CEW戰斗部成型數值模擬*

吳國東，董方棟，王志軍，尹建平

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

0 引言

局部戰爭表明，輕型裝甲以及無裝甲防護車輛同重型裝甲車輛一樣倍受青睞。綜合效應戰斗部CEW(combined effects warhead)可以同時產生打擊重型裝甲的單個的EFP以及打擊輕型裝甲和無裝甲防護車輛的多爆炸成形彈丸(MEFP)，實現一彈多用的目的，具有重要的軍事意義。

CEW分為兩部分:常規EFP藥型罩居于中心，炸藥爆炸后形成單個的EFP;在其周圍有一圈小的藥型罩，形成 MEFP。Richard Fong[1]等人的研究表明，周圍有16個小藥型罩的CEW形成的MEFP不但可以對目標形成足夠的覆蓋，而且小EFP具有充足的質量以達到毀傷效果。但Richard Fong等人的研究中未考慮裝藥殼體的影響，MEFP成型不佳，所形成的是16個簡單破片，這必將影響其毀傷效果。目前，關于藥型罩的結構參數對CEW性能的影響規律，國內外鮮有研究報道。文中采用LS-DYNA軟件，首先通過加殼體以及在外沿加裝炸藥的方法使MEFP成型大大改觀，然后以藥型罩參數對毀傷元性能的影響為出發點，分析了壁厚對CEW性能的影響規律。可為實際研究及應用提供一些理論支持[2－5]。

1 CEW實體結構與仿真模型的建立

文中選用的CEW戰斗部是中間一個大藥型罩，周圍排列16個小藥型罩的戰斗部。實體模型如圖1。中間藥型罩為球缺形，曲率半徑為65mm，藥型罩底部口徑為80mm，周圍小藥型罩為圓錐罩，錐角120°，底部口徑為15mm。

為減小計算時間，建立四分之一模型，如圖2所示。其中炸藥為B炸藥，藥型罩材料為銅，殼體材料為45號鋼。EFP成型的影響因素是多方面的，為簡化計算，做出如下假設:

圖1 CEW戰斗部實體模型

1)藥型罩和殼體均為連續均勻介質;

2)不考慮重力影響。

仿真采用LS-DYNA軟件歐拉算法，在EFP飛行的整個空間覆蓋空氣網絡，并添加無反射邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。空氣采用流體模型，計算方程為線性多項式。炸藥選用B炸藥，采用材料模型HIGH_EXPLOSIVE_BURN和狀態方程JWL來描述其本構關系，主要材料參數為:ρ0=1.82×10－3g/cm3，D=8480m/s，Pcj=34.2GPa，E0=9.0GPa。藥型罩材料為銅，材料模型及狀態方程分別為JOHNSON_COOK、GRUNEISEN，主要材料參數:ρ=8.96 ×10－3g/cm3，G=50.9GPa。

2 數值模擬結果及分析

2.1 成型數值模擬

以大罩壁厚4mm，小罩壁厚2.5mm的CEW戰斗部進行成型數值模擬。仿真發現，在設計CEW戰斗部結構時，在外沿加一層裝藥，并采用有殼結構后，周圍小藥型罩的外沿實現了壓垮，形成了閉合完全的小EFP(與加裝殼體及外沿炸藥前的成型效果對比如圖3)。這是因為，外沿加一層裝藥后，增強了外沿的爆轟波壓力，改變了波形，使波陣面與罩母線的夾角減小，作用于罩面上的初始壓力提高。殼體的添加則使爆轟波在殼體壁面上發生反射，稀疏波減弱且進入推遲，從而使靠近殼壁(小藥型罩外沿)的爆轟能量增強，外沿的壓垮作用增強，以上兩方面的作用使小罩閉合趨于完全。藥型罩炸藥作用下未發生明顯的翻轉，這是因為對每個藥型罩而言裝藥口徑均大于藥型罩口徑，藥型罩在周圍炸藥爆轟作用下，藥型罩周邊材料不僅獲得軸向速度且獲得徑向速度，從而向對稱軸壓合匯聚的結果。

圖2 四分之一有限元模型圖

圖3 設置殼體及外沿炸藥前后CEW成型對比

圖4 不同壁厚藥型罩中心EFP速度云圖

研究發現，未考慮殼體及外沿裝藥之前MEFP的飛散角為14.62°，設置殼體及外沿裝藥后飛散角為5.766°。前者由于成型不好，形成的是16個破片，其迎風面積較后者大，飛行中所受空氣阻力大，速度衰減相應會很快，這就會大大降低它在遠距離上攻擊輕型裝甲的能力，但在仿真中未出現這種衰減規律，這是因為仿真為簡化模型，未考慮空氣阻力的影響;而后者飛散角小且成型也好，向前翻轉并匯聚為一顆顆密實的彈丸，5.766°的飛散角可以保證MEFP在100多口徑距離上仍具有很好的覆蓋密度，更有效的提高了命中率。周邊 MEFP速度此時已穩定，達到2253m/s，可用其攻擊輕型裝甲及無裝甲防護車輛。

2.2 藥型罩壁厚的影響

選取不同壁厚的藥型罩進行研究，中心大藥型罩壁厚 h1由1mm 過渡到4.5mm(增量0.5mm)，周邊小罩壁厚 h2在 1mm到 3.25mm之間變化(增量0.25mm)。

