新型雙層藥型罩形成毀傷元數值模擬與分析*

孫 華，王志軍

（中北大學機電工程學院，太原 030051）

0 引言

上世紀80年代開始，國內外就開始對射流型雙層藥型罩和串聯EFP型雙層藥型罩進行研究。如Tosello等法國學者［1］對鉭鎳雙層球缺罩在水下的運動進行了研究，觀察到前級侵徹體在水中開出通道，而隨進侵徹體可以在這個通道中運動的現象，因此隨進侵徹體有較強的存速能力，能在水下以較高的速度攻擊艦船和潛艇;R.Fong等美國學者［2］對雙層和三層球缺戰斗部進行了實驗研究，獲得了長徑比很大的EFP;袁建飛和蘇建軍［3］等對雙層藥型罩EFP的形成進行了數值模擬，并對毀傷效果進行了實驗研究，結果表明雙層藥型罩形成的EFP對目標的毀傷后效效果更好;鄭宇［4］對雙層藥型罩毀傷元形成機理進行了研究。同時，由于EFP無法形成一個攻擊區域或毀傷能力不足，李金鳳［5］提出了一種在爆炸載荷下形成多破片的新型刻槽藥型罩結構。文中在分析了學者們所研究內容的基礎上提出了一種新型雙層藥型罩結構，即外罩采用刻槽式結構，從而可形成多破片，內罩形成EFP，該結構可有效應用于攻擊坦克頂裝甲、反武裝直升機以及反地面輕型裝甲等目標。文中利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對該結構中雙層藥型罩在爆炸載荷下形成毀傷元的過程進行了數值模擬，并對其主要影響因素進行了分析。

1 新型雙層藥型罩結構

文中所研究的戰斗部結構主要由裝藥、藥型罩、殼體和起爆裝置組成，其中藥型罩分為內外兩層，內層為傳統的球缺型藥型罩，而外層采用刻槽式結構。圖1為新型戰斗部整體結構示意圖，圖2為外層刻槽式藥型罩結構示意圖。

裝藥口徑D=100mm，裝藥高度H=120mm，雙層藥型罩采用等壁厚球缺型，外層藥型罩壁厚δ外與內層藥型罩壁厚δ內相等，均為3mm。

圖1 新型戰斗部整體結構圖

圖2 外層刻槽式藥型罩結構圖

2 數值模擬與分析

2.1 算法選擇與材料描述

ANSYS/LS-DYNA軟件應用于數值模擬較為廣泛，以Lagrange算法為主，兼有Euler、ALE和SPH算法［6］，選擇合理的算法和定義合理的接觸方式是模擬仿真的關鍵環節。文中數值模擬選用Lagrange算法來模擬雙層藥型罩形成毀傷元的成型過程，炸藥與藥型罩選用自動面面接觸算法;內層藥型罩與外層藥型罩之間僅選用滑移接觸算法。

內外層藥型罩材料均為銅，選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程來描述其動態響應過程以及模擬高應變下的材料變形問題，其主要參數有ρ=8.96g/cm3，A=90MPa，B=292MPa，n=0.31，m=1.09，c=0.025;裝藥選用 8701，用 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型和JWL狀態方程來描述，其主要材料參數參照文獻［8］，ρ=1.787g/cm3，D=7980m/s，Pcj=29.5GPa。

2.2 外層藥型罩形成多破片數值模擬

數值模擬中有限元模型采用全模型。起爆方式為裝藥頂端端面中心點起爆。

學者們對內層藥型罩形成EFP過程的研究較為清楚，所以文中重點介紹刻槽式藥型罩形成多破片的過程?？滩凼剿幮驼中纬啥嗥破倪^程可以描述為:在爆炸載荷以及內層藥型罩的碰撞綜合作用下，外層藥型罩在刻槽附近區域引起應力集中，隨著內層藥型罩的翻轉，外層藥型罩將受到沿徑向的分力，從而使外層藥型罩沿著預制槽產生裂紋，從而使外層藥型罩形成一定質量、數量和一定方向性的破片。圖4顯示了雙層藥型罩外層多破片以及內層形成EFP的幾個典型過程，其中圖4（a）為初始狀態;圖4（b）顯示了雙層藥型罩受爆轟壓力與爆轟產物綜合作用的翻轉過程;圖4（c）顯示了內外層藥型罩的軸向拉伸以及徑向收縮的過程;圖4（d）顯示了由于內外層毀傷元在軸向存在速度差，從而引起的分離過程。

圖3 毀傷元形成的典型過程

2.3 內層藥型罩曲率半徑對毀傷元的影響

由于藥型罩曲率半徑的變化將引起爆轟波陣面作用于藥型罩位置的改變，從而導致藥型罩材料流動方向的變化，因此，藥型罩曲率半徑的變化對毀傷元素的成型以及破片飛散角起相當大的作用。所以相當有必要分析藥型罩曲率半徑對文中所研究結構的影響。圖4顯示了不同曲率半徑時，內外兩層藥型罩完全分離時毀傷元素的形態。

