復合MEFP戰斗部侵徹性能及其后效的仿真研究

雷　鳴，辛長范，王東東

(中北大學機 電工程學院，太原　030051)

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復合MEFP戰斗部侵徹性能及其后效的仿真研究

雷鳴，辛長范，王東東

(中北大學機 電工程學院，太原030051)

為研究新型復合MEFP戰斗部在破甲武器中的應用，運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件， 采用多物質ALE流固耦合算法，對復合MEFP戰斗部侵徹體成型過程進行數值仿真計算，研究其侵徹體性能，并選擇靶板進行侵徹，分析侵徹性能及穿孔孔徑和毀傷范圍，最后以后效靶板進行驗證，綜合分析復合MEFP戰斗部的侵徹性能及后效影響；結果表明：該復合MEFP聚能戰斗部在起爆方式選取單點同時起爆時，形成互不影響的1個主EFP和4個輔EFP，可以同時侵徹靶板，提升侵徹性能；主、輔EFP侵徹鋼靶使孔徑增大，并且提升了戰斗部毀傷范圍；復合MEFP戰斗部后效作用明顯，侵徹后效靶板的孔徑為48 mm，大大提升了EFP戰斗部的毀傷性能。

多爆炸成型彈丸；數值模擬；輕型裝甲；目標毀傷

本文引用格式：雷鳴，辛長范，王東東.復合MEFP戰斗部侵徹性能及其后效的仿真研究[J].兵器裝備工程學報，2016(8):43-46.

多爆炸成型彈丸(MEFP)戰斗部由于其靈活多變的毀傷形式，使得它在軍事應用上極為廣泛，從而成為反裝甲武器中重要的戰斗部種類。MEFP戰斗部不僅可以應用于各種武器彈藥，可執行的任務包括反坦克、反裝甲、反混凝土目標和地雷裝備，也可用于防空、反艦、反潛等，在未來武器彈藥系統中的應用前景非常廣闊[1]。

吳國東[2]通過設置外沿裝藥和殼體，使一種軸向式CEW戰斗部的成型得以改善，使MEFP飛散角減小5°，增加了覆蓋密度，該戰斗部遠距離的毀傷效果得以大幅提升。尹建平[3]采用灰關聯理論對多爆炸成型彈丸性能參數進行了分析，在較少試驗樣本的條件下，獲得了各因素的主次關系，對參考序列成型EFP的速度，藥型罩錐角的影響最大，以后依次是裝藥直徑，裝藥高度，藥型罩壁厚和相鄰間距，在此基礎上優化MEFP戰斗部，使得EFP聚集性和毀傷性能大幅提升。臧立偉[4]對網柵切割式MEFP戰斗部技術進行了深入研究，設計了十字形、井字形、星形線形和中心圓環形4種不同類型的網柵，網柵間距增大、網柵金屬桿密度減小、寬度減小、炸藥爆速減小，可以減小發散角。中心圓環形網柵效果較好，圓環直徑取40～45 mm，起爆點在0.78倍裝藥口徑時成型效果理想，破片具有較高速度和良好的氣動力外形。

MEFP戰斗部旨在形成多個EFP彈丸，所以戰斗部設計成多罩組合或者單罩分割結構[5-10]，歸納起來主要有如下幾種技術途徑。復合MEFP戰斗部；變形罩MEFP戰斗部；多層串聯式MEFP戰斗部；刻槽半預制式MEFP戰斗部；網柵切割式MEFP戰斗部。

本文針對復合MEFP結構戰斗部進行研究，主、輔聚能裝藥均選用爆炸成型彈丸，對復合MEFP戰斗部成型過程進行數值模擬，分析其形成侵徹體的侵徹性能及后效影響作用。

1　復合MEFP結構及仿真模型

本文研究的可變形MEFP戰斗部有一個面朝前的中央主裝藥和四個圍繞戰斗部軸線放置的周邊輔助裝藥，實體模型如圖1所示。

等壁厚球缺罩形成的EFP綜合性能優越，所以復合MEFP戰斗部結構中選用此藥型罩結構，主、輔裝藥結構參數見表1。

表1　主、輔裝藥結構參數

圖1　復合MEFP戰斗部實體模型

本文數值模擬研究利用TrueGrid軟件作為前處理建立計算模型，通過TrueGrid軟件與LS-DYNA軟件的接口，將用TrueGrid軟件生成的模型文件導入LS-DYNA軟件中進行求解計算。由于結構的幾何形狀關于xoz平面和yoz平面對稱，同時為了節省計算單元，本文對此裝藥模型進行了簡化處理，利用TrueGrid軟件建立1/2有限元模型，見圖2。

