EPS泡沫密度对组合式MEFP战斗部的隔爆性能研究*

2019-08-22池朋飞史庆杰

弹箭与制导学报 2019年2期

池朋飞，曹兵，史庆杰

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

0 引言

现代战争中，轻型装甲在战场上发挥了越来越大的作用，它具有速度快、灵活度高的优点。单个EFP战斗部对于这类目标毁伤效果不佳，会造成过毁伤与打不中的结果。为了有效的应对这类目标，很多国家研发了多爆炸成形弹丸(MEFP)战斗部，与单EFP战斗部相比，一次起爆可以形成多枚弹丸，对目标进行大密度攻击，提高了毁伤概率。

周翔[1]、付璐[2]等人对MEFP战斗部发散角的影响因素进行了分析，研究表明，发散角与填充物密度、相邻子装药间距以及同时起爆时差有关，填充物压制密度越小、相临装药间距越大，以及起爆时差越小都有利于减小弹丸的发散角。文中是基于固定的装药间距、固定的壳体、固定的药型罩和装药，研究填充物EPS泡沫的密度对EFP弹丸成型状态的影响。

1 组合式MEFP战斗部结构

文中研究的组合式MEFP装药结构是建立在单个EFP的基础上，将3个EFP通过填充介质组合在一起，主要由挡板、药型罩、填充物、装药和壳体组成，图1所示为MEFP战斗部的120°旋转剖视图。

图1 组合式MEFP战斗部结构

2 数值模拟和结果分析

2.1 MEFP战斗部计算模型和算法选择

为了清楚地了解该组合式MEFP战斗部的成型规律，文中用LS-DYNA 3D有限元计算软件[3]对其成型过程进行了数值仿真，由于组合式MEFP装药结构的形状具有几何对称性，因此选取1/2结构建立三维计算模型进行计算，子装药和药型罩分别设置为同一个part，有限元部分计算模型如图2所示。

图2 组合式MEFP战斗部部分有限元计算模型

由于炸药爆炸产生大变形，如果采用拉格朗日算法，物质的扭曲会导致计算网格的畸形而使得计算无法进行导致计算失败，而且拉格朗日算法很难模拟出相邻炸药爆轰波的碰撞叠加过程；若采用纯欧拉算法，要对运动界面引入非常复杂的数学映射，导致较大误差，边界描述不清；因此计算中采用ALE算法[4]，运用流固耦合处理技术，其中炸药、药型罩、填充物、空气采用欧拉算法，壳体和挡板采用拉格朗日算法，空区域边界采用透射边界，对称面设置为对称边界。

2.2 材料模型

炸药材料选用8701，选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程来描述它的爆轰作用过程[5]。空气选用NULL材料模型和GRUNEISEN状态方程；药型罩材料为紫铜,选用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程[6]。壳体和挡板材料为铝，采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程。填充物选用压制EPS泡沫[7]，材料模型采用*MAT_SOIL_AND_FOAM，表1中列出了6种不同密度EPS泡沫的主要参数。EPS泡沫的本构模型需要输入材料的应力应变曲线，见图3。

表1 EPS泡沫参数

图3 EPS泡沫不同密度应力应变曲线

3 数值仿真结果分析

图4为组合式MEFP的成型过程，由图4可知药型罩从t=20 μs开始成型到t=100 μs完全成型，由于爆轰波[8]之间的相互叠加作用使得组合式MEFP中心的压力增加,EFP紧临中心一侧会出现上翻现象，为了研究爆轰波叠加对组合式MEFP药型罩成型过程的影响，对组合式MEFP中间填充不同密度的EPS泡沫进行了数值模拟。并从弹丸的姿态和发散角进行对比。

