药型罩材料对三层串联EFP成型影响研究*

史志鑫，尹建平，窦成彪

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

三层串联EFP利用成型装药的聚能原理和串联药型罩之间相对滑移运动的原理形成3个高速运动的爆炸成型弹丸。三层串联EFP是近年来提出的一种新型的战斗部结构，利用串联药型罩之间的声阻抗不同，应力波在串联药型罩之间的传播产生折射、发射和透射，使得串联药型罩之间产生相对的滑移运动，进而形成3个高速运动的EFP[1]。三层串联EFP能够更加合理的利用战斗部中炸药爆炸产生的能量，比传统的单层EFP具有更高的炸药能量利用率[2]；三层串联EFP能够形成3个随进的高速运动的EFP，因此在反“反应装甲”和反水下目标方面具有较大的优势，所以三层串联EFP成为战斗部研究领域的热点之一。郑宇[1，3]利用理论分析、数值模拟和实验研究三者相结合的方法研究了双层药型罩毁伤元的成型机理，分析了战斗部的起爆方式、药型罩的结构和药型罩的材料对双层药型罩毁伤元成型的影响。在第20届国际弹道会议的会议论文中，R.Fong等[4]曾经提出过关于探索双层或者多层药型罩形成两个或者多个独立飞行EFP的理论，探索在大炸高情况下，对靶板形成多次打击，在小炸高情况下，增加对靶板的侵彻深度。但关于三层串联EFP的研究在国内外公开的报道中相对较少[5]。

前人对双层串联药型罩毁伤元成型进行过深入的研究，关于双层串联药型罩毁伤元成型的相关理论也比较成熟。文中在双层串联药型罩毁伤元理论的基础上，研究了药型罩材料对三层串联EFP成型的影响。利用LS-DYNA有限元仿真软件对不同药型罩材料的三层串联EFP成型性能进行分析，获得药型罩材料对三层串联EFP成型的影响规律，可为后续的三层串联EFP战斗部的设计提供参考。

1 计算模型

文中分析的三层串联EFP战斗部的结构示意图如图1所示。

图1 三层串联EFP战斗部的二分之一有限元模型和结构示意图

研究的三层串联EFP战斗部的基本结构参数为：战斗部的装药尺寸为Φ55 mm×80 mm；战斗部壳体壁厚为1.2 mm；战斗部三层药型罩的曲率半径均为45 mm，三层药型罩的口径均为45 mm，三层药型罩的厚度均为1.2 mm；起爆方式采用战斗部底部中心点起爆。数值模拟中三层串联EFP战斗部的炸药采用8701炸药，材料模型选用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，采用EOS_JWL状态方程进行描述；固定环采用金属铜，材料模型选用MAT_JOHNSON_COOK，采用EOS_GRUNEISEN状态方程进行描述；药型罩的材料分别选取碳钢、铜、钽和铝，材料模型均采用JOHNSON_COOK，均采用GRUNEISEN状态方程进行描述。网格单元选取八节点六面体单元。材料的主要参数如表1所示。

2 三层串联EFP成型性能分析

2.1 三层串联EFP成型过程

三层串联EFP利用爆轰波对串联药型罩驱动和爆轰波在药型罩之间的折射、反射和透射，使得三层串联药型罩产生相对的滑移运动，最终形成高速运动的三层串联EFP；当爆轰波经过药型罩微元时，爆轰波的冲击压力对药型罩微元进行驱动。同时，爆轰波也会在药型罩之间发生透射和反射，透射的爆轰波将会驱动下一层药型罩，反射的爆轰波将继续作用于上一层药型罩，所以中间一层的药型罩将会受到复杂的应力波驱动。药型罩材料的冲击阻抗不同将会影响应力波在药型罩之间的传播，药型罩的材料选取将会直接影响到三层串联EFP的成型。

表1 数值模拟中主要材料参数

根据现有的应力波理论[1,5-6]，应力波在三层串联药型罩微元之间的传播遵循应力波在不同介质分界面传播的公式，即：

式中：PI为入射压力；PT为透射压力；PR为反射压力；α为前后材料的声阻抗比。应力波在三层串联药型罩微元之间的传播如图2所示。

图2 三层串联药型罩微元受力示意图

战斗部起爆后，爆轰波到达药型罩并压垮药型罩的底部，使药型罩的底部产生一个轴向的速度，药型罩从底部开始拉伸并翻转；药型罩在拉伸过程中，尾部将会向战斗部的轴线方向进行收拢；同时，三层串联药型罩在拉伸过程中会产生相对滑移，外部药型罩与中部药型罩分离后最先形成EFP并继续加速运动，中部药型罩继续拉伸，尾部收拢形成EFP，最后内部药型罩形成EFP的成型效果最差，速度也最低，3个串联的EFP相距一段距离并以稳定的速度向前飞行。三层串联EFP的成型过程如图3所示。

