多点起爆方式对EFP侵彻能力增益的研究

沈慧铭,李伟兵,王晓鸣,李文彬,郑 宇,董晓亮

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点实验室,江苏 南京 210094)

多点起爆方式对EFP侵彻能力增益的研究

沈慧铭,李伟兵,王晓鸣,李文彬,郑 宇,董晓亮

(南京理工大学 智能弹药技术国防重点实验室,江苏 南京 210094)

为了提高爆炸成型弹丸EFP的侵彻能力,选择环形多点起爆的方式形成EFP侵彻体。利用有限元程序LS-DYNA模拟不同起爆半径、药型罩弧度半径和药型罩切边角对EFP成型的影响规律,通过优化得到了2个成型较好的EFP结构。结果表明:相比中心点起爆方式,多点起爆方式形成的2个EFP速度分别提高了14%和11.6%,长径比分别提高了100%和13.2%,密实度分别提高了95.3%和72.1%,侵彻深度分别提高约1.54倍和0.378倍。3个参数中,起爆半径和药型罩弧度半径对EFP的速度、长径比影响较大,对密实度影响较小;药型罩切边角对EFP的密实度影响较大。

爆炸成型弹丸;多点起爆;密实度;长径比;数值计算

Abstract:In order to improve the penetration ability of EFP,the annular multi-point initiation way was selected to form EFP penetrator.The finite element program LS-DYNA was used to simulate the effects of different initiation radius,radian radius and trimming angle of the liner on the forming of penetrator,and two well-formed EFPs were obtained by optimization.The research results show that:compared with center-point initiation,the speed of the two EFPs formed by annular multi-point initiation increases by 14% and 11.6% respectively;the ratio of length to diameter increases by 100% and 13.2% respectively;the compactness increases by 95.3% and 72.1% respectively;the penetration depth increases by 154% and 37.8% respectively.Among the three parameters,the initiation radius and the radian radius of liner have a great influence on the EFP speed and the ratio of length to diameter;the influence on the compactness is small;the trimming angle of liner has a great influence on the compactness of EFP.

Keywords:explosively formed projectile;multi-point initiation;compactness;the ratio of length to diameter;numerical calculation

在聚能装药战斗部中,当药型罩的锥角范围在120°～160°时,在爆轰载荷作用下药型罩不会压垮,而是翻转闭合形成一个短粗形状的弹丸,称为爆炸成型弹丸(explosively formed projectile,EFP)[1]。爆炸成型弹丸战斗部已有几十年的发展历史,国内外许多专家学者已经进行了深入细致的研究工作。为形成成型性能优良、侵彻能力优异的爆炸成型弹丸,大量的工作主要集中在装药[2-3]、药型罩[4-5]以及壳体[6]的材料选择和结构优化方面;也有研究者提出将聚能成型破甲战斗部中的隔板法[7]引入到爆炸成型弹丸战斗部的设计中,也取得了一定的效果。

学者们对通过改变起爆方式来得到高性能EFP的研究较少,现在最常用的起爆方式仍然是端面中心点起爆。曹兵[8]等通过X光试验分别拍摄了中心点起爆和环形三点起爆下EFP的成型情况,其中中心点起爆方式形成的EFP成型较好,而三点起爆形成的EFP断成三段,即使如此,文献[8]仍预测多点起爆对EFP成型具有良好前景;文献[9～11]分别对环形多点起爆方式形成EFP进行了研究,研究主要针对三点起爆方式形成EFP尾裙和尾翼方面,并得出以下结论:采用多点起爆方式可以形成带尾翼的EFP,且尾翼个数与起爆点个数相对应,提高了EFP的飞行稳定性和保速能力。前人对于多点起爆方式下EFP成型的研究主要集中在三点起爆方式且应用于EFP尾翼成型。采用多点起爆方式引爆炸药装药在一定条件下可以形成马赫爆轰波[12],不仅能提高炸药潜能而且能形成喇叭形爆轰波,改善了爆轰波的结构,这两点对EFP的成型性能有着有益的影响。

