周向整体式MEFP战斗部结构设计研究

2018-03-05郑灿杰陈智刚付建平张孝中王维占兰宇鹏

机械设计与制造工程 2018年2期

郑灿杰，陈智刚，付建平，张孝中，王维占，兰宇鹏

(1.中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西太原 030051)(2.山东特种工业集团，山东淄博 255200)

MEFP[1](多爆炸成型弹丸)技术的产生实现了战斗部一次作用产生多个弹丸的功能，提高了弹丸命中目标的概率，大大提升了战斗部的作战效能，基于其相比于单个EFP(爆炸成型弹丸)战斗部更易命中且易摧毁目标的优势，现已在国内外展开了广泛研究[2-5]，MEFP战斗部的技术也越来越成熟。目前，MEFP的常见模式[6]有组合式、变形罩式、切割式、整体多罩式。

本文设计了一种周向整体式MEFP战斗部，即在战斗部外壳面沿圆周方向分层均匀布置药型罩，在爆炸载荷作用下药型罩翻转形成多束EFP，对周围空间目标进行毁伤。为了保证在空间形成均匀的杀伤场，周向整体式MEFP战斗部在壳体结构上可做一定改进。本文采用上一层药型罩与下一层药型罩位置互相交错、每一层药型罩数量相等的方案，可提高多束EFP在空间分布上的均匀性。采用这种MEFP战斗部，可以增大弹药有效杀伤半径，在较大范围内重点打击威胁目标，提高战斗部毁伤效能。实践证明，这种战斗部对付舰船和空中目标等轻型装甲是非常有效的[7]。

1 仿真计算模型

1.1 初步方案设计

图1 药型罩结构示意图

1.2 有限元模型与算法

本文利用TrueGrid软件构建有限元模型，通过其与LS-DYNA软件的接口，将TrueGrid软件生成的模型文件导入LS-DYNA软件中进行计算。由于结构的几何形状关于XOZ平面和YOZ平面对称，所以在施加对称约束的情况下可利用TrueGrid软件建立战斗部的1/4有限元模型，如图2所示。

在数值模拟计算中，材料参数的选取直接影响到计算结果的精确性，不同材料模型对材料的描述是不同的，这些区别都会影响仿真计算的结果。因此，选择合理的本构模型及材料参数是保证计算结果准确的必要前提。本文所讨论的MEFP战斗部主要包括炸药和药型罩，爆炸作用介质为空气。

图2 战斗部1/4有限元模型

1)炸药。

主装药采用8701炸药，其密度为1.717g/cm3，爆速为8 425m/s，采用* Mat_High_Explosive_Burn模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)状态方程进行数值模拟计算。8701炸药的JWL状态方程各项参数[8]见表1。

表1 8701炸药JWL状态方程参数

其中A,B,R1,R2为输入参数；E0为单位体积爆轰产物的内能。

2)药型罩。

药型罩对成型聚能侵彻体的质量好坏起决定作用，直接决定了其毁伤性能的优劣。目前采用最多的药型罩材料是紫铜，其密度高，塑性优良，形成的侵彻体破甲效果优异。因此，本文药型罩材料选取紫铜，材料模型为MAT_JOHNSON_COOK，它在考虑了金属材料承受大应力、高应变率以及高温的情况下，用来描述动态响应过程和材料变形问题。紫铜的模型参数见表2。

从正常发酵大头菜酱液(标号为N)中和长膜大头菜酱液(标号为M)中共20株酵母菌株培养于YPD液体培养基，在28 ℃培养1天，肉眼观察菌落形态为：部分试管内溶液澄清，表面无膜生成，底部没有沉淀；部分试管液体表面有膜形成，底部有沉淀存在，溶液有一定程度的浑浊。将20株酵母菌划线在PDA琼脂培养基上，28 ℃培养1天，菌落形态为：菌落颜色呈乳白色；菌落从侧面观察有凸起也有扁平，表面粗糙有褶皱，也有表面光滑；菌落边缘有长出毛边，也有呈现锯齿状，或者整齐无边。分离菌株菌落形态观察结果汇总入表2，菌落形态见图1。

