展开式EFP战斗部复合破片场成型的数值模拟

2019-08-05阮凌飞

火炸药学报 2019年3期

陈闯，杨丽,2，阮凌飞，向召

(1.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳 110159；2.重庆建设工业(集团)有限责任公司，重庆 400054； 3.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081)

引言

未来战场正面临向海域、空域、地下及城区等多种复杂战场环境拓展，目标也朝着机动化、小型化和新型易损特性等方向发展，传统的弹药不具备根据目标类型调整其毁伤效应的能力。为适应目标特性的变化和实现对战场形势的快速响应，弹药高效毁伤技术正朝着毁伤威力可控化的方向发展。

毁伤威力可控战斗部受到了国内外学者的广泛关注。美国洛克希德马丁公司[1]研制的低成本自主攻击弹药系统LOCASS 的战斗部采用3种模式，通过起爆方式的改变能够形成飞行稳定的爆炸成型弹丸、长杆式弹丸以及破片；英国QinetiQ公司提出了一种适用于可调战斗部的炸药装药概念[2]，炸药装药设计成3层结构，从外到内分别为外部含铝炸药层、中间衰减层和中心高能炸药层，通过两种起爆方式实现了战斗部的终端效应可调，并在2012年国际不敏感弹药及含能材料会议[3]上公布了其实验结果，验证了无壳体毁伤效应可调炸药装药概念的可行性；QinetiQ公司的最新研究成果中[4]，将可调炸药装药装入壳体中，并进行了不同起爆模式下的数值模拟和试验研究，验证了可调战斗部概念的破片效果；Arnold W等[5]通过聚能装药上不同的爆炸序列实现了爆炸成型弹丸和杀爆效应的转换，通过高能药柱盘形成多个子爆轰波在药型罩壁上叠加，将药型罩沿着凹痕切割成多个规则的可控破片；耿梓圃[6]采用数值模拟方法研究了战斗部结构参数、起爆方式及药型罩参数对EFP/破片成型特性的影响规律。目前国内外对毁伤威力可控战斗部的研究多集中在调整毁伤模式上，而关于战斗部威力场可控化方面的研究较少。

为提高常规武器的毁伤效能，弥补传统破甲/预制破片复合战斗部[7-8]无法调整威力场分布的不足。本研究在传统聚能装药战斗部的基础上，设计了一种展开式EFP战斗部，该战斗部在中心与外围装药的共同爆轰下形成前向EFP和可以控制飞散方向的预控破片群。采用Autodyn软件模拟研究了战斗部的装药结构、起爆方式和展开角度对复合破片场成型特性的影响，同时开展了闭合与展开状态下EFP侵彻钢靶的数值模拟研究。

1 战斗部结构设计与作用原理分析

1.1 战斗部结构

展开式EFP战斗部的结构如图1所示，该战斗部将圆柱形装药分割成中间主装药和4块外围装药，主装药位于战斗部轴心，而外围装药部分围绕在主装药周围。其中主装药呈圆台形，每块外围装药是截面为扇形的楔形体，围成与圆台互补的圆柱形装药。战斗部的外围壳体也被分割为4瓣，每瓣壳体包围住每块外围装药，由于外围装药量有限，为保证形成有效破片，壳体采用外刻槽形式用来形成预控破片。

图1 展开式EFP战斗部结构Fig.1 Configuration of expansion EFP warhead

药型罩采用球缺形结构，每瓣外围壳体分别通过铰链与药型罩相连，外围壳体和外围装药沿着铰链旋转到展开位置。战斗部的主装药和外围装药分别设置起爆点，当战斗部进入目标区域，展开到合适角度，同时起爆主装药和外围装药，中间主装药爆轰驱动药型罩形成爆炸成型弹丸，外围装药爆轰驱动战斗部的外围壳体形成预控破片。

战斗部的外围装药围成与中心装药互补的环形区域，考虑到中心药柱对药型罩的有效压垮，选取中心药柱底部半径为45mm，外围装药底部厚度为5mm，主装药和药型罩的结构如图2所示，球缺形药型罩的外曲率半径为100mm，壁厚3mm。