本文研究多点起爆方式对EFP成型的速度、长径比等关键参数的影响规律,同时通过优化起爆参数和药型罩结构得到较传统起爆方式更优良的EFP。

1 有限元模型试验验证

为了验证数值模拟方法的可靠性,基于文献[13]的试验结果,建立了爆炸成型弹丸EFP的有限元模型,将模拟结果与试验结果对比。爆炸成型弹丸装药结构为圆柱形装药,装药口径为60 mm,装药高度为48 mm,口径比为0.8,药型罩为弧锥结合药型罩,弧度半径R=44 mm,锥角为140°,具体结构尺寸如图1所示。三维有限元建模如图2所示,数值模型由炸药、药型罩和空气三部分组成,其中炸药和空气材料采用欧拉网格建模,药型罩材料采用拉格朗日网格建模,药型罩与炸药和空气材料间采用耦合算法CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。炸药材料为8701,密度为1.715 g/cm3,爆速为8 452 m/s,选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程;药型罩材料为紫铜,密度为8.96g/cm3,采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程来描述它在爆轰波作用下的动力学响应行为。空气采用空物质流体模型,状态方程为线性多项式。由于EFP炸高大且飞行距离远,为了缩减计算量,在100 μs时刻,添加*DELETE_PART关键字用于删除炸药和空气PART,仅留下药型罩PART继续成型,直至形成头尾速度一致的爆炸成型弹丸。起爆方式为端面中心点起爆。

在120 μs时刻,EFP的数值计算结果与X光图像以及最终回收到的EFP三者间对比见图3。EFP的试验和数值模拟成型参数的比较列于表1。表中,L为EFP长度,D为EFP直径,v1为头部速度,v2为尾部速度,L/D为EFP长径比。

L/mmD/mmv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)L/D仿真47.220.81481.01452.02.3试验46.819.51530.61516.22.4

由图3可以看出:三者的成型形状一致,都形成了短粗形的EFP结构;数值模拟和X光图像都存在空腔,且空腔长度接近;数值模拟得到的EFP尾部开口略大于X光摄影结果。数值模拟和回收到的EFP在尾裙处都有明显外翻现象,这是切边形药型罩的切边在爆轰波作用下向轴线处压垮成型的结果。对比表1中数值模拟和试验EFP的成型参数,仿真与试验的EFP的长度相差0.4 mm,误差0.09%;EFP的直径相差1.3 mm,误差6.7%;头部速度相差49.6 m/s,误差3.2%;尾部速度相差64.2 m/s,误差4.2%;长径比相差0.1,误差4.2%。误差均在5%左右,这表明数值计算采用的材料本构、状态方程等应用于模拟EFP成型的结果是可信的。

2 多点起爆EFP的形成

多点起爆爆轰波相互碰撞会在药型罩顶部形成马赫爆轰波,因为马赫波阵面的压力远高于C-J爆轰波阵面的压力(约为C-J爆压的3.45倍[14]),且马赫波形成了喇叭形爆轰形,减少了爆轰波与药型罩的压垮角,增大了药型罩的压垮速度,所以理论上多点起爆方式对EFP的成型性能有较大增益。然而,先期的研究发现,由于马赫波阵面压力过高导致药型罩顶部微元的轴向速度远高于其他微元的轴向速度,在EFP成型过程中头部速度梯度过大,这导致EFP头部断裂,头尾速度不一致且EFP长度过长等缺点。

本节采用和第1节相同的装药结构,建立多点起爆下装药爆轰作用简化模型,圆柱形装药环形多点起爆可简化为过装药轴线两点对称起爆结构,如图4所示。图中,r为起爆半径;R1,R2分别为弧锥结合药型罩内、外半径,α为药型罩切边角。对称两点起爆形成的爆轰波在对称面上经历正碰撞、正规斜碰撞和非正规斜碰撞过程。起爆点O1和O2同时起爆后,爆轰波将以相同爆速向炸药内部传播,爆轰波最先在A点处发生正碰撞,随着爆轰波在炸药中的传播,爆轰波之间将产生一夹角,碰撞点逐渐向下移动,AB之间即为正规斜碰撞。当碰撞点到达B点,爆轰波碰撞后形成马赫波,产生马赫杆,从图4中可以看出马赫杆两端沿着BC1和BC2移动,最终作用于药型罩上。

环形多点起爆方式改变了爆轰波对药型罩的压垮过程,中心点起爆方式采用的药型罩结构必然不再适合多点起爆方式。参考马赫波阵面压力和波形的变化情况,采用优化起爆半径r、药型罩外弧度半径R2和药型罩切边角α(见图4),以期得到成型良好的EFP侵彻体。

2.1 起爆半径

多点起爆方式起爆半径r的变化不仅改变爆轰波形状同时也影响爆轰波对药型罩的载荷分布,最终将影响爆炸成型弹丸的成型形态。数值计算模拟选取7种起爆半径方案:r=5 mm,8 mm,10 mm,15 mm,20 mm,25 mm,30 mm。成型参数见表2,由于篇幅有限只选取部分成型结果。EFP的成型见图5。

