多爆炸成形弹丸引爆带壳装药数值模拟研究

张 琨，纪 冲，赵长啸，周望远，姜 涛，孙宇翔

多爆炸成形弹丸引爆带壳装药数值模拟研究

张 琨1，纪 冲1，赵长啸1，周望远2，姜 涛1，孙宇翔1

（1.陆军工程大学，江苏 南京，210007；2.中国人民解放军75733部队，广东 广州，510800）

利用LS-DYNA有限元数值计算软件，对多爆炸成形弹丸（MEFP）战斗部冲击引爆带壳装药过程进行了模拟研究，对比分析了中心点、环形和平面3种起爆方式对MEFP的影响。相比中心点起爆，平面起爆时中心弹丸速度提高27.8%，动能提高87.5%；环形起爆下，中心弹丸速度提升24.6%，动能提升77.5%。3种起爆方式均能实现对带壳装药的冲击起爆，表明基于MEFP销毁带壳装药方法可行。相对于点起爆、环形起爆方式，采用平面起爆方式时弹丸发散角最小，弹丸束密集程度最高，利于提升未爆弹引爆率。

多爆炸成形弹丸；带壳装药；引爆参量；数值模拟

航弹、榴弹等大型未爆弹销毁新技术一直是弹药处置销毁领域关注的热点和难点。易建坤等[1]研究了高热剂销毁弹药的方法，利用铝热反应产生的高温熔渣，熔穿弹壳点燃内部装药；钟树良[2]提出了水射流切割技术观点，利用水射流中的磨料颗粒对炸药产生冲击作用，使炸药受到冲蚀而破碎；祝逢春等[3]尝试使用聚能金属射流处理未爆弹。以上技术均需作业人员近距离进行相关器材设置等操作，因此，在未爆弹状态不明情况下实施此类作业将导致作业人员承受巨大安全风险。针对上述现实问题，探索研究远距离安全引爆未爆弹技术具有重要现实意义。

基于多爆炸成形弹丸（Multiple Explosively Form- ed Projectile，简称MEFP）战斗部销毁未爆弹正是能够满足上述要求的一种高效毁伤技术。该战斗部爆炸后产生多个弹丸，可对目标进行大密集度攻击，同时每个毁伤元均具有足够的侵彻能力，能够有效引爆未爆弹[4-9]。Richard Fong等[10]对轴向变形罩式MEFP进行了深入研究，配合适当的起爆方式，形成了具有良好定向性能的MEFP毁伤元群，可在一定距离上对付目标，但没有给出具体结构参数。本文利用LS-DYNA数值软件模拟了MEFP冲击起爆平面带壳装药全过程，为设计销毁带壳装药的MEFP提供参考。

1 仿真模型建立

1.1 计算模型

以某整体式MEFP战斗部为研究对象，其结构如图1所示。

图1 1/2 MEFP战斗部有限元计算模型

战斗部口径=106mm，高度=50mm，药型罩口径=30mm，相邻药型罩间距和周边药型罩距装药边缘最短距离相等，同为=4mm。装药采用8701炸药，药型罩材料为紫铜。药型罩采用球缺罩，内、外曲率半径分别为42mm、44mm，壁厚2mm。计算模型中的各部分均采用拉格朗日网格和Solid164实体单元。由于战斗部结构的几何形状具有轴对称性，为简化运算选取1/2结构部分建立三维模型进行计算。

由于本文重点是检验MEFP的冲击起爆能力，为方便运算将带壳装药简化为平面靶板贴敷被发装药模型。计算模型由炸药、药型罩、钢壳体靶板和被发装药4部分组成，具体如图2所示。计算中假定炸药、药型罩和钢壳体靶板为均匀连续介质，整个爆炸侵彻过程为绝热过程，不考虑重力影响；忽略靶板侧边效应，不考虑靶板整体运动和空气影响。炸药与药型罩之间采用滑移接触，对药型罩内部定义自动单面接触，药型罩与钢靶和被发装药之间采用侵蚀面面接触。通过查阅弹药参数[6]，本文所研究的小型未爆弹壳体为钢质材料，平均壁厚通常小于10mm。因此文中所研究带壳装药壳体尺寸采用10mm厚的45#钢板，靶板背后贴敷被发装药为Ｂ炸药，厚度为20mm。为缩短计算时间，将MEFP战斗部与钢壳体靶板的距离设定为50cm。