圖2　主裝藥幾何模型和有限元模型(不含空氣域)

在數值模擬計算中，材料參數的選取直接影響到計算的精確性，不同的材料模型對材料的描述是不同的，這些區別都會影響仿真計算的結果。因此，選擇適當的本構模型及材料參數是保證結果準確的必要前提。藥型罩采用*MAT_ELASTIC_PLASTIC_SPALL材料模型和GRUNEISEN狀態方程，參數：密度9.86 g/cm3、聲速3 426 m/s、剪切模量125 GPa。炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、狀態方程態為JWL方程，選取炸藥為8701，參數取值：密度1.69 g/cm3、爆速8 425 m/s、爆壓30.4 GPa。空氣材料采用*MAT_NULL材料模型和EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程，空氣密度取1.293 g/cm3。

2　數值模擬結果與分析

2.1復合MEFP成型過程研究

當輔助裝藥與主裝藥呈90°，選擇起爆方式為各自單點同時起爆時，侵徹體成型過程如圖3所示。

圖3　復合MEFP戰斗部成型過程

由圖3和圖4可知，在40 μs時，主裝藥結構藥型罩翻轉成型，形成五個同向的EFP，其中主EFP速度為2 719 m/s，輔EFP速度為1 785 m/s，此時主EFP頭尾速度差為832 m/s，而輔EFP頭尾速度差幾乎為零，因此主EFP不斷被拉長，直到頭尾速度一致。在140 μs時，主EFP速度為 2 089 m/s，并以此速度穩定飛行。

圖4　EFP速度曲線

2.2復合MEFP侵徹鋼靶過程研究

為了研究復合MEFP對目標的侵徹性能，建立彈靶侵徹模型，選擇均質裝甲鋼作為靶板材料，厚度為50 mm，炸高在五倍裝藥口徑處，此時形成的侵徹體頭尾速度一致，以穩定的飛行狀態開始撞擊侵徹靶板。圖5為侵徹體侵徹靶板過程圖。

采用主輔裝藥各自單點同步起爆。從數值模擬結果中可以看到，在T=140 μs時，主EFP開始侵徹靜止的鋼靶，T=180 μs時刻，輔EFP開始撞擊靜止的鋼靶，同時主EFP穿透靶板，T=190 μs時刻，孔徑和深度都不再發生變化，侵徹過程結束。主EFP侵徹孔徑為54 mm，輔EFP侵徹孔徑為27.3 mm，毀傷范圍為87.5 mm，其中輔EFP侵徹過程中，靶板內部應力已經發生變化，此時的應力值為25.1 GPa，由此可知本文所研究復合MEFP毀傷能力不但可以提升毀傷范圍，還可以增加毀傷性能。最終靶板正面和背面毀傷效果見圖6。

圖5　復合 MEFP侵徹靶板過程

圖6　靶板毀傷結果

經過對比，輔助EFP侵徹所得彈坑深度有所增加，達到了48.98 mm，這是因為侵徹時主EFP侵徹對靶板產生后效，此時彈坑形成了半徑87.5 mm的散布，由此可以看出如果主、輔裝藥打開角小于90°，會形成更大散布，可用于攻擊集群目標；而當打開角大于90°，會產生匯聚，增大侵徹效果。

2.3復合MEFP后效作用研究

為了研究彈丸侵徹靶板后的毀傷能力，在靶板后添加后效靶，通過后效靶毀傷程度判斷爆炸成型彈丸的毀傷性能。后效靶在靶板后200 mm處，厚度為10 mm，材料為均質裝甲鋼，圖7為爆炸成型彈丸侵徹后