径向型EFP战斗部结构优化设计∗

武天宇 朱建生 陈 朋 伍惊涛

（陆军炮兵防空兵学院 合肥 230031）

1 引言

通过在弹丸内径向放置EFP战斗部，在弹丸掠飞到目标上方适当距离后，适时引爆EFP战斗部，可实施对顶装甲的攻击。这种掠飞攻顶攻击方式在反应装甲、复合装甲等新型防护技术的出现，装甲武器的前装甲，侧装甲防护显著加强的情况下，是打击装甲武器薄弱之处既顶装甲的一种有效攻击方式［1］。

相对于普通破甲弹而言，掠飞攻顶战斗部需采用径向装药，其装药半径和长径比受到弹丸口径的限制，战斗部结构设计直接影响着EFP的成型，而EFP的速度、长径比和比动能等［2］是影响侵彻能力的重要指标。本文将以径向型EFP战斗部作为研究对象，应用LS-DYNA仿真软件，结合正交分析方法对不同装药半径下变壁厚球缺型药型罩壁顶厚、罩口罩顶厚度比、药型罩外曲率半径［3］和装药长径比［4］对EFP成型规律的影响进行分析。在此基础上对弹丸口径为93mm的径向型EFP战斗部结构参数进行优化研究。

2 装药半径的确定

在93mm口径弹丸内径向放置EFP战斗部，战斗部装药半径D/2和装药长径比h/D都要受到弹丸口径的制约，如图1所示，其中D/2为装药半径，R为外切圆半径，h为装药高度，三者需满足三角函数关系，因此装药长径比不能过大，本文中装药长径比最大为1。当装药半径为31mm时，最大装药高度为62mm，构成外切圆半径为44.63mm，此时已达到最大装药半径。同时综合考虑弹丸壁厚、战斗部壳体厚度和相关元器件所需空间，为了节省空间，EFP战斗部采用船尾型装药。因此本文中选取29mm、30mm、31mm三个装药半径分别进行优化设计。

图1 径向EFP战斗部示意图

3 EFP战斗部仿真模型

本文中采用LS-DYNA进行仿真分析，药型罩设计为变壁厚球缺型药型罩，装药为船尾型装药［5］，由于装药为轴对称结构，所以简化为二维轴对称问题，采用1/2模型。为了简化计算，模型中不考虑战斗部壳体的影响。如图2所示，其中δ为药型罩壁顶厚，r为药型罩外曲率半径，h为装药高度，装药半径为D/2。在计算时间达到30μs时删除掉炸药单元和与药型罩的接触，计算到300μs时终止计算，此时EFP头尾速度差为0，EFP已成型。计算模型采用LAGRANGE方法进行计算，炸药选用8701炸药，药型罩材料为紫铜。具体材料参数见文献［6］和文献［7］。

图2 仿真模型示意图

4 正交优化设计

4.1 正交分析设计

本文中装药类型和药型罩材料已经选定，装药半径分为29mm、30mm、31mm三种分别进行分析讨论。为优化EFP战斗部结构，确定了药型罩壁顶厚δ，药型罩罩口与罩顶厚度比λ［8］，药型罩外曲率半径r，装药长径比N四个设计因素，分为四个水平［9］，具体因素、水平取值见表1。

表1 因素、水平取值表［10］

使用L16（45）正交表对上述因素水平进行正交分析，正交表见表2。

表2 L16（45）正交表

4.2 正交分析结果对比

本文选取300μs时EFP的速度V，比动能Es，长径比L/D三个指标对仿真结果进行评定［11］。计算结果使用极差法进行分析，具体方法参考文献［9］，分析结果见表3。

表3 装药半径为29mm的EFP极差分析

对装药半径为30mm和31mm时的计算方法相同，为了节省版面，这里不再列出。下面使用曲线图表示不同装药半径下各因素对指标的影响，如图3所示。

图3 各指标随因素变化曲线

根据图3可以清晰看出药型罩壁顶厚δ、罩口罩顶厚度比λ对EFP速度起反向作用，装药长径比N对EFP速度起正向作用；药型罩壁顶厚δ、药型罩曲率半径r对EFP长径比起反向作用，装药长径比N对EFP长径比起正向作用；当装药半径为31mm时，EFP长径比L/D受药型罩壁顶厚δ、药型罩曲率半径r和装药长径比N影响均较大，但不具有方向性。各指标受各因素影响大小排序如表4。