表2 不同r时EFP成型参数

*注:v1=v2。

由表2和图5可以看出,r增加,EFP速度和长径比都增加。以r=25 mm的EFP成型结果为例分析,相比中心点起爆方式,EFP速度提高11.5%,长径比提高约55倍。一般来说,弹杆质量一定时,长径比越大,其在一定速度下的比动能越大,侵彻效果也就越明显。但是,在现代战场中EFP战斗部多用于大炸高攻击坦克装甲,正是由于其长度较短,弹径较粗,反应装甲对其干扰较小,对装甲目标后效大,且大炸高下不易断裂。所以,多点起爆方式形成的EFP战斗部在长径比得到极大增加的同时必须保证EFP直径不能太细。图5中r=25 mm形成的EFP显然不能满足要求。

综合分析EFP成型参数,多点起爆的起爆半径r控制在0.25Dc～0.33Dc(Dc为装药直径)之间,既保证了EFP速度和长径比增加,同时其直径不至于太小。由表2可以看出,仅仅通过优化起爆半径r得到的EFP的直径仍较细,实际飞行中EFP很容易拉断,严重影响其侵彻能力。下面取起爆半径r=15 mm,20 mm 2个方案进行进一步研究。

2.2 外弧度半径

多点起爆爆轰波碰撞在药型罩顶部区域形成超压,超压载荷作用于罩顶,提高了药型罩顶部材料的压垮速度,增加EFP头尾的速度差,在工程实际中由于材料及加工工艺等因素,马赫超压可能冲破药型罩顶部,导致EFP无法成型。由于头尾速度差过大,即使罩顶未被冲破,头尾也极易断裂分离。可以通过增加药型罩顶部壁厚,减缓多点起爆下药型罩压垮的速度梯度。因为弧锥结合药型罩内、外弧度半径R1和R2决定药型罩的壁厚,所以可调节弧度半径适当增大罩顶壁厚,降低药型罩顶部的压垮速度,从而达到减小EFP长度、增加EFP直径的目的,同时也保证EFP成型和飞行过程中不易断裂。数值计算方案:内弧度半径R1=40 mm并保持不变,选取外弧度半径R2=50 mm,60 mm,70 mm 3种方案。数值模拟药型罩弧度半径对EFP成型的影响,成型参数见表3,EFP仿真成型见图6。

表3 不同R2时EFP成型参数

*注:v1=v2。

分析表3和图6,随着R2增加,EFP直径显著增加,长径比显著减小,EFP趋于短粗形。同时,由于药型罩壁厚增加,药型罩质量增加,所以EFP速度降低但下降不多。R2对EFP长径比影响很大,而对速度影响不大。分析表3的结果,R2取值范围应控制在40～50 mm之间,既适当增加了EFP的直径,同时也保证EFP速度下降不多。

2.3 切边角

通常EFP为前部密实后部中空的回转体结构,为了表征EFP的密实性,引入“密实度”[15]的概念,定义“密实度”为EFP实心部分长度与EFP总长度的比值,记为μ。观察图5、图6各方案中的EFP成型,虽然与中心起爆方式相比EFP的长径比得到较大提高,但是EFP的密实度较低,EFP的尾部被拉得很长,易断裂,影响飞行稳定且不能提供侵彻能力。爆炸成型弹丸的尾部是由药型罩边缘材料形成的,为减小空腔部分的长度,可以通过增加药型罩的切边角α,降低罩边缘部分的质量,从而达到缩短EFP尾部的目的。同时,药型罩边缘质量减小必然导致药型罩尾部的压垮速度提高,最终提高EFP的速度。

前面的研究中切边角α=45°,本节以45°为基准,增大切边角,分别模拟切边角α=50°,55°,60°时EFP的成型,成型参数见表4,仿真成型结果见图7。

表4 不同切边角下各方案EFP的成型参数

*注:v1=v2。

α改变,EFP成型形态各异,但是其成型参数的规律保持一致。选取方案1、方案2、方案3进行分析,可以看出,随着α增加,EFP的尾部空腔明显减小,当切边角为60°时,药型罩边缘没有翻转成型。因为切边角较大,药型罩边缘壁厚较薄,顶部和边缘的壁厚不匹配,压垮过程中药型罩边缘没有完全翻转即达到头尾速度相同。虽然α=60°时EFP密实度为1,但是其成型形状较差,无法满足战斗部的成型要求。