图2 整体式MEFP战斗部引爆带壳装药有限元计算模型

1.2 仿真计算参数

数值计算中采用的相关材料模型详见表1，具体参数详见表2。

表1 采用的材料模型 （g-cm-μs）

Tab.1 Material models

表2 各材料模型参数 （g-cm-μs）

Tab.2 The parameters of material models

2 仿真计算结果及分析

2.1 MEFP的成形过程

仿真模型中MEFP战斗部采用装药底部中心点处起爆方式。计算表明，装药起爆后，受球面爆轰波作用，中心药型罩被压垮翻转形成轴对称、形状规则的弹丸；对于周边药型罩，由于爆轰波首先作用于周边药型罩靠近装药轴线的边缘部位，再依次沿轴线作用于其他部位，故药型罩同一半径圆环位置上的微元接受爆轰能量大小与时间不一致，最先作用部位形成弹丸头部，其它微元因轴向速度差被拉伸并向径向挤压形成弹体，弹丸形状不规则，飞行过程中会产生翻转现象。中心弹丸头部与尾部存在一定的速度梯度，尾部在头部拉扯作用下，速度逐渐趋于一致。弹丸具体成形过程如图3所示。

模拟得到的弹丸轴向速度时程曲线如图4所示，中心弹丸轴向速度可达2 137 m/s；MEFP属于轴对称结构，故周边弹丸轴向速度规律一致，最终达到了2 005m/s。由于周边弹丸在飞行过程中存在径向速度，因此稳定飞行之后便形成具有一定打击面积的理想的弹丸束。为进行后续研究，定义弹丸发散角如图5所示。

图3 中心点处起爆时MEFP的成形过程

图4 中心弹丸与周边弹丸轴向速度

图5 弹丸发散角示意图

由图5各参量定义可得，发散角为=arctan (1/1)，式中1为形成的弹丸的发散半径，即=0时单元径向位移，1为=0时单元轴向位移。且有：

经计算得知，发散角为5.43°。

2.2 MEFP冲击引爆带壳装药过程

由于中心弹丸轴向速度大于周边弹丸轴向速度，因此整体式MEFP冲击带壳装药过程中，中心弹丸先着靶，周边弹丸随后着靶。根据数值计算得到，冲击引爆带壳装药过程主要分为3个阶段，如图6所示。第1阶段：弹丸头部与钢靶高速撞击，在钢靶周围迅速形成塑性变形区和高温区，并在弹丸头部产生较强冲击波，如图6（a）~（b）所示；第2阶段：弹丸冲击壳体产生的冲击波入射炸药内部，不均匀地加热炸药，冲击波对炸药本身固有的空隙和气泡等进行绝热压缩，形成具有很高温度的热点；第3阶段：热点迅速汇聚扩散，周围的炸药反应释放的能量又加强初始冲击波，二者共同作用在装药内部最终发展成稳定爆轰，如图6（d）所示。

图6 整体式MEFP中心弹丸侵彻45#钢靶及引爆被发装药过程

为更加清晰地分析冲击引爆过程，在LS-PrePost后处理软件中，从被覆装药内部等间距选取8个观测点，相邻观测点间距为3mm，如图7所示。炸药被冲击引爆时，爆轰波最先到达8个观测点中的H519837，该点出现冲击波波峰。随着爆轰的传递，余下7点均依次出现冲击波波峰，符合炸药稳定爆轰时CJ面爆轰波压力的数据指标[9]，说明爆轰波在带壳装药中稳定持续传播，带壳装药被充分引爆。

图7 选取的各参照点及其压力变化曲线

图8 整体式MEFP周边弹丸侵彻45#钢靶及引爆被发装药过程

实际作业过程中，存在中心弹丸脱靶而周边弹丸着靶的情况。为检验周边弹丸冲击起爆能力，在数值计算过程中删除中心弹丸与靶板及被覆装药的接触，使周边弹丸单独冲击侵彻。如图8所示，在周边弹丸侵彻作用下，炸药被冲击起爆并发展成稳定爆轰。由此可见，即便中心弹丸脱靶，周边弹丸仍具有较强的冲击起爆能力。