表4 装药半径29mm时各指标受因素影响排序

根据表4中数据综合分析可得装药半径为29mm的EFP战斗部优化方案为δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

由表5中可以看出EFP长径比L/D已基本符合要求，如果长径比过大，EFP容易发生断裂，因此在影响程度相同时可先考虑速度V和比动能Es，结合表5数据综合分析可得装药半径为30mm的EFP战斗部优化方案为δ（21mm），λ（0.6），r（49mm），N（1）。

表5 装药半径30mm时各指标受因素影响排序

根据表6中数据综合分析可得装药半径为31mm的EFP战斗部优化方案为δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

表6 装药半径31mm时各指标受因素影响排序

4.3 优化方案仿真分析

将优化方案使用LS-DYNA分别进行建模仿真，再进行对比分析。仿真结果如下。

如图4所示，装药半径为29mmEFP战斗部仿真时间为300μs时，EFP头尾速度差为0，EFP成型过程已结束。采用优化方案的EFP战斗部结构在300μs速 度 V 为 2230m/s，比 动能 Es为 158.77J·mm-2，长径比L/D为4.92。

图4 装药半径为29mm时优化方案EFP成型过程

装药半径为30mm的EFP战斗部成型过程如图5所示，在300μs时EFP速度V为2280m/s，比动能Es为168.79J·mm-2，长径比L/D为5.58。

图5 装药半径为30mm时优化方案EFP成型过程

装药半径为31mm的EFP战斗部成型过程如图6所示，在300μs时EFP速度V为2270m/s，比动能 Es为 176.34J·mm-2，长径比 L/D 为 8.72。此方案下EFP长径比过长，且由图6可以看出最终成型的EFP腰部过细，在侵彻过程中很容易发生断裂［12］，且半径较小，导致侵彻半径小。由表6可以看出药型罩曲率半径r对速度V和比动能Es影响最小，但对长径比L/D影响较大，可通过调整药型罩曲率半径r减小长径比。其他因素仍使用优化方案，药型罩曲率半径r不同时EFP战斗部在300μs的成型结果如图7所示。

图6 装药半径为31mm时优化方案EFP成型过程

图7 不同药型罩曲率半径下的EFP成型结果

当药型罩曲率半径r为48mm时，EFP战斗部在300μS时速度V为2290m/s，比动能Es为175.58J·mm-2，长径比L/D为7.28。当药型罩曲率半径r为49mm时，EFP战斗部在300μs时速度V为2300m/s，比动能 Es为 178.17J·mm-2，长径比 L/D为 6.38。当药型罩曲率半径r为50mm时，EFP战斗部在300μs时速度V为2320m/s，比动能Es为 180.16J·mm-2，长径比L/D为5.56。可以明显看出药型罩曲率半径r为50mm时，各指标数据最优，且通过图7可以看出r=50mm时，EFP战斗部腰部明显改善，且半径增大，因此当装药半径为31mm时δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）为最优方案。

通过比较29mm，30mm，31mm三个装药半径下的优化方案可以得出最终设计方案为装药半径31mm，药型罩壁顶厚δ=21mm，药型罩罩口与罩顶厚度比λ=0.6，药型罩外曲率半径r=47mm，装药长径比N=1。

5 结语

利用通过LS-DYNA仿真软件，结合正交分析方法对不同装药半径下变壁厚球缺型药型罩壁顶厚、罩口罩顶厚度比、药型罩曲率半径和装药长径比对EFP成型规律的影响进行研究。得出结论如下。

1）药型罩壁顶厚δ、罩口罩顶厚度比λ对EFP速度起反向作用，装药长径比N对EFP速度起正向作用；药型罩壁顶厚δ、药型罩曲率半径r对EFP长径比起反向作用，装药长径比N对EFP长径比起正向作用。

2）EFP结构参数对EFP速度、比动能和长径比的影响大小顺序并不是固定的，是装药半径和结构参数的共同作用结果。

3）装药半径的增大，会不同程度地提高EFP的速度、比动能和长径比。

4）得到了弹丸口径为93mm的径向型EFP战斗部结构优设计方案，EFP速度V为2320m/s，比动能Es为180.16J·mm-2，长径比L/D为5.56，各项指标均较好。