图2 主装药和药型罩结构Fig.2 Configuration of main charge and liner

1.2 战斗部作用原理

展开式战斗部具有毁伤威力可调整的功能，当战斗部处于闭合状态时，外围壳体对装药形成约束，此状态下采用中心点起爆将炸药爆轰后的能量以最大限度驱动药型罩形成高效能的爆炸成型弹丸；当战斗部处于展开模式时，外围壳体会转到面向目标的方向，同时引爆中间和外围装药，形成的EFP较闭合状态下威力有所下降，而外围部分将形成预控破片朝目标方向汇聚。

战斗部的不同状态由弹上目标探测系统获得的目标信息确定，将信息反馈给起爆控制系统，战斗部起爆后在目标区域内形成含有EFP和预控破片的复合破片场。因此，展开式战斗部可以根据不同的战场环境执行不同的作战任务，既可以有效对付单个重型装甲目标，又可以同时对付多辆轻型车和多个人员目标。

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用Unigraphics NX软件建立战斗部各部件的几何模型，导入ICEM CFD软件进行网格划分。考虑到模型的对称性，为减少计算量，建立1/4模型。将刻槽壳体结构分解为多块壳体，首先创建单块壳体的网格，并采用O型Block划分出高质量网格，如图3(a)所示。对单块壳体的网格进行旋转与轴向复制，得到刻槽壳体的网格划分如图3(b)所示。图3(c)为对药型罩几何模型的网格划分。将各部件进行非结构化网格输出，逐一导入Autodyn中进行分析。展开式EFP战斗部的有限元模型如图3(d)所示。

图3 展开式EFP战斗部有限元模型Fig.3 Finite element model of expansion EFP warhead

2.2 算法及材料模型的选择

采用Lagrange算法[9]对复合破片场的成型过程进行数值模拟。中心和外围装药均选择8701炸药，壳体选用50SiMnVB，药型罩采用CU-OFHC。各材料选择的强度模型、状态方程和失效模型如表1所示，各材料参数[10-11]如表2和表3所示。

表3 药型罩及壳体材料参数Table 3 Parameters of liner and shell materials

2.3 模拟方案

战斗部的装药直径为100mm，装药高度为100mm，壳体厚度选取6mm，刻槽参数(深度和宽度)的选取对预控破片的成型质量有较大影响，刻槽深度太大会导致壳体过早破裂，形成的破片速度过小，太小则会导致预控破片破碎不完整，刻槽宽度过大也会导致破片成型效果较差，经模拟分析确定刻槽深度和宽度分别为3 mm和1mm。

在以上结构参数的基础上，通过改变中心和外围的装药量，获得内外装药量对复合破片场成型及飞散的规律。战斗部展开后需同时起爆内外装药，中心装药采用单点起爆，对比不同的外围装药起爆方式对预控破片成型效果的影响。在确定出较佳的内外装药量及外围装药起爆方式的基础上分析展开角度对复合破片场成型的影响。

2.4 数值模拟方法的有效性验证

为了验证数值模拟方法的准确性，对战斗部在闭合状态下的EFP和破片组成的复合破片场的成型性能进行分析，闭合状态下战斗部的结构相当于传统的聚能装药战斗部。通过X光试验验证闭合状态下EFP的成型形态，表4为闭合状态下180μs时 EFP成型形状和成型参数的数值模拟与试验结果。

由表4可知，数值模拟与试验结果吻合较好。由于数值模型包括外围壳体，使得计算出的EFP速度和长径比略高于试验值。以上结果反映出本研究数值模拟方法具有一定的准确性和较好的精度。

表4 闭合状态下EFP成型的数值模拟与试验结果对比Table 4 Comparison of the experiment results and the numerical simulation ones of EFP formation under the closure state

闭合状态下复合破片场中的预控破片速度通过文献[12]中修正的Gurney公式进行验证，壳体不同位置处形成破片的速度v0x为：

(1)

数值模拟与理论计算的破片速度见图4。

图4 破片速度的数值模拟与理论结果对比Fig.4 Comparison of the simulation results and the theoretical ones for fragment velocity

从图4可以看出，壳体中部的破片速度理论计算与数值模拟结果有一定偏差，但破片速度沿轴向的变化趋势基本一致，破片速度最高点的理论计算与模拟结果均在Gauge 6～Gauge 7范围内。因此，可以认为数值模拟方法精度较好，可利用本研究的数值模拟方法对展开式EFP战斗部复合破片场的成型进行模拟。

