周向MLEFP成型過程的數值計算

尹建平，張洪成，王志軍，付 璐

（中北大學機電工程學院，山西 太原030051）

引 言

多線性爆炸成型彈丸（MLEFP）屬于線性成型裝藥的一種，與目標為線與面、時與空二維交匯，對目標進行橫向切割，因此具有命中精度高、毀傷面積大的特點，而且利于殘余侵徹體繼續對靶后目標進行毀傷作用，具有對炸高不敏感、開坑大、后效作用強等特點［1］。目前，國外對線性成型裝藥的研究一般都局限在線性射流刀的應用上，主要用于航天器的分離、降落傘的打開、爆破以及切割等方面［2-3］；國內王飛［4］等在V 型線性成型裝藥、王昌建［5］等在半圓形管型線性成型裝藥、杜忠華［6］和茍瑞君［7］在LEFP成型機理方面開展了研究。

本研究設計了新型周向MLEFP 裝藥，建立了周向MLEFP成型過程的數學模型，通過數值計算分析了裝藥長徑比對周向MLEFP 成型的影響，以獲得命中精度高、毀傷效能高、具有較高侵徹能力的集群LEFP，為防空反導戰斗部和反輕型裝甲目標戰斗部提供參考。

1 周向MLEFP裝藥的結構設計

本研究設計的周向MLEFP裝藥結構如圖1所示。它是在傳統線性聚能裝藥的基礎上，通過改變裝藥結構，由殼體通過釬焊、粘合或者邊緣嚙合而互鎖的方法將4個獨立的LEFP藥型罩沿邊緣裝配到一起組合而成。

圖1 周向式MLEFP裝藥結構ig.1 Structure of the circumference linear MLEFP charge

周向MLEFP裝藥結構的初始參數為：藥型罩采用等壁厚球缺罩，曲率半徑R=40mm，壁厚δ=3mm；裝藥長度L=50mm，裝藥直徑D=50mm，裝藥寬度B=12mm。

2 數學模型的建立

應用Truegrid軟件建立了周向MLEFP 裝藥的有限元數學模型，如圖2所示，由4個線性EFP藥型罩、炸藥、空氣、殼體4部分組成。

采用有限元軟件ANSYS／LS-DYNA 對周向MLEFP成型過程進行數值計算，單元算法采用多物質Euler算法來模擬炸藥的爆轟和藥型罩的壓垮及LEFP成型過程，且Euler網格范圍足以覆蓋爆轟產物和LEFP飛行空間。網格單元選用Solid164八節點六面體單元。根據裝藥結構的對稱性，建立1／4模型，以節省計算時間和周期。藥型罩材料選用銅，殼體材料選用鋼，采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程來描述藥型罩和殼體在爆轟波作用下的動態響應過程和高應變條件下的材料變形問題；銅的主要參數為：ρ=8.96g／cm3，G=47.7GPa，E=137GPa；鋼的主要參數為：ρ=7.89g／cm3，G=77GPa，E=200GPa。選用8701炸藥，采用HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN高能炸藥材料模型和JWL 狀態方程，主要參數為ρ0=1.71×10-3g／cm3，D=7980m／s，ρCJ=29.5GPa，E0=8.35GPa。空氣采用MAT＿NULL模型，狀態方程為線性多項式，用EOS＿LINEAR＿POLYNOMIAL來描述［8］，主要參數為：密度ρ0=1.293×10-3g／cm3，聲速C=340m／s，初始相對體積V0=1.0。

圖2 周向MLEFP裝藥有限元數學模型Fig.2 The finite element model of the circumferential MLEFP charge

3 結果與討論

3.1 周向MLEFP的成型過程

采用裝藥中心線起爆方式，周向MLEFP 的成型結果如圖3所示。由圖3可以看出，在爆炸載荷作用下，周向MLEFP 裝藥在4個方向上形成具有一定速度和長度的線性爆炸成型彈丸，可以實現從四周近距離攔截和引爆來襲導彈、攻擊輕型裝甲目標的目的。

圖3 周向MLEFP的成型過程Fig.3 Formation of the circumferential MLEFP

單方向LEFP 成型情況和飛行姿態如圖4所示。

由圖4可以看出，裝藥中心線起爆后，爆轟波以平面波的形式開始傳遞，20μs時，線性藥型罩在爆轟壓力的作用下，藥型罩空腔內的材料相互擠壓、碰撞，促使藥型罩被壓垮、發生變形及罩體翻轉。

