一种包覆式爆炸成型弹丸数值模拟研究

2018-08-31韩阳阳尹建平王志军孙加肖

兵器装备工程学报 2018年12期

韩阳阳，尹建平，王志军，孙加肖

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

根据聚能效应原理，聚能装药装置爆炸后，药型罩被爆炸载荷压垮、翻转和闭合形成的高速弹丸，称之为爆炸成型弹丸(Explosively Formed Penetrator， EFP)[1]。EFP成型模式分为3种：向后翻转型、向前压拢型、压垮型。向后翻转型EFP一般带尾翼或围裙，弹丸前部一般较光滑，具备良好的气动外形及外弹道性能，更适于攻击远距离目标。向前压拢型EFP具有良好的密实性、高动能等优点，但是气动性较差，所以更适于攻击较近距离内目标[2]。压垮型EFP一般呈球形，因此具有良好的密实性，也适合攻击近距离目标。德国研制的“鸬鹚”反舰半穿甲战斗部能够形成24个向前压拢型EFP，能够穿透7层6 mm钢靶[3-4]。王树有等[5]研究了小长径比聚能装药结构参数对包覆式爆炸成型复合侵彻体成型影响，得到了较优的战斗部结构。门建兵等[6]提出了一种能够利用变壁厚球缺罩形成的包覆式爆炸成型复合反应破片。于川等[7]设计了压拢型EFP实验装置，并进行了侵彻多层钢靶实验。从研究现状来看，EFP战斗部技术多用于灵巧弹药、智能弹药中，大多研究具有良好飞行稳定性的向后翻转型EFP，对于向前压拢型EFP的研究较少。

横向效应增强型侵彻体(PELE)是一种基于新型毁伤机理的弹药，该弹药由高密度外层弹体和装在壳体内的低密度惰性装填物组成。PELE击中目标后，外壳侵彻靶板，惰性弹芯被挤压在弹坑与外壳之间，弹芯所受压力不断升高，对外壳产生径向作用力使周围外壳膨胀，最终达到扩孔效果[8-9]。

为了提高EFP的毁伤性能，增大EFP对靶板的侵彻孔径，在传统战斗部形成向前压拢型EFP基础上，受横向效应增强型侵彻体作用原理的启发，本文提出一种新型外钢内铝复合战斗部，旨在通过侵彻体的横向效应达到增大开孔口径，进而有效地攻击近距离轻型装甲的目的。运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了该包覆式EFP成型及对靶板侵彻，分析了战斗部各结构参数对EFP成型性能影响。

1 几何结构及计算模型

战斗部结构几何模型如图1所示，药型罩中间夹层部分低密度材料为铝，外部高密度材料为钢，两罩之间不存在自由面。装药直径D1为60 mm，装药长径比H/D1为1，药型罩圆弧外壁曲率半径R为49.43 mm，罩顶厚t1为5 mm，罩底厚t2为0.6 mm。

在数值模拟过程中，运用Truegrid前处理软件进行处理，模型中的单元均采用 solid164八节点六面体单元。炸药选取8701炸药，密度1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，运用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL状态方程来描述炸药在爆轰波作用下的动力响应行为。药型罩内部夹层铝密度为2.77 g/cm3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.33，外部罩材钢的密度为7.83 g/cm3，弹性模量为207 GPa，泊松比为0.30，本构模型均选用JONSON_COOK模型，状态方程为*EOS_GRUNEISEN。起爆方式选取装药底端面中心点起爆，算法选取拉格朗日算法[10]，该算法能够清晰地对材料边界和界面的变化进行描述。建立的战斗部有限元模型如图2所示。

2 EFP成型及毁伤性能研究

2.1 EFP成型过程分析

炸药起爆后不同时刻EFP成型过程如图3所示，由此可以看出：炸药起爆后，爆轰波首先传到罩顶，然后逐渐向罩底传播，又由于罩底相对罩顶薄得多，则罩底部微元轴向速度明显大于罩顶微元速度，t=20 μs药型罩已经呈现向前压拢的成型模式。此后t=40 μs时，罩壳的中部迟后，罩边缘部分速度较高并逐渐向对称轴压拢，进而成为射弹的头部，最终在t=90 μs基本形成了成型稳定的包覆式EFP。该EFP速度可达到2 206 m/s，长径比为3.01。

2.2 EFP对钢靶毁伤性能分析

为分析新型包覆式药型罩毁伤元的毁伤性能，检验该包覆式EFP能否在侵彻靶板过程中同PELE侵彻体一样产生横向效应，利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元分析软件对毁伤元侵彻靶板过程进行数值模拟。其中靶板材料选取装甲钢，密度为7.83 g/cm3，弹性模量为77 GPa，泊松比为0.30，靶板尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，材料模型选取*MAT_JONSON_COOK，状态方程选用*EOS_GRUNEISEN，炸高为6倍装药口径。相同战斗部结构，药型罩材料为铜(材料参数参照文献[11])、外钢内铝时，形成的毁伤元对靶板的侵彻效果(靶板正视图、靶板1/2侧视图)如表1所示。

