新型環(huán)形EFP垂直侵徹靶板數(shù)值模擬＊

樊龍龍 賈 偉

（1.太原市10號信箱 太原 030027）（2.66352部隊 北京 101508）

1 引言

艦船通常會利用其體積大、縱深大的特點安裝多層大間隙薄裝甲［1］，使得反艦戰(zhàn)斗部形成的高速射流在經(jīng)過間隙時拉斷，起不到深度侵徹的作用。爆炸成型彈丸因具有對炸高不敏感的特性，在以艦船為攻擊目標時使用較為廣泛。環(huán)形爆炸成型彈丸可在目標上侵徹出環(huán)形孔洞，更有利于后級繼續(xù)侵徹。

國內外一些學者對環(huán)形裝藥技術進行了深入的研究。文獻［2］中提出的環(huán)形裝藥結構可在3倍炸高處侵徹出0.75倍裝藥口徑的環(huán)形孔洞；文獻［3］將環(huán)形藥型罩設計成鐮刀形狀并進行了實驗研究，證實該結構能在2.5倍炸高處形成直徑大于裝藥口徑的環(huán)形EFP；文獻［4］通過數(shù)值模擬和實驗研究證明環(huán)形射流在小炸高的前提下具有良好的侵徹能力。本文在前人對環(huán)形EEP研究的基礎［5～8］上，利用一種截面為弧錐結合形的新型環(huán)形裝藥結構［9］，對形成的環(huán)形EFP侵徹多層間隔靶進行數(shù)值模擬，研究其侵徹特性。

2 新型環(huán)形EFP的形成

新型環(huán)形EFP由截面為弧錐結合型的變壁厚藥型罩形成，設計裝藥結構時，以文獻［4］中形成高質量環(huán)形EFP前提條件為參考依據(jù)。綜合考慮影響侵徹體成型各因素，設計出一種截面呈弧－錐形的環(huán)形藥型罩，其結構如圖1所示。

圖1 藥型罩結構簡圖

圖2 裝藥結構簡化示意圖

環(huán)形藥型罩由兩部分組成，頂部為環(huán)球缺，口部為環(huán)錐，中間采用光滑過渡。罩參數(shù)有切割半徑R、圓弧曲率半徑r、錐角A、罩頂厚度d、罩截面內直徑c。將環(huán)形裝藥結構進行合理簡化，簡化后的裝藥結構包括藥型罩、炸藥和殼體三部分，如圖2所示。

圖3 頭、尾軸向速度曲線

圖4 頭、尾徑向速度曲線

選用LS－DYNA求解器，采用環(huán)形起爆的方式對裝藥結構進行仿真計算，將罩體上任意微元任意時刻的速度分解為軸向和徑向兩個速度分量。分別取EFP頭部和尾部作為研究對象，圖3為EFP頭部各時刻軸向速度曲線，圖4為EFP尾部徑向速度曲線。圖5為弧－錐罩形成的環(huán)形EFP在80μs時刻的形態(tài)。

圖5 弧－錐形藥型罩80μs時刻形成的EFP形態(tài)

3 船側舷防護模型

圖6 艦船舷側防護結構示意簡圖

艦船舷側防護通常采用多層板架結構，一般由外板、空艙、液艙組成。由外至里依次為外板（雙層）、第一層空艙、液艙、第二層空艙，如圖6所示［10］。

為簡化計算模型，將舷側防護結構等效為多層間隔靶板，材料選取 HY100鋼，采用 MAT＿PLASTIC＿KINEMATIC本構方程。除靶板外，侵徹模型還包括炸藥、藥型罩、空氣、殼體等四種材料，其選取材料與之前侵徹體成型仿真一致。

表1 靶板材料參數(shù)（單位制：mm－ms－kg－Gpa）

圖7 前級環(huán)形聚能裝藥垂直侵徹靶板模型

在結構參數(shù)方面，藥型罩曲率半徑選取24mm，錐角選取125°，罩 頂 厚 度 選 取2mm，裝藥高度選取50mm，殼體厚度選取2mm。靶板為多層結構，第一層放置于距裝藥底端300mm，即4倍切割半徑處，厚度為8mm。第二層靶板距第1層30mm，厚度為8mm；第三層靶板厚20mm，距第2層30mm；第四層靶板厚25mm，距第三層500mm；第五層靶板厚25mm，距第四層500mm。仿真采用流固耦合算法，靶板和殼體采用拉格朗日固體模型，空氣、炸藥和藥型罩選用流體模型。靶板對稱面施加對稱約束條件，非對稱面施加邊界無反射條件，長和寬均取500mm，其中前三層與空氣單元網(wǎng)格重合，計算模型如圖7所示。

4 垂直侵徹計算

環(huán)形起爆形成的侵徹體在80μs時姿態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，164μs時開始侵徹靶板，這兩個時刻侵徹體所對應的形態(tài)如圖8所示。80μs時侵徹體長細比好，圍裙較明顯，在空中飛行距離為141mm。164μs時侵徹體在空中飛行距離達到299mm，過程中由于受到自身速度梯度以及空氣阻力的影響，侵徹體長細比產(chǎn)生變化、截面長度變小，物質向圍裙部有少量靠攏，但形態(tài)變化不顯著。兩個時刻EFP的軸向速度分別是1874m／s和1868m／s，即侵徹體在飛行過程中速度變化不大。兩個時刻EFP的徑向速度分別是4m／s和－1m／s，即侵徹體在切割靶板前基本保持豎直飛行狀態(tài)。