图3 三层串联EFP成型的数值模拟仿真

2.2 材料对三层串联EFP成型的影响

分析材料对三层串联EFP成型的影响，首先分析三层药型罩均为一种材料的情况，改变药型罩的材料，分析材料对三层串联EFP成型的影响。选取碳钢、钽、铜和铝四种不同特性的材料作为药型罩的材料，进行三层串联EFP成型的数值仿真研究。碳钢、钽、铜和铝四种材料形成的三层串联EFP的速度、长径比和成型效果如表2所示。

从表2中的数据和成型效果图可以看出，碳钢、铜和钽药型罩均能分离形成三层串联EFP，但是铝药型罩不能很好的分离形成串联EFP。碳钢形成的三层串联EFP的速度最高；铜材料因为具有较好的延展性，外层药型罩形成的EFP产生明显的颈缩和部分断裂，铜药型罩形成的串联EFP具有最大的长径比；钽的密度较大，钽药型罩在爆轰波的驱动下不能很好的拉伸，所以形成的三层串联EFP的长径比较小；铝材料较软而且延展性较差，所以在爆轰波的驱动下不能分离形成三层串联EFP。综合分析可知，碳钢的三层串联药型罩形成的三层串联EFP效果较好。

分析三层药型罩为不同材料时，材料对三层串联EFP成型的影响。根据冲击波在药型罩之间传播的相关理论[7-10]，若设置中间层药型罩的材料冲击阻抗介于内外两层药型罩材料冲击阻抗之间，即可增大爆轰波作用在外层罩上的透射压力。选取碳钢、铜和钽分析材料对三层串联EFP成型的影响，三种材料的冲击阻抗的大小关系为：铜<碳钢<钽。

表2 不同材料串联EFP成型参数

1)三层药型罩其中两层为碳钢，另一层为低冲击阻抗材料铜时三层串联EFP成型效果如表3所示。

2)三层药型罩其中两层为碳钢，另一层为高冲击阻抗材料钽时三层串联EFP成型效果如表4所示。

3)三层药型罩材料分别为铜(内)、碳钢(中)、钽(外)时三层串联EFP成型效果如表5所示。

由表3、表4、表5中的数据和三层串联EFP的成型效果可知，三层药型罩为不同材料与三层均为碳钢的串联药型罩相比，某一层药型罩材料被改变时，不能增加三层串联EFP的总速度和总动能。从表3可知，铜作为外层药型罩的材料形成的三层串联EFP出现明显的颈缩，铜作为中层药型罩的材料形成三层串联EFP之间的距离比较均匀。从表4可知，钽作为内层药型罩形成三层串联EFP的成型效果较好。从表5可知，将内层药型罩、中层药型罩、外层药型罩分别由铜、碳钢、钽(冲击阻抗由小到大)制成，此种方案不能提高三层串联EFP的总速度和总动能，最终的成型效果也欠佳。

表4 不同材料三层串联EFP成型参数

表5 不同材料三层串联EFP成型参数

3 结论

文中运用LS-DYNA有限元仿真软件对三层串联EFP成型的成型过程进行了数值模拟研究，选取碳钢、铜、铝和钽研究药型罩材料对三层串联EFP成型的影响。

1)对于所研究的装药结构，当三层串联EFP每层药型罩均采用同一种材料时，碳钢药型罩形成的三层串联EFP的成型效果较好，且具有最大的速度和适中的长径比；铜药型罩形成的三层串联EFP具有最大长径比，但最外层的EFP出现明显的颈缩现象；钽药型罩形成的三层串联EFP成型效果较差；铝药型罩不能分离形成三层串联EFP。

2)当改变三层串联EFP某一层串联EFP的材料时，并不能增加三层串联EFP的总动能和总速度，且成型效果欠佳；如果基于材料的冲击阻抗匹配的原则来选用三层串联EFP的材料时，形成的三层串联EFP的总速度和总动能比三层药型罩均采用单一材料时低，总速度降低3.0%～4.9%，总动能降低1.7%～2.3%。