内置敏感器件的结构参数对偏心罩EFP成型的影响

骆建华，张根生，薄学纲，刘荣忠 ，郭 锐，邢柏阳

(1.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094；2.山西汉阳化工有限公司，山西 太原 030051； 3.江苏永丰机械有限责任公司,江苏 淮安 223001)

引 言

本研究运用AUTODYN模拟计算软件研究内置敏感器组件结构参数对EFP成型的影响，获得内置敏感器组件对EFP毁伤性能的影响规律，以期对末敏弹EFP战斗部的进一步研究提供指导作用。

1 计算模型及有效性验证

1.1 几何模型

为得到兼具大长径比和气动稳定的EFP，前期基于球缺药型罩结构加以改进设计出偏心罩结构，通过改变球缺药型罩的内、外圆弧圆心的相对位置，以调整母线上的相对壁厚，得到向后翻转的密实的侵彻体[10]。本研究的EFP战斗部采用球缺型偏心罩，具体结构如图1所示。

图1 战斗部结构图Fig.1 Warhead structure

整体装置轴对称，内圆弧圆心位于战斗轴线上，半径为R1，外圆弧圆心偏离轴线，半径为R2。装药口径为D，装药高度为l，敏感器件形状为圆柱形或阶梯圆柱，整体高度为l2，其第一阶圆柱直径为D1，高度为l3，第二阶圆柱直径为D2，敏感器件距起爆点距离为l1。

1.2 材料模型

本研究采用二维轴对称模拟计算模型，由于爆炸成型弹丸的形成涉及高应变率、高过载过程，因此模拟计算中采用ALE算法计算涉及网格大变形、材料流动问题的EFP形成过程。作如下假设：(1)装药结构为严格轴对称结构；(2)炸药、药型罩、壳体与截断体均为连续介质材料；(3)整个爆炸过程为绝热过程。其中，药型罩、波导管材料分别为紫铜、铝；压螺和壳体材料为45号钢，本构方程选用Johnson-Cook模型，状态方程为 Grüneisen方程，其中Johnson-Cook本构方程式为:

(1)

Grüneisen状态方程的压力表达式为:

(2)

式中：ρ0为材料初始密度；E为内能；ρ为当前时间步对应的材料密度；C、S1、S2、S3、γ0、α为材料特性参数；μ=ρ/ρ0-1。

针对可燃外墙保温材料，除满足相应的SBI单体燃烧试验和可燃性试验的判定指标要求外，还新增加了氧指数的要求。其中，B1级保温材料的氧指数要求≥30%；B2级保温材料的氧指数要求≥26%。

主装药为8701炸药，状态方程为JWL状态方程，其表达式为:

(3)

式中：A、B、R1、R2、ω为常数；E为炸药单位体积中的内能。

敏感器件由酚醛树脂材料代替。状态方程同样选用Grüneisen状态方程，其中C=0.1933，S1=3.49，S2=-8.2，S3=9.6。各材料的具体参数如表1所示。

1.3 试验验证

对于末敏弹EFP来说，其飞行稳定性及成型EFP速度可以通过试验与模拟计算结果进行对比，验证模拟计算的可信度。试验分别选用l1/l=0.1、l2/l=0.14、D1/D=0.25、l3/l2=0.7、D2/D1=0.8尺

表1 战斗部结构材料参数Table 1 The material parameters of warhead structure

寸下的敏感器件。EFP成型模拟计算结果如图2所示，模拟计算得到成型EFP速度为1769m/s，长径比为3.37，EFP尾部直径为50mm。采用模拟计算方案的EFP战斗部进行100m靶道试验。在靶前5m处设置通断靶测量EFP着靶速度。同时为观察EFP的形状及飞行姿态，在靶板前50m处开始间隔10m设置5个网靶，EFP在穿过网靶时会在网靶上留下孔形。