3 结果分析

3.1 中心与外围装药量对EFP和预控破片成型的影响

通过改变中心药柱顶部半径r获得内外装药量对EFP和预控破片成型的影响规律。选取r时考虑中心装药和外围装药量的关系，用K表示外围装药量与中心装药量的比值，将全装药近似为圆柱形，主装药部分近似为底部半径为45mm的圆台形，利用圆柱和圆台体积公式可求得K：

(2)

式中：ρ为装药密度。

分别取中心药柱顶部半径为20、25、30mm，分别对应K>1、K=1、K<1的情况，起爆方式选择中心药柱单点起爆和外围装药端面顶部四点起爆，并在壳体外侧中间添加10个沿轴向均匀排布的Gauge点，一瓣壳体的Gauge点设置示意图如图5所示。模拟获得各Gauge点处的预控破片的飞散速度、轨迹，从而计算出破片偏转角。

图5 Gauge点设置示意图Fig.5 Schematic diagram of Gauge point settings

不同顶部半径形成的破片成型效果如图6所示。从图6可以看出，r=20mm时预控破片成型效果最佳，在r=25mm时，所形成的破片基本全部断裂，但在壳体底部形成的破片聚集较明显，而当r=30mm时，壳体沿轴向未完全断裂，预控破片大部分呈条状。

图6 不同顶部半径下破片的成型效果Fig.6 Formation effect images of fragment under different top radius

预控破片场的飞散速度和偏转角随顶部半径的变化规律如图7和图8所示。

从图7可以看出，随着顶部半径的增加，外围装药量逐渐减小，Gauge 1～Gauge 8的破片飞散速度明显降低，而Gauge 9～Gauge 10变化不大，这是由于底端装药宽度是固定的。

图7 破片飞散速度随顶部装药半径的变化规律Fig.7 Variation law of fragment velocity with top charge radius

图8 破片偏转角随顶部装药半径的变化规律Fig.8 Variation law of fragment deflection angle with top charge radius

(3)

不同顶部半径形成的EFP效果如图9所示。从图9可看出，随着r的增大，EFP尾部断裂现象越发明显，这将严重影响EFP的飞行稳定性。速度和长径比均随着r的增大而增大，但速度的增量约为60～70m/s，因此单纯增大中心装药半径不能显著提高EFP的飞行速度，而长径比的增加使得断裂现象愈加明显。

图9 EFP成型参数随r的变化规律Fig.9 Variation law of EFP formation parameters with r

综上所述，确定中心与外围装药量时需同时考虑装药结构对EFP和预控破片的影响，增加外围装药量能显著提高破片飞散速度，K>1时破片飞散速度相比于K<1的情况，增加的幅值最大达到300m/s，而EFP因装药结构改变速度增加幅值约为140m/s，与预控破片的增量相比较小。因此确定外围装药顶部厚度为30mm，中心装药半径为20mm。

3.2 外围装药起爆方式对预控破片成型的影响

由于外围装药结构的特殊性，需研究起爆方式对预控破片的成型影响，选择顶部单点、顶部五点和内侧五点起爆等3种起爆方式进行对比。图10分别给出了一块装药的起爆点及破片成型效果，对称后的整体4块装药分别为顶部四点起爆、顶部二十点起爆、内侧二十点起爆。

图10 不同起爆方式及其破片的成型效果Fig.10 Initiation modes and formation effect images of fragment under different initiation modes

预控破片的飞散速度和偏转角变化规律如图11所示。

图11 不同起爆方式下的破片速度及破片偏转角Fig.11 Fragment velocity and fragment deflection angle under different initiation modes

由图11(a)可知，顶部四点起爆方式形成的破片速度要高于其他两种起爆方式，而顶部二十点起爆方式比内侧二十点起爆方式的破片速度大体上要高。这是由于内侧二十点起爆时爆轰波传播距离短，且稀疏波的效应最明显，导致破片速度最小。从图11(b)可以看出，内侧二十点起爆方式下的中间大部分破片的偏转角较小，而Gauge1处的偏转角较大。综合破片成型效果、速度和偏转角的规律，并考虑实际工程中起爆装置的复杂性，选择顶部四点起爆方式。