表2 药型罩紫铜状态方程参数

其中:ρ为材料密度；G为材料剪切模量；c为冲击波速度；S1,S2,S3为曲线斜率系数；γ0为Gruneisen系数；α是γ0的一阶体积修正系数。

3)空气。

对于Euler算法和多物质ALE流固耦合算法[9]来说，建模还需要在侵彻体飞行的整个区域范围内添加空气域，并在边界点上施加压力流出的边界条件，避免边界效应对计算精度的影响。空气域所用的材料模型为MAT_NULL，采用的线性多项式状态方程为EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。表3是进行数值计算时空气所用的材料参数。

表3 空气的材料参数

其中RO为质量密度；PC为压力切断系数；MU为动态粘度系数；TEROD和TEROD为张力侵蚀和压缩侵蚀的相对量，为0时不起作用；YM为杨氏模量；PR为泊松比。

本文采用多物质耦合ALE算法[9]来模拟聚能装药作用的药型罩成型过程，并建立足以覆盖整个射流范围的空气域。为避免压力在边界上的反射，在模型的边界节点上施加压力透射边界条件。

为节约计算时间，根据对称性可取战斗部模型的1/4结构来建立三维模型进行运算，并在模型的对称面上施加对称约束条件。计算网格[10]均采用六面体实体单元，炸药、药型罩、空气采用ALE算法，战斗部壳体、靶板采用Lagrange算法，它们之间的相互作用采用流固耦合算法。计算模型几何参数如下：装药口径为55.0mm，装药高度为51.6mm，药型罩口径为51.6mm，药型罩高度为17.2mm。

2 数值模拟与结果分析

2.1 排列方式对成型过程的影响

在研究药型罩的排列方式对周向MEFP成型影响时，本文设计了两种排列方案。方案1是药型罩每层平行排列在战斗部装药结构上；方案2是药型罩每层交错排列在战斗部装药结构上，计算模型如图3所示，在装药结构与药型罩参数不变的情况下，只改变药型罩分布方式。设计的仿真方案数据如下：装药外接圆柱直径130mm，药型罩轴向间距10mm，药型罩分为3层，每层分布8个罩，药型罩口径40mm，药型罩外曲率半径30mm，药型罩厚度3mm，无战斗部壳体，采用中心轴三点起爆方式。2种方案的子EFP成型对比见表4。

图3 计算模型

表4 2种方案成型过程

从表4可以看出，在炸药起爆后0μs时刻为初始状态，药型罩在0～20μs之间受炸药爆炸产生的爆轰波冲击作用，压垮变形，向前高速运动；在20μs时，药型罩开始翻转，中间形成凸起；在40μs时，形成了24个成型完整的、具有一定发散角的子EFP。对比可知，方案2比方案1所形成的子EFP散布更密集，可提高命中率。此外，二者所形成的上下层子EFP都发生偏转，中间层未偏转。

方案1与方案2所形成的中间层子EFP轴向速度对比曲线如图4所示，上下层子EFP的速度对比曲线如图5所示。

图4 中间层子EFP轴向速度对比曲线

从图4可以看出，时间从0μs增加到30μs，方案1与方案2的中间层子EFP速度都呈先增大后减小的趋势，最后趋于稳定。在40μs时，方案1的子EFP速度为2 260m/s，方案2的子EFP速度为2 490m/s。

图5 上下层子EFP轴向速度对比曲线

从图5可以看出，时间从0μs增加到30μs，方案1与方案2所形成的上下层子EFP速度都呈先增大后减小的趋势，最后趋于稳定。在40μs时，方案1的子EFP速度为2 160m/s ，方案2的子EFP速度为2 280m/s。

综上所述，方案2比方案1所形成的子EFP散布密集更好，在弹目交汇时，更易击中目标。无论是中间层还是上下层所形成的子EFP的速度，方案2都优于方案1。因此，交错式周向结构所形成子EFP的综合性能更好。

2.2 层数对成型过程的影响

在研究药型罩的分布层数对周向MEFP成型影响时，本文设计了3种结构进行比较。单层结构是在装药结构上周向分布一层药型罩；双层结构是在装药结构上周向交错式分布两层药型罩；三层结构是在装药结构上周向交错式分布三层药型罩。单层结构采用中心轴点起爆，双层结构采用中心轴两点起爆，三层结构采用中心轴三点起爆。3种结构所形成的子EFP形态对比见表5，所形成的子EFP轴向速度曲线对比如图6所示。