图2 EFP成型模拟计算结果Fig.2 EFP molding simulation results

试验时EFP在60、80m处网靶留下的孔形及EFP侵彻靶板情况如图3所示，试验中纱网靶孔洞直径D3、在靶板处形成孔形大小D4及EFP着靶速度v如表2所示。

图3 EFP侵彻靶板试验情况Fig.3 EFP penetration target test situations

由图3和表2可知，EFP准确命中100m外靶板，在纱网上留下了平均直径为47.7mm的孔洞，且截面较为完整，从纱网靶的孔形可以判断EFP主要杵体部分完整，在空中飞行姿态稳定。试验结果与模拟计算结果较为接近，误差不大于5%。对靶板的贯穿结果表明，得到EFP的侵彻能力是能够得到保证的。3发战斗部试验测得的弹丸飞行平均速度为1342m/s，低于模拟计算结果，这是由于试验中EFP速度是在距离成型装药95m处测得，考虑到EFP在飞行过程中速度衰减约为4～5m/s，取中间值4.5m/s速度降，模拟计算得到EFP靶前5m速度为1341.5m/s，与试验所得平均着靶速度误差不超过5%，表明试验中EFP成型时的速度与模拟计算值较为吻合。因此可以证明本研究所使用的模拟计算方法是可信的，可以进行下一步的模拟计算研究。

表2 EFP侵彻靶板试验结果Table 2 Test results EFP penetration target

2 敏感器件结构对EFP成型的影响

在含敏感器组件的聚能战斗部中起爆炸药后，爆轰波是透过敏感器传到主装药中。通过改变敏感器厚度可以调整爆轰波到达药型罩顶部的时间差。爆轰波有两种传播路径：一为绕过敏感器传到主装药中；二为透过敏感器件传到主装药中。从而得到3种隔爆方式：完全隔爆、完全不隔爆和不完全隔爆，与这3种隔爆方式相对应，在主装药中得到3种形状的爆轰波：锥面爆轰波、球面爆轰波和平面爆轰波[7]。图4为有内置敏感器件、无内置敏感器件时爆轰波的形状及成型EFP速度曲线，模型中两者尺寸相同，药型罩结构相同。敏感器尺寸为l3/l2=1、l1/l=0.1、D1/D=0.7、D1/D2=1。

由图4可以看出，上述敏感器件的存在会使爆轰波形状发生变化，主装药中有中峰爆轰波和侧峰爆轰波，而且中峰爆轰波和侧峰爆轰波达到药型罩时间近似相等，爆轰波形由球面波变化成为平面波，同时有敏感器情况下爆轰波在轴向位置发生碰撞，使得轴向压力更大，成型的EFP头部速度增大，更容易得到大长径比的EFP。但紧凑型末敏弹中，由于敏感器件的存在，战斗部有效装药减少，使得成型EFP整体速度有所下降，模型中有敏感器战斗部成型EFP速度下降10%。

图4 内置敏感器件对EFP成型的影响Fig.4 Effect of built-in sensitive device on EFP molding

分别研究圆柱形敏感器件(l3/l2=1)和阶梯敏感器件对EFP成型的影响，并将各因素转化为无量纲量。其中，对于圆柱形敏感器件，敏感器件距起爆点位置与装药高度比值l1/l取值范围为0.10～0.55；敏感器件直径与装药直径比值D1/D取值范围为0.3～0.8；敏感器件高度与装药高度比值l2/l取值范围为0.15～0.50；对于阶梯圆柱，第一阶圆柱高度与敏感器件高度比值l3/l2取值范围为0.4～1.0；第二阶与第一阶圆柱直径比值D2/D1取值范围为0.4～1.0。以成型EFP速度v及长径比K为指标，考察单一变量对EFP成型影响。

2.1 敏感器件高度对EFP成型的影响

在l3/l2=1、l1/l=0.2、D1/D=0.4时，通过模拟计算敏感器件高度与装药高度比值l2/l(每次增加0.05)各取值下EFP成型指标，得到EFP速度v和长径比K变化曲线，如图5所示。

由图5可以看出，成型EFP的速度与长径比大体与敏感器件高度与装药高度比值l2/l近似呈线性关系，随着敏感器件高度增加，EFP速度减小，但减小幅度不大，当l2/l从0.15增加至0.50时，EFP速度仅仅减小了1.29%；相比之下，EFP长径比大幅度减小，由3.91减小至2.71，减小幅度为30.9%。综上，小高度的敏感器件有助于提高EFP的速度及长径比，增加弹丸的侵彻能力。