圖4 單方向LEFP成型過程（主視圖和右視圖）Fig.4 Formation of the singe LEFP

40μs時藥型罩罩面微元逐漸向藥型罩中心處軸向匯聚，藥型罩邊緣處發生徑向收縮變化；80μs時，由于罩體上軸線處與邊緣處存在著速度梯度，促使罩體不斷變形；隨著爆轟波的繼續推進，藥型罩兩端面繼續向罩面中心線處收攏，最終于100μs藥型罩在軸向拉伸及徑向擠壓的作用下形成密實的線性爆炸成型彈丸。線性爆炸成型彈丸整體速度基本穩定在1 620m／s左右，飛行姿態穩定。

3.2 裝藥長徑比的影響

利用有限元軟件分析了不同裝藥長徑比對周向MLEFP成型的影響。當裝藥長徑比L／D分別為0.8、1.0、1.2、1.5、1.8時，通過計算得到不同裝藥長徑比時單方向LEFP 的成型過程和參數，如表1所示。

表1 不同裝藥長徑比情況下單方向LEFP成型過程和參數（俯視圖）Table 1 Formation and parameters of the single LEFP with different length-diameter ratio of charge

由表1可以看出，不同的裝藥長徑比，LEFP的成型有明顯的變化，線性藥型罩在成型過程中均出現明顯的邊緣斷裂情況，這與戰斗部中利用邊緣嚙合而互鎖的方法裝配殼體固定線性藥型罩有直接的關系。侵徹體兩端面的成型較為整齊且密實程度相近，這說明侵徹體端面的軸向收縮與藥型罩的曲率半徑和壁厚有直接的關系。

圖5為LEFP穩定飛行速度與裝藥長徑比的關系曲線。由圖5可以看出，隨著裝藥長徑比的增加，LEFP穩定飛行的速度逐漸增加。裝藥長徑比取0.8、1.0時，LEFP 的速度較低，飛行距離較短，影響了戰斗部毀傷威力；裝藥長徑比取1.2、1.5 和1.8時，LEFP頭部和尾部的速度梯度大，侵徹體頭部“突出”愈發明顯，使得侵徹體尾部容易出現斷裂現象，影響高密實度LEFP的形成；但LEFP延伸拉長，使得飛行距離增大，且利于對目標造成較大區域的毀傷。當t=100μs時，LEFP可基本上實現穩定飛行。

圖5 LEFP穩定飛行速度與裝藥長徑比的關系曲線Fig.5 Relation curve between steady speed of LEFP and length-diameter ratio of charge

圖6為炸藥的能量利用率與裝藥長徑比的關系曲線。由圖6可以看出，隨著裝藥長徑比的增加裝藥能量利用率呈現出先增大后減小的趨勢。這是由于能量利用率一方面考慮了裝藥對藥型罩成型的加速；另一方面，隨著LEFP 飛行速度的增大，動能趨于穩定，藥型罩的變形也需要能量。因此，裝藥長徑比增大時，裝藥的能量利用率呈下降趨勢。根據上述分析，在設計戰斗部時，應從能量利用率角度出發，裝藥長徑比的選擇不宜過大。

圖6 線性裝藥能量利用率與裝藥長徑比的關系曲線Fig.6 Relation curve between energy efficiency of linear charge and length-diameter ratio of charge

綜合上述LEFP穩定飛行時的速度、藥型罩罩材利用率、炸藥的能量利用率和LEFP有效飛行距離4個方面的分析，對于裝藥口徑為50mm 的線性戰斗部結構，裝藥長徑比取1.0≤L／D≤1.5較為適宜。

4 結 論

（1）設計的新型周向MLEFP裝藥結構，在爆炸載荷作用下，能夠在四個方向上形成具有一定速度和長度的LEFP，且與導彈或裝甲目標的作用方式為線與面、時空二維交匯，因此具有命中精度高、毀傷面積大、有效飛行距離遠、后效顯著的特點，可以提高對目標的命中概率和毀傷效能。

（2）裝藥長徑比對周向MLEFP 成型有一定影響。隨著裝藥長徑比的增大，LEFP 穩定飛行速度逐漸增大，線性藥型罩材料的利用率逐漸增大，炸藥的能量利用率呈先增大后減小的趨勢，LEFP 的有效飛行距離也逐漸增大，但增長幅度明顯減小。在文中設計的周向MLEFP 裝藥條件下，當裝藥長徑比取1.0≤L／D≤1.5，形成的LEFP 速度高，密實度好，整體動能大，毀傷效能好。

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