对称，选取Z方向LEFP一半4个点，如图3(b)所示，其不同位置(距起爆点距离L)Y方向的速度曲线如图7所示。

图7　中心起爆距起爆点不同位置Y方向的速度曲线Fig. 7　Velocity curves along Z direction from different position of initiation point by center initiation

由图7可见，从起爆点开始向两侧依次产生速度。在起爆点和距起爆点20mm处速度变化较为一致，这一段可看成是球面爆轰波作用的结果。在距起爆点40和60mm处，速度明显增大，这段可看成是球面爆轰波衍化成滑移爆轰波作用的结果。同一端起爆相同，最大速度出现在端面，这也解释了中心起爆在大炸高时的“八”字形态。

3.3两端起爆

两端起爆时两个爆轰波相撞产生超压，压力增加必然驱动药型罩速度增加，由于两端起爆可看成关于碰撞面对称，所以在Z方向从起爆点起每隔20mm，共选取4个测量点，如图3(c)，得到Y方向速度变化曲线如图8所示。

图8　两端起爆距中心点不同位置Y方向的速度曲线Fig.8　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point by two-end initiation

由图8可见，从起爆点开始越靠近对撞面速度越高，起爆点位置受边界稀疏波影响，速度明显较低；在20和40mm位置处，速度基本相同；到对撞区，速度急剧增高，达3200m/s左右，造成对撞区和非对撞区很大的速度梯度。在对撞区头部速度的牵引下，LEFP两端向中心靠拢，同时因速度梯度的影响，LEFP在Y方向慢慢拉长，形成细长高速EFP，如图3(c)所示。

3.43种起爆方式对LEFP速度影响的对比

起爆方式的不同造成LEFP在Z方向速度梯度的很大变化，图9为不同起爆方式在60μs时LEFP沿Z方向不同位置Y向速度变化。

图9　不同起爆方式60 时不同位置Y向的速度曲线Fig.9　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point at 60μs in different ways of initiation

由图9可见，一端起爆在距起爆点60mm以前速度梯度较大，60mm以后趋于平缓，这也造成在大炸高条件下，一端起爆前半段易断裂。中心起爆LEFP速度在一半长度上变化均匀，其易断位置在对称轴处。两端起爆对撞区和非对撞区速度相差较大，其对撞区头部速度远高于其他速度。若不考虑大炸高下LEFP的断裂和飞散，一端起爆侵彻的有利LEFP长度在60～120mm段；中心起爆侵彻的有利LEFP段在两边；两端同时起爆侵彻的有利LEFP段在中间，同时其侵彻能力得到大幅度提升。因此可以通过控制起爆方式实现LEFP方向的控制，实现可选择毁伤。

4　多点起爆可控LEFP的成型研究

根据爆轰波对撞理论，两个爆轰波对撞可形成一个高速侵彻体。若在线性装药上设置多个起爆点，如图10所示，同时起爆后，相隔两个爆轰波对撞形成一个高速凸起，则N个起爆点可形成N-1个高速凸起，可以称之为线性EFP束，如图11所示。

图10　多点起爆起爆点位置排布Fig.10　The arrangement of multiple initioation points

图11　N点起爆在50μs时LEFP成型形态Fig.11　The morphology LEFP formation of multiple points of detonation at 50μs

多点起爆形成的侵彻体可分为3个部分：自由端区、对撞区和除自由端的非对撞区。在自由端区，两个自由端受边界稀疏波的影响，爆轰波对药型罩的作用较弱，同时在对撞区头部速度的牵引下，侵彻体两自由端向中心靠拢。在对撞区，侵彻体形成凸起，高速向前运动，同时牵引周围侵彻体运动。在除自由端的非对撞区，受单个爆轰波作用同时又受到相邻凸起的牵引，侵彻体呈现出拱形形态。由图11可见，3点起爆形成的凸起较明显；4点起爆和5点起爆凸起渐渐变弱。若点足够多，起爆形成的侵彻体平滑，无凸起，近似可看为单棱起爆。

单棱起爆形成稳定的线性侵彻体，相对于一端起爆、中心起爆侵彻体，单棱起爆形成的侵彻体的优势在于：(1)在LEFP全长范围内都具有相等的、较强的毁伤能力；(2)在大炸高条件下不易飞散。这两点对可控LEFP作为防护拦截毁伤元具有重要意义。单棱起爆爆轰波对药型罩的作用力均匀，但受边界稀疏波的影响，侵彻体在两端受到的作用力较弱，速度较小，这在一定程度上影响了侵彻体在大炸高下的形态。

综上所述，在进行LEFP设计时，可在装药上设置多个起爆点，通过控制起爆点数量、位置和时序形成不同数量、速度和飞散方向的高速EFP毁伤元。

5　多模LEFP毁伤元威力的试验研究

5.1试验设置

试验采用8701装药，密度为1.70g/cm3；药型罩为圆缺形紫铜药型罩；壳体为45号钢；靶板为300mm×400mm×35mm的A3钢，试验装药结构和现场布置如图1和图12所示。分别采用一端起爆、顶部中心起爆和两端同时起爆的起爆方式，观察靶板的切口形态和侵深，比较3种毁伤元在不同炸高下侵彻能力的差异。两端起爆时，使用同步仪和微秒级雷管控制同步起爆的时间误差。

图12　侵彻试验现场布置图Fig.12　Penetration test site layout

5.2结果及分析

图13～图15分别为一端起爆、顶部中心起爆和两端同时起爆在不同炸高H(75、225、300mm)的试验结果，一端起爆和中心起爆试验数据对比见表3，两端同时起爆的试验数据见表4。