图5 EFP成型参数随着l2/l的变化曲线Fig.5 Change curves of EFP molding parameters with l2/l

2.2 敏感器直径对EFP成型的影响

在l3/l2=1、l1/l=0.20、l2/l=0.15时，通过模拟计算敏感器件直径与装药直径比值D1/D(每次增加0.1)各取值下EFP成型指标，得到EFP速度v和长径比K变化曲线，如图6所示。

由图6可以看出，EFP的速度与长径比与D1/D取值成反比关系，随着D1/D取值从0.3增加到0.8，EFP速度减小93.9m/s，减幅达到5.14%，成型弹丸长径比减小0.69，减幅为17.5%。

图6 EFP成型参数随着D1/D的变化曲线Fig.6 Change curves of EFP molding parameters with D1/D

2.3 敏感器件距起爆点距离对EFP成型的影响

当敏感器件距起爆点距离改变时，爆轰波的传播路径也被改变，爆轰波偏转点发生变化，同时，药型罩微元的有效装药发生变化。在l3/l2=1、l2/l=0.15、D1/D=0.60时，通过模拟计算敏感器件距起爆点位置与装药高度比值l1/l(每次增加0.05)各取值下EFP成型指标，得到EFP速度v和长径比K变化曲线，如图7所示。

图7 EFP成型参数随l1/l的变化曲线Fig.7 Change curves of EFP molding parameters with l1/l

由图7可以看出，随着l1/l取值从0.10增加到0.55时，EFP速度与弹丸长径比呈先减小后增大的趋势。EFP速度最大值与最小值相差47.8m/s(2.72%)；长径比最大值与最小值相差0.63(14.9%)，EFP速度与长径比低值都出现在l1/l为0.35倍装药高度处。

2.4 阶梯型敏感器件直径比对EFP成型的影响

在l1/l=0.1、l2/l=0.4、D1/D=0.6、l3/l2=0.6时，通过模拟计算阶梯敏感器件直径比值D2/D1(每次增加0.1)各取值下EFP成型指标，得到EFP速度v和长径比K变化曲线，如图8所示。

图8 EFP成型参数随D2/D1的变化曲线Fig.8 Change curves of EFP molding parameters with D2/D1

由图8可以看出，EFP速度与阶梯敏感器件直径比D2/D1大体呈反比关系；EFP长径比随D2/D1增加而增加。当D2/D1由0.4增加至1.0时，EFP速度减小55.5m/s，减小了3.2%；EFP长径比增加1.09，增幅达39.1%。

2.5 阶梯型敏感器高度比对EFP成型的影响

在l1/l=0.1、l2/l=0.4、D1/D=0.6、D2/D1=0.6时，通过模拟计算阶梯敏感器件高度比值l3/l2(每次增加0.1)各取值下EFP成型指标，得到EFP速度v和长径比K变化曲线如图9所示。

图9 EFP成型参数随l3/l2的变化曲线Fig.9 Change curves of EFP molding parameters with l3/l2

由图9 可以看出，EFP速度与阶梯敏感器件直径比l3/l2大体呈反比关系；EFP长径比随l3/l2增加而增加。当l3/l2由0.4增加至1.0时，EFP速度减小73.3m/s，减小了4.2%；EFP长径比增加1.04，增幅达到38.4%。

3 结 论

(1)建立了紧凑型末敏弹中含内置敏感器组件EFP战斗部计算模型，并通过试验进行了有效性验证。

(2)随着敏感器件高度由0.15倍装药高度增至0.50倍装药高度，成型后EFP的速度减小1.29%、长径比减小30.9%；随着敏感器件直径由0.3倍装药直径增加至0.5倍装药直径，成型后EFP的速度减小5.14%、长径比减小17.5%；而随着敏感器件距起爆点位置由0.10倍装药高度增加至0.55倍装药高度，成型后EFP的速度与长径比先减小后增加，速度与长径比最大值与最小值之间相差分别为2.72%与14.9%，且低值都出现在0.35倍装药高度处。

(3)对于阶梯形敏感器件，敏感器件直径比、高度比与EFP速度成反比关系；而与长径比成正比关系。敏感器件直径比值由0.4增加至1.0时，EFP速度减小3.2%，长径比增加39.1%，敏感器件高度比值由0.4增加至1时，EFP速度减小4.2%，长径比增加38.4%。