下面仅分析α从45°增加到55°的情况下EFP成型参数的变化规律。EFP速度从1 548 m/s增加到1 687 m/s,增加了9.0%;长径比L/D从7.92减小到4.63,降低了41.5%;密实度μ从0.44增加到0.84,增加了90.9%。α增加,EFP速度和密实度增加,对EFP的侵彻性能是增益的,但是长径比减小对EFP侵彻能力是减损的。然而,实际情况并非如此。实际上,α从45°增加到55°,EFP总长度从115.7 mm减小到69.0 mm,总长减小了40.4%,但EFP实心部分长度几乎保持不变。α=45°,EFP实心部长度为55 mm;α=55°,EFP实心部长度为58 mm。同时,EFP的直径从14.6 mm增加到14.9 mm,基本保持不变,所以EFP的长径比减小,减小的是非实心部的长度,而非实心部是没有侵彻能力的,且非实心部过长,在飞行过程中极易断裂。所以,此时EFP长径比减小对EFP的侵彻能力没有减损,切边角α的合理范围为50°～55°。

3 侵彻能力对比

综合考虑速度、长径比和密实度,选出图7中方案2、方案11这2个成型较优的EFP,与中心点起爆方式形成的EFP进行对比,图8为三者的成型形状的比较。

中心点起爆方式形成的EFP的成型参数:v1=1 481 m/s,v2=1 452 m/s,L/D=2.3,μ=0.43;方案2形成的EFP的成型参数:v1=1 687 m/s,v2=1 687 m/s,L/D=4.63,μ=0.84;方案11形成的EFP的成型参数:v1=v2=1 653 m/s,L/D=2.57,μ=0.75。可以发现,较中心点起爆方式,方案2形成的EFP速度提高了206 m/s,提高了14%,长径比提高约1倍,密实度提高约95.3%;方案11的EFP速度提高了172 m/s,提高了11.6%,长径比提高约13.2%,密实度提高约72.1%。可见,多点起爆方式对EFP的速度、长径比和密实度提升明显。

为了直观地比较三者的侵彻能力,利用经验公式分别计算其侵彻深度并进行对比。EFP一般速度在1 500～2 000 m/s之间,EFP对靶的侵彻可以按破碎穿孔模式进行,其侵彻深度δp的工程计算公式为[16]

(1)

式中:v0为EFP速度;ρp,ρt分别表示EFP材料和靶材料的密度;p为EFP和靶之间的破坏强度差。

取紫铜与45#钢的破坏强度差p=400 MPa,v0取EFP头部速度,即v0=v1。代入式(1)易得EFP侵彻45#钢的侵彻深度δp分别为0.37Dc,0.94Dc和0.51Dc。同等的装药量下,多点起爆方式形成的EFP侵彻深度分别提高了154%和37.8%。

4 结束语

模拟了中心点起爆方式下EFP的成型,并与试验结果吻合较好,证明本文数值计算采用的算法、材料参数及状态方程等用于EFP模拟是可信的。

多点起爆形成EFP,起爆半径r增加,EFP的速度和长径比增加,直径减小。对于本文结构,多点起爆半径r的合理范围为0.25Dc～0.33Dc,即在EFP速度和长径比增加的同时其直径不过细;药型罩外弧度半径R2增加,可以适当增加EFP的直径,使得EFP趋于短粗形,长径比减小明显,而对速度影响不大。药型罩切边角α对EFP空腔部的长度影响较大,α增加,EFP空腔部的长度减小,实心部分长度基本不变,EFP的密实度增加。切边角α不能过大,否则药型罩顶部和边缘厚度不匹配将导致罩边缘材料无法翻转成型,对于本文的结构,合理的切边角范围为50°～55°。

多点起爆方式可以大大提高EFP的侵彻能力。本文优化得到了2种EFP结构,结构参数分别为:r=15 mm,R2=40 mm,α=55°;r=20 mm,R2=50 mm,α=55°。多点起爆方式较中心点起爆方式侵彻深度分别增加了154%和37.8%。

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StudyonthePenetrationAbilityofEFPbyAnnularMulti-pointInitiation

SHEN Hui-ming,LI Wei-bing,WANG Xiao-ming,LI Wen-bin,ZHENG Yu,DONG Xiao-liang

(ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2017-02-27

国家自然科学基金项目(11202103)

沈慧铭(1988- ),男,博士研究生,研究方向为智能弹药、战斗部高效毁伤。E-mail:shenhuiming202@163.com。

TJ414.2

A

1004-499X(2017)03-0049-07