表3　一端起爆和中心起爆在不同炸高时的试验结果对比

表4　两端起爆侵彻试验结果

图13　一端起爆不同炸高(H)时侵彻试验结果Fig. 13　The experimental results of penetration at different burst height (H) by end initiation

图14　中心起爆不同炸高(H)时侵彻试验结果Fig.14　The experimental results of penetration at different burst height (H) by center initiation

图15　两端起爆不同炸高(H)时试验结果Fig.15　The experimental results of penetration at different burst height (H) by two-end initiation

对比3种毁伤元在75mm炸高时的侵彻能力：一端起爆在起爆端侵深较浅，之后逐渐变深，在切口长一半左右之后，侵深基本相同，直到另一端有一明显最深切口，这与滑移爆轰波的成长期分析一致；中心起爆侵深呈中间浅、两边深的形态，在起爆点侵深最浅，之后向两端逐渐加深，最深处出现在两端；两端同时起爆形成的切口两边浅，中间明显有个凹坑。

由于速度梯度的存在，侵彻体飞行了一段距离后形态发生了很大变化。一端起爆和中心起爆在大炸高条件下出现明显开坑现象，可见侵彻体在飞行一段距离后发生了飞散。一端起爆和中心起爆两种起爆方式最大侵深相差不大，中心起爆切口长度大于一端起爆。结合LEFP成型形态图，一端起爆模拟和试验LEFP相对于起爆端面的偏向角相同，约为6°；中心起爆在小炸高范围内试验和模拟的偏向距离相差不大，在大炸高条件下，试验中的LEFP更易分散，模拟中的半偏向角(约4.5°)小于试验中的半偏向角(约8°)，造成模拟与试验误差的原因主要是模拟中是严格点起爆，试验中实际是面起爆，起爆点误差对偏向角影响较大。

两端起爆时，在近炸高下靶板对称面中心切口有凹坑，在大炸高下穿透靶板。两端起爆侵彻体向中心靠拢，炸高越大，靠拢越明显，切口表面长也越来越小。由于炸药爆速很高，两端同时起爆的误差必须控制在几微秒以内，同时起爆点的位置必须严格对称，在600mm炸高时，因起爆位置有误差，使侵彻体产生偏离，同时发生飞散，造成了切口表面较长，且与靶板有倾角。切口表面状态可用来检验起爆误差大小。在小炸高下产生凸起，但两端合拢不明显，所以凸起开孔长度较短，炸高增大到300mm，两端渐渐合拢，侵彻体具有一定长度，侵彻威力增加，穿透靶板，随着炸高的继续增大，两端合拢明显，开孔长度减小。两端同时起爆时不同炸高的开孔宽度相差不大，可知侵彻体的变化主要在Z方向。

一端起爆和中心起爆形成的线性侵彻体在小炸高范围内有效，大炸高范围内容易飞散，但一端起爆可控制侵彻体的方向，中心起爆侵彻体随炸高增大，侵彻体拉长，有效作用范围增大；两端同时起爆形成高速、具有一定长宽比的侵彻体，在大炸高下仍具有很强的毁伤威力，通过设置多点起爆，可形成多个高速侵彻体，但两端起爆形成的侵彻体作用范围较窄。对于同一战斗部根据目标特性，可选择针对性的毁伤元，极大提高了战斗部的使用效能，拓展了线性侵彻体的使用范围。

6　结　论

(1)通过控制线性装药起爆点的数量、位置和时序，可形成不同类型、不同方向和速度的毁伤元。一端起爆、顶部中心起爆和两端同时起爆形成的侵彻体是可控LEFP3种基本的毁伤元。

(2)通过爆轰波对撞理论可形成高速(大于3000m/s)、具有一定长宽比的侵彻体，侵彻体的方向可通过起爆点的起爆时差进行控制。

(3)顶部多个起爆点时，相邻爆轰波对撞形成多个高速侵彻体；若起爆点足够多，可近似认为单棱起爆，形成稳定的线性侵彻体。

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Research on the Formation Mechanism and Penetration Power of Multiple Model LEFP

ZHU Xu-qiang1,2, WANG Feng1, DU Zhong-hua1, CHENG Yi1

(1.Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China；2.Heilongjiang North Tool Co.,LtD., Mudanjiang Heilongjiang 157000, China)

To study the formation feature and penetration power of multimodel three kill elements, LEFP simulation model of a multi-point initiation was established and LEFP forming process under end initiation, center initiation and two-end initiation synchronously was simulated by LS-DYNA software. The notch shape and penetration depth of the target under three kinds of initiation ways were tested by the power test, and the difference of penetration ability of the three kinds of kill elements in the different burst height is discussed. Results show that the penetrator is the linear and easily splashed by end initiation and center initiation, and penetrator is slender by two-end initiation synchronously, according to the collision theory of detonation waves, two detonation waves collide to produce overpressure, the high velocity penetrator is formed, in the large burst height still has a strong destructive power. At the same time according to the forming characteristics of three basic kill elements, the multiple model LEFP can be formed by setting the many point of detonation on the charge, the kill elements with different quantity, speed and scattering direction high-speed can be formed by controlling the number, position and initial time of the points of detonation. The penetration depth conforms to the formation rule of the penetrator of numerical simulation.

linear shaped charge; LEFP;penetration powder; collision theory of detonation waves；liner

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.012

2016-03-16；

2016-04-27

朱绪强(1980-)，男，博士，高级工程师，从事弹药设计工作。E-mail:zhuxuqiang@163.com

TJ55;O381

A

1007-7812(2016)04-0061-06