中心EFP速度穩定后，速度云圖如圖4所示(對于h1=3.5mm～ h1=5.5mm 5組EFP最終被拉斷，在此選取280μs時刻云圖)。

發現h1=1mm時，由于壁厚過小，在炸藥爆轟作用下藥型罩發生大面積崩落，使其喪失侵徹能力。1.5≤h1≤2mm時具有形成EFP的典型特征，發生明顯翻轉，產生了質量不小的崩落，并且隨壁厚增加形成的翻轉彈由碟形翻轉彈向柱形翻轉彈變化。壁厚在2.5mm到3mm之間時，EFP翻轉逐漸不明顯，這是由于隨著藥型罩壁厚的增加，其質量增大，在相同爆轟能量下，它的加速度必然降低，這使得藥型罩頂部還未完全翻轉的情況下藥型罩底部的質量在爆轟作用下向中心壓垮閉合，形成了柱形翻轉彈。壁厚不小于3mm時，最終有形成杵體彈的特征。

不同壁厚的計算結果如表1。v1為中心EFP頭部速度，v2為EFP尾部速度，Δv為EFP頭尾部速度差，L為EFP的長度，d為EFP的直徑，EFP長徑比為L/d。z為此時EFP尾部與原藥型罩底部距離。

由表1，隨著藥型罩壁厚的增大，EFP速度不斷減小，這是由于裝藥及爆轟方式等條件一定的條件下，由能量守恒定律可知，轉化為EFP的動能是一定的，隨著藥型罩壁厚的增加，其質量增大，由動能E=mv2/2，其速度勢必減小。

表1 不同壁厚藥型罩中心EFP計算結果

由表1，h1≤3mm所形成EFP的長徑比隨著壁厚的增加，長徑比逐漸增大，速度穩定時刻逐漸推遲，穩定時EFP與原藥型罩距離也相應增大。2.5mm≤h1≤3mm時形成了中心較密實的EFP，且穩定速度較高(2546m/s≤v≤2788m/s)，可對目標造成理想的毀傷效果。

h1≥3.5mm，EFP最終被拉斷，且速度高的部分占總體質量較小，由圖4的成型狀態結合表1中EFP頭尾部速度差，即可知此點。這是由于藥型罩質量進一步增大，加速度更小，而藥型罩底部向中心匯聚與中心速度梯度較小的質量有機結合在一起，形成質量較大的杵體，使得EFP翻轉極不明顯，而存在藥型罩向前壓垮，形成杵體彈的特征，由于后部速度梯度較小的杵體質量占整體質量很大的比例，最終EFP被拉斷，這將使EFP侵徹效果大大降低，基于杵體彈為長徑比較大的實心侵徹體的特征，可通過改變爆轟方式或添加隔板等措施進一步調整爆轟波形來改善其成型，如此可使其侵徹性能大大增強。

綜上，可選擇h1=3mm的中心藥型罩，此時EFP為中心密實的彈丸，且長徑比為3.52，速度為2546m/s，可對重型裝甲造成預期的毀傷效果。數值模擬結果表明，藥型罩存在一個最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有較高的速度、合適的長徑比、易于穩定飛行的外形。

不同壁厚的小藥型罩所形成MEFP的穩定速度及飛散角的變化規律如表2所示。h2為小藥型罩壁厚，v為MEFP穩定后速度，θ為飛散角。

由表2，隨著藥型罩壁厚的增加MEFP速度逐漸降低，此點由能量守恒定律可得。飛散角在5°到6°內變化，此飛散角可保證MEFP在100倍口徑炸高下仍具有較好的覆蓋密度。綜合MEFP速度及質量兩因素，可選擇h2=2mm，MEFP不僅速度較高，而且具有可觀的質量，保證了毀傷元毀傷效果的實現。

表2 不同壁厚藥型罩MEFP計算結果

3 結論

文中通過對CEW戰斗部進行成型數值模擬，得到了以下結論:

1)通過設置外沿裝藥和殼體，CEW戰斗部MEFP成型得到大大改觀，從而使飛行中的空氣阻力大大減小，增強了MEFP在遠距離上的毀傷效果。

2)設置外沿裝藥和殼體后，MEFP飛散角減小(5°≤θ≤6°)，使MEFP在一定距離上仍具有較好的覆蓋密度。

3)數值模擬結果表明，藥型罩存在一個最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有較高的速度、合適的長徑比、易于穩定飛行的外形。

4)數值結果表明，周邊藥型罩也存在一個合適的壁厚，在此壁厚下EFP質量及速度較為合適。

本研究中僅討論了壁厚對CEW戰斗部成型的影響，其他結構參數的影響有待討論。另外由于實際條件所限，沒有進行試驗驗證，這需要在以后的工作中完成。

[1]Richard Fong，Matthew Comstock，Henry Hsieh，et al.Combined effects warhead development[C]//25th International Symposium on Ballistics.Beijing，China，2010.

[2]李裕春，程克明.多爆炸成形彈丸技術研究[J].兵器材料科學與工程，2008，31(3):74 －76.

[3]李偉兵，王曉鳴，李文彬，等.藥型罩結構參數對多模毀傷元形成的影響[J].彈道學報，2009，21(1):19 －23.

[4]楊寶良，陳秀文，申孝立，等.不同起爆方式下MEFP戰斗部的數值模擬[J].彈箭與制導學報，2006，26(3):108－110.

[5]付璐，尹建平，王志軍，等.組合式MEFP戰斗部的正交優化設計[J].彈箭與制導學報，2011，31(6):73 －75.