圖4 不同曲率半徑下內外分離時侵徹體形態

表1 不同曲率半徑下結果對比

結合圖4和表1可以得出:文中所研究結構在爆炸載荷作用下，外層藥型罩能夠形成具有一定速度、質量以及偏轉角α的多破片，內層藥型罩能夠形成一定速度和長徑比的EFP。隨著內層藥型罩曲率半徑R的增大，所形成的EFP速度呈逐漸增大趨勢，而長徑比呈降低趨勢，這種現象與文獻［9］中曲率半徑對形成EFP的影響相符合;然而，內層藥型罩曲率半徑R的變化，對外層藥型罩所形成的破片速度影響不大，基本保持一致，但是由于爆轟陣面的變化，外層藥型罩所受到的徑向分力增大，因此破片的飛散角α隨著曲率半徑R的增大而增大;由于EFP的速度呈增大趨勢，而破片速度基本不變，所以二者間的速度差呈逐漸下降趨勢，如圖 5所示，從而影響到內外毀傷元的分離時間，曲率半徑越大，分離時間越大，上述情況與文獻［4］中曲率半徑對串聯EFP形成影響的仿真結果相符。

圖5 不同曲率半徑下速度差曲線

2.4 外層破片對裝甲靶板的毀傷模擬

文中利用外層藥型罩曲率半徑為132mm時，所形成的多破片對裝甲靶板的毀傷進行了數值模擬，靶板尺寸為400mm×400mm×10mm，材料為45#鋼，破片與靶板采用侵蝕接觸。圖6展示了靶板的破壞情況。

圖6 靶板的破壞形態

從數值模擬來看，外層多破片對鋼靶的毀傷基本包括開坑、擴孔和沖塞穿透。當外層藥型罩曲率半徑為132mm時，鋼靶入口孔徑72mm，即0.72倍裝藥口徑，出口孔徑91mm，即0.92倍裝藥口徑，與傳統雙層藥型罩形成的串聯EFP開孔口徑相比明顯增大;多破片完全穿透鋼靶后能量損失為46%，沖塞作用所形成的沖塞塊速度達到500m/s左右，由它引燃、引爆所產生的二次效應，對目標內的成員或設備也具備一定的毀傷能力，即后效作用。

3 結論

利用有限元ANSYS/LS-DYNA軟件對新型雙層藥型罩形成毀傷元的過程進行了數值模擬，結果表明:該結構能夠形成具有一定毀傷效應的毀傷元，即外層藥型罩在爆轟壓力和內層藥型罩的碰撞下，可形成一定數量、質量、速度以及飛散角的多破片;內層藥型罩能夠形成一定長徑比的EFP。經分析得出以下結論:

1）隨著內層藥型罩曲率半徑的改變，使得爆轟陣面發生改變，從而影響了內層藥型罩所形成的EFP性能，進而對外層藥型罩形成的多破片發散角α產生影響。隨著曲率半徑的增大，EFP的長徑比呈逐漸降低趨勢，穩定速度呈逐漸增大趨勢;然而，外層破片穩定速度基本保持穩定，僅是破片飛散角α隨著曲率半徑的增大而增加;內外層毀傷元速度差隨著曲率半徑的增大而減小，從而影響內外毀傷元的分離時間，曲率半徑越小，分離時間越短。

2）由于外層多破片具有一定的飛散角α，因此對目標靶板可造成區域毀傷，飛散角越大毀傷區域越大，但隨著飛散角α的增大，對目標的毀傷深度就會相應降低，所以可根據目標特性選擇不同的曲率半徑。

3）文中未對內層EFP隨進二次毀傷進行討論，將在之后的研究內容中繼續完善。

［1］Tosello R，Vives M，Tronche A.Twin EFPs for underwater applcations［C］//Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistie.USA，International Ballistics Committee，1997.

［2］Fong R，Ng W，Weiman K.Testing and analysis of multiliner EFP warheads［C］//The 20th International Symposium on Ballisties.USA，International Ballistics Cornmittee，2002.

［3］袁建飛，蘇健軍，王輝，等.復合藥型罩EFP的形成及數值模擬［J］.火炸藥學報，2006，30（2）:186－188.

［4］鄭宇.雙層藥型罩毀傷元形成機理研究［D］.南京:南京理工大學，2008.

［5］李金鳳.爆炸載荷下藥型罩形成多破片的數值模擬［J］.南京理工大學學報，2006，30（2）:186－188.

［6］白金澤.LS-DYNA3D理論基礎與實例分析［M］.北京:科學出版社，2005.

［7］李裕春，時黨勇，趙遠.LS-DYNA基礎理論與工程實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［8］高靖，王志軍，范晨陽，等.中心孔對聚能裝藥成型的影響［J］.彈箭與制導學報，2011，31（1）:110－112.

［9］蔣建偉，楊軍，門建兵，等.結構參數對EFP成型影響的數值模擬［J］.北京理工大學學報，2004，24（11）:939－941.