表1 不同毁伤元对钢靶侵彻效果

由表1观察到：相比铜罩，复合罩形成的复合EFP对靶板的侵彻孔径逐渐增大，这是由于单一材料毁伤元在对靶板侵彻过程中，材料的性能变化一致，而当侵彻体内部为低密度材料铝，外部为高密度材料钢时，内外材料弹性模量、泊松比等差异较大，随着包覆式EFP对靶板侵彻的深入，EFP外部钢材质部分受到靶板作用面积越来越大，所受压力不断增大，内部铝材质部分对靶板的侵彻相对缓慢，且受到外部钢材质部分EFP和靶板的约束与压缩不断增大，进而铝材质部分对靶板的侵彻的轴向力逐渐转化为径向力，内部能量聚集产生高压，在此压力作用下，外层的钢材毁伤元逐渐产生径向膨胀，进而实现对靶板的扩孔，即横向效应。当毁伤元所受的应变达到破碎极限时，EFP破碎产生具有一定径向飞散速度的破片。

在相同炸高下，铜罩形成的EFP对靶板侵彻入孔直径为32.7 mm，出孔直径为31.3 mm，而复合EFP对靶板正面侵彻孔径为40.2 mm，出孔直径为54.1 mm。复合EFP对靶板侵彻入孔与出孔直径相对铜罩分别增大了23%、73%。

3 结构参数对EFP成型影响分析

3.1 装药长径比对EFP成型影响

为研究装药长径比对EFP成型影响，固定其他结构参数不变，选取装药长径比0.6、0.8、1.0 、1.2、1.4，数值模拟在点起爆情况下EFP成型状况，结果如表1所示。表1中，V为EFP头部速度，L为EFP长度，D为EFP直径，L/D为包覆式EFP的长径比。

由表2可以看出，当装药长径比H/D1在0.6～1.4之间，药型罩均形成包覆式EFP，且装药长径比对EFP形状影响不大。

表2 EFP成型参数仿真结果

结合图4、图5可更形象直观地看出随着装药长径比的增大，EFP速度、长度、长径比均不断增大，其中EFP速度增加了15%，长径比增长了29%。因为当装药长径比不断增大时，装药量增加，炸药的总能量变大，所以EFP速度不断增大，同时也使EFP拉伸的时间增长，拉伸程度不断增大，进而形成的EFP长径比不断增大。

3.2 外曲率半径对EFP成型影响

药型罩的外壁曲率半径的大小对药型罩的结构影响很大，这是因为当战斗部的起爆点确定后，药型罩的外曲率半径就决定了爆轰波阵面法线与罩表面的切线之间的夹角，进而决定了爆轰波对罩单元的压垮压合作用效果，最终决定爆炸成型弹丸的成型及性能参数。在分析药型罩外曲率半径的影响时，固定其他结构参数不变，在中心点起爆的情况下，数值模拟药型罩外曲率半径分别为49～53mm(每种方案增加1mm)时EFP成型性能变化，其数据如表3所示。

表3 EFP成型参数仿真结果

由表3可以看出：随着药型罩外曲率半径R的增大，EFP由向前压拢型逐渐变成向后翻转型，因此曲率半径对EFP形状影响较大。

由图6、图7的EFP速度与长径比随着药型罩外曲率半径变化曲线图观察到：外曲率半径R不断增大，爆炸成型弹丸的头部速度逐渐减小，长径比也逐步减小，且EFP头部速度减小了53%，EFP长径比减小了49%。

3.3 罩底厚对EFP成型性能影响

为分析药型罩底厚度对EFP成型的影响，固定其他战斗部结构参数不变，数值模拟药型罩底厚为0.6～1.8 mm(每种方案增加0.3 mm)时，战斗部成型性能变化，结果如表3所示。由表4观察到罩底厚度越大，爆炸成型弹丸的长度越短，罩边缘压拢程度越小，速度不断降低。

表4 EFP成型参数仿真结果

EFP头部速度，EFP长径比随药型罩口厚度的变化如图8、图9所示。当药型罩底厚逐渐增加时，EFP头部速度、长度和长径比均逐渐减小。其中EFP头部速度减小了9%，长径比减小了49%，由此可见罩底厚对爆炸成型弹丸速度影响不大，对长径比影响较大。原因是随着药型罩壁厚的增加，使同样多的炸药能量要推动更多质量的药型罩做功，从而使得单位质量的药型罩获得的能量减少，导致压垮速度减小，同时罩边缘逐渐变厚，罩底速度减小，罩顶罩底速度差逐渐减小，不易形成向前压拢型EFP。