2.3 起爆方式对弹丸性能影响

为研究不同起爆方式对MEFP性能的影响，模拟对战斗部采用中心点、环形和平面起爆3种方式进行观察对比。环形起爆为在装药底部具有一定半径圆环形的线起爆，本文环形起爆半径选定为0.30L。3种起爆方式下中心弹丸速度及动能分布如图9~10所示。

图10 3种起爆方式下中心弹丸动能分布

由图9~10可见，相比中心点起爆，平面起爆时中心弹丸速度提高27.8%，动能提高87.5%；环形起爆情况下，中心弹丸速度提升24.6%，动能提升77.5%。3种起爆方式下弹丸都具有足够起爆能力，均能可靠冲击起爆带壳装药。

结合图1和图5，根据公式（1），求得3种起爆方式下弹丸发散角和毁伤面积，见表3。通过表3可以发现，平面起爆时弹丸发散角最小，能够形成比较密集的弹丸束，利于提升着靶率。

表3 不同起爆方式下弹丸发散角与毁伤面积（靶距为5m）

Tab.3 Divergence angle and damage area of projectile under different detonation modes (target distance is 5m)

3 结论

通过对MEFP冲击引爆带壳装药过程进行数值模拟仿真，分析得到以下结论：（1）由数值模拟结果可得，MEFP能够成功冲击引爆带壳装药，表明基于MEFP销毁未爆弹方法可行。（2）相对于点起爆、环形起爆方式，采用平面起爆方式时弹丸动能最大，具有更大的侵彻能力，弹丸发散角最小，弹丸束密集程度最高，利于提升未爆弹引爆率。

[1] 易建坤,贺五一,吴腾芳,等.高热剂在弹药销毁领域应用初探[J].工程爆破,2004,20(4):21-25.

[2] 钟树良.水射流切割炸药的技术研究[D].绵阳：中国工程物理研究院,2006.

[3] 宋桂飞,李成国,王韶光,等.激光销毁弹药若干问题的研究[J].激光与红外,2010,40(9):932-935.

[4] 赵长啸,龙源,纪冲,等.整体式多爆炸成形弹丸战斗部数值模拟及试验研究[J].兵工学报,2013,34(11) : 1 392-1 397．

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[6] 李金明,雷彬,丁玉奎.通用弹药销毁处理技术[M].北京.国防工业出版社,2010.

[7] Blache A，Weimann K．Multi-EFP-charge for light weight armor defeat[C]∥18th International Symposium on Ballistics. San An-tonio: T X．Institute for Advanced Technology,1999．

[8] 方青,卫玉章,张克明.射弹倾斜撞击带盖板炸药引发爆轰的条件[J].爆炸与冲击,1997,17 (2): 153-158.

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[10] Richard Fong，William Ng，Steve Tang and La Mar Thompson．Multiple explosively formed penetrator（MEFP）warhead technologies for mine and improvised explosive device（IED）neutralization[C]//22th International Symposium on Ballistics,2005.

Numerical Simulation and Study of MEFP on Impact Initiation Process of Charge with Shell

ZHANG Kun1，JI Chong1，ZHAO Chang-xiao1，ZHOU Wang-yuan2，JIANG Tao1，SUN Yu-xiang1

（1.Army Engineering University of PLA，Nanjing，210007；2.75733 Troops，PLA，Guangzhou，510800）

In this paper, LS-DYNA was used to simulate the impact detonation of multiple explosive shaped projectile (MEFP) with shell charge under three different detonation modes. Compared with the central point initiation, the velocity and kinetic energy of the central projectile were increased by 27.8% and 87.5% respectively in the plane initiation state. Under the condition of ring initiation, the velocity of the center projectile was increased by 24.6% and the kinetic energy by 77.5%.All the three detonation methods can realize the impact detonation of shell charge, which indicates that the method of destroying shell charge based on MEFP is feasible. Compared with the point initiation and ring initiation, the projectile divergence angle is the smallest and the projectile beam density is the highest when the plane initiation is adopted, which is conductive to improving the detonation rate of unexploded projectile.

MEFP；Charge with shell；Detonation parameters；Numerical simulation

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.006

1003-1480（2020）01-0022-04

2019-11-15

张琨（1990-），男，硕士研究生，主要从事爆炸与毁伤作用机理及其应用研究。