EFP對靶板的侵徹時間從164μs～280μs，期間將前兩層靶穿透，在第三層靶開孔8mm深。在模擬環(huán)形EFP侵徹靶板過程中觀察到，整個過程中伴隨靶板和侵徹體的碎片飛濺，侵徹體對前兩層靶板的破壞方式主要為擠壓和剪切方式，此時侵徹體速度較高，靶板變形撓度較小。侵徹體對第三層靶板的破壞方式主要為擠壓方式，侵徹完畢時，孔洞底部留有侵徹體殘片。圖9為環(huán)形EFP侵徹3層靶板對應侵徹體變形及靶板開孔情況。

圖8 兩種時刻對應1／4侵徹體形態(tài)

圖9 侵徹體變形及靶板開孔情況

從仿真結果中讀取在侵徹靶板過程中侵徹體的速度、質量變化值，如表2所示。164μs～181μs，環(huán)形EFP穿透第一層靶板。穿靶前速度為1868m／s，穿靶后速度為1375m／s，即EFP速度損失了26%；穿靶前質量為0.304kg，穿靶后質量為0.301kg，即EFP質量損失了1%。因為觸靶前，侵徹體速度高、形狀完整，穿孔呈現(xiàn)整齊、規(guī)則圓環(huán)形狀，內環(huán)半徑為66.64mm，外環(huán)半徑為83.39mm，即孔寬為16.75mm。191μs～216μs，環(huán)形EFP穿透第二層靶板。穿靶后速度降為1002m／s，即EFP速度已損失46%；穿靶后質量剩余0.172kg，即質量已損失掉43%；因侵徹體在穿透第一層靶板后，速度下降、形態(tài)發(fā)生改變，致使二層靶穿孔圓環(huán)形狀不規(guī)則，最窄位置孔寬13.64，最寬位置孔寬16.72mm。232μs～280μs，環(huán)形EFP侵徹第三層靶板。穿靶后速度降為0，殘余碎片質量約為0.06kg，靶板穿孔呈現(xiàn)不規(guī)則圓環(huán)形狀，最窄位置孔寬10.92mm，最寬位置孔寬16.68mm。

表2 EFP侵徹靶板過程各時刻對應速度、質量

根據(jù)表中數(shù)據(jù)擬合速度變化曲線和質量變化曲線，如圖10、圖11所示。

圖10 速度變化曲線

圖11 質量變化曲線

由速度曲線看出，侵徹體速度呈階梯式下降，三個下降階梯分別對應了EFP對第一、二、三層靶板的侵徹階段，曲線中平緩部分對應侵徹體在相鄰靶板之間飛行階段，250μs過后侵徹體速度嚴重不足，在第三層靶板的坑洞中速度降為0。由質量曲線看出，侵徹體在190μs～210μs區(qū)間，即穿透第二層靶板過程中質量損耗較大。在對第三層靶板侵徹完畢后，約0.062kg侵徹體殘片遺留在坑洞中。

5 結語

1）截面呈弧－錐形的變壁厚環(huán)形藥型罩在炸藥爆轟作用下能夠形成形態(tài)穩(wěn)定的環(huán)形EFP侵徹體，在66μs時即達到穩(wěn)定狀態(tài)，且具有良好的斷面密實度和較強的侵徹能力。

2）形成的環(huán)形EFP在空氣中能夠長距離穩(wěn)定飛行，形態(tài)變化不顯著，有利于保持侵徹效果。

3）垂直侵徹過程中，侵徹體將前兩層靶板穿透，對第三層靶板開孔深度約8mm，孔外半徑達83.39mm。

4）侵徹體速度呈階梯式下降，在切透第二層靶板時質量損耗最大；對第三層靶侵徹效果降低，殘余侵徹體留在第三層靶的坑洞中。

［1］徐雙喜.大型水面艦船舷側復合多層防護結構研究［D］.武漢：武漢理工大學，2010：3－10.

［2］M C Chick，Bussell T J.Development of a coolie－cutter explosively formed projectile［C］／／17th ISB，1998：167－174.

［3］Meister J，Haller F.Experimental and numerical studies of annular projectile charges［C］／／19th ISB，2001：575－581.

［4］吳成，曾艷春，張向榮，等.環(huán)形聚能藥型罩的設計新方法與實驗［J］.北京理工大學學報，2007，27（4）：291－294.

［5］LU Xiaochun，ZHANG Yongxing，DING Jinfeng.Experimental Investigation of Dynamic Facture Toughness of 35CrMnSiA Steel［J］.Journal of University（NSEE），2003，16（4）：363－366.

［6］林加劍，任輝啟，沈兆武，等.應用灰色系統(tǒng)理論研究爆炸成型彈丸速度的影響因素［J］.彈箭制導學報，2009，29（3）：112－116.

［7］尹建平，付璐，王志軍，等.藥型罩參數(shù)對EFP成型性能影響的灰關聯(lián)分析［J］.解放軍理工大學學報，2011，13（1）：101－105.

［8］董永香，馮順山，段相杰.彈丸斜侵徹多層金屬間隔靶特性研究［J］.中北大學學報（自然科學版），2010，31（3）：221－226.

［9］賈偉，吳國東，王志軍，等.藥型罩結構對環(huán)形爆炸成型彈丸形成的影響［J］.爆破器材，2011，40（6）：8－11.

［10］蔡金志.艦船舷側防護結構在水下爆炸載荷作用下的破壞研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007：13－17.