3.3 展开角度对复合破片场成型的影响

展开式战斗部通过展开特定的角度θ，能够使破片不再沿着周向360°分布，可以在特定的方向上增加破片密度，从而增加对目标的毁伤能力，提高战斗部的毁伤效率。分别模拟闭合(θ=0°)以及θ分别为30°、45°、60°、75°和90°状态下复合破片场的成型情况。闭合与展开状态下的起爆方式如图12所示，其中闭合状态采用中心单点起爆，而展开状态采用中心单点和外围四点同时起爆。

图13为不同展开角度下预控破片的飞散速度。

图12 不同状态下的起爆方式Fig.12 Detonation modes under different state conditions

图13 不同展开角度下的破片速度Fig.13 Fragment velocity under different expansion angles

从图13可以看出，闭合状态时破片的速度远高于展开状态，这是由于装药处于全约束状态，稀疏波来不及进入，因此破片成型速度最高。展开状态下，最大破片速度在1127～1135m/s间波动，最大破片速度变化不明显。闭合状态下，破片速度的最大值出现在Gauge 6位置，由图5可知，该位置距离起爆端约为60mm，即大约装药高度的60%处；而展开角度状态下，破片速度最大值均出现在Gauge3与Gauge4之间，该位置距离起爆端约为33mm，即大约装药高度33%处，这是由外围装药结构所决定的，外围装药相当于将圆柱体减去中心装药的圆台后分成4份，其几何外形是顶部宽且厚，底部窄且薄，因此顶部的药量更多，所以在顶部四点起爆时容易在距离起爆端约33%装药高度的位置产生最大速度的破片。而闭合状态的战斗部破片最大速度出现在壳体中央偏下的位置，这是因为闭合状态下的战斗部所有装药均受到约束。

从图13还可以看出，随着展开角度的增加，底端破片速度不断减小。这是由于展开角度越小，外围装药和中心装药的空间越小，能在一定程度上减小能量的发散，从而使得形成的底端预控破片速度较大。

各展开角度下100μs时刻复合破片场的成型效果如图14所示。

图14 100μs时各展开角度下复合破片场的成型效果Fig.14 The formation effect images of composite fragments field under different expansion angles at 100μs

闭合时破片的飞散区域最大，但在特定的方向上破片密集度低。在展开角度为45°和60°时的飞散特性较好，从图14可以看出，这两个展开角度下对应的破片覆盖的面积大致是紧密围绕在EFP周围，在一定面积上预控破片场密度良好。展开角度为90°底部破片明显向内飞散，EFP周围的预控破片偏转角度较好的只有壳体中上部分形成的那部分破片，壳体底部形成的预控破片向内飞散容易与所形成的EFP相碰撞或者彼此间互相干涉，从而影响毁伤能力。

复合破片场中的EFP速度和长径比随展开角度的变化如图15所示。其中闭合状态下EFP的速度远高于展开一定角度时的EFP，在展开不同角度下的EFP速度相差不大。EFP长径比的变化随展开角度的增加而增加，在展开角度小于45°长径比的增加非常明显，在展开角度大于45°后变化较小。长径比的增加使得过于细长的EFP容易产生缩颈和断裂，导致EFP失稳。

图15 复合破片场中的EFP成型参数Fig.15 EFP formation parameters in the composite fragment field

图16为各展开角度下EFP的尾部开口形状，观察得出闭合时形成的EFP主体部分较其余展开角度对应的主体部分都大。展开一定角度后药型罩的形状明显由类似于菱形转变为矩形，这是因为随着展开角度的增大，外围装药作用在药型罩外圈边缘部分的能量减小，所以在各外围装药对应的药型罩位置处就会出现药型罩向内凹陷现象，展开角度越小，凹陷越明显。

图16 各展开角度下EFP的尾部开口形状Fig.16 The tail opening shape of EFP under different expansion angles

为了对比闭合与展开状态下EFP的侵彻能力，利用Autodyn软件对不同展开角度下EFP侵彻装甲钢进行数值模拟。钢板尺寸为Φ200mm×50mm，各展开角度下EFP侵彻靶板的效果如图17所示，侵彻结果如表5所示。θ=0°时EFP的侵深(H)最大，这与其速度最大相符合，而各展开角度下的侵彻效果较接近。当θ=30°时，由于EFP的长径比较小，其侵彻能力较其他展开角度稍弱。θ=75°的展开状态与闭合状态相比，EFP侵深减少了36%，而孔径(d)增大了38%。侵彻结果表明，展开式EFP战斗部仍具有较强的侵彻能力。