图4 组合式MEFP成型过程

3.1 组合式MEFP战斗部弹丸成型姿态

图5为文中选取的参考标准，EFP弹丸的侵彻威力与弹丸的形状、气动性、着靶姿态密切相关。EFP弹丸对称性的提高可以提高EFP弹丸的飞行稳定性，减小速度降，改善着靶姿态。将EFP弹丸的尾裙内外边高度差作为参考，来分析EFP弹丸的对称性，进而对EFP弹丸的穿甲威力进行对比。分别选取了采用不同密度泡沫时爆炸成形弹丸在80 μs、100 μs、120 μs、140 μs和160 μs的结果作对比，为了检测EPS泡沫的吸能效应，把填充物去掉填充空气做仿真进行对比。结果如图6所示。

图5 组合式MEFP战斗部弹丸尾裙内外边高度差

图6 不同密度泡沫MEFP弹丸尾裙高度差变化趋势

由图6可以看出，在EPS泡沫密度低于0.04 g/cm3时，随着泡沫密度的增加，MEFP弹丸尾裙高度差逐渐降低，即EPS泡沫吸收的能量逐渐增大。当EPS泡沫的密度大于0.04 g/cm3时，随着泡沫密度的增加，MEFP弹丸尾裙高度差逐渐增加，即EPS泡沫吸收能量的能力随着密度的增加而下降。由EPS泡沫的应力应变曲线，可以看出EPS泡沫的压缩过程表现为线弹性阶段、平台段、致密段[9]，这3个阶段决定了EPS泡沫吸收能量的能力，由仿真的结果可以看出EPS泡沫吸收能量的密度存在一个最佳值0.04 g/cm3，若密度太低泡沫材料吸收很少的能量就进入压实段，导致在达到吸收限定能量之前就达到了很高的应力水平；若密度太大，在吸收限定能量时，其应力处于较低水平，材料吸能性能没有得到充分发挥。

3.2 EFP弹丸发散角

图7为组合式MEFP战斗部填充不同密度聚苯乙烯泡沫时EFP弹丸的发散角，EFP弹丸的发散角指的是EFP弹丸的速度矢量方向与组合式MEFP战斗部轴线的夹角。从图中可以看出EFP弹丸发散角在EPS泡沫密度从0.02 g/cm3到0.04 g/cm3变化时逐渐减小，当泡沫密度大于0.04 g/cm3随着泡沫密度的增加，EFP弹丸发散角也相应增大。产生这一趋势的原因是爆轰波在EPS泡沫中传播时压缩泡沫，泡沫经过3个阶段的变形吸收能量，前半段随着泡沫密度的增加泡沫吸收的能量增加，后半段，随着泡沫密度的增加泡沫过早的进入了致密段，泡沫吸收能量的阶段提前结束，因此，随着密度的增加吸收的能量却在减少，发散角逐渐增大。

图7 组合式MEFP战斗部填充不同密度弹丸发散角

4 试验及结果分析

4.1 试验设置

为了验证设计的组合式MEFP战斗部能否产生预期的弹丸以及弹丸的侵彻能力，对其进行了地面静爆试验[10]。图8为组合式MEFP战斗部，试验布局如图9所示，组合式MEFP战斗部与靶板的距离50 m。整块靶板采用三脚架固定，并与地面保持垂直。组合式MEFP战斗部中心线与靶板中心线处于同一水平面，采用瞄准仪瞄准靶板中心。试验方案和结果见表2。

表2 试验方案和结果

图8 组合式MEFP战斗部结构

图9 试验布局

4.2 试验结果分析

由表2的试验结果，可以看出弹丸的姿态对穿甲威力的影响较大，填充密度为0.04 g/cm3的试验方案结果较好，其中1号战斗部全部贯穿，2号战斗部有一枚未击穿，2发平均2.5枚的穿透率，相对于其它填充密度性能较好。图10为MEFP战斗部侵彻靶板试验结果图，由图可知，该战斗部按预期生成3枚弹丸，每一枚弹丸都能有效穿透给定距离上的给定靶板，弹丸的分散半径约为0.6 m，与仿真结果较为符合，图11为靶板的穿孔图，从图片可以看出穿孔形状为规则圆形，表现为冲塞破坏[11]。由试验结果可知该组合式MEFP战斗部具有发散角较小，一次爆炸形成3枚弹丸，对50 m半径的轻型装甲具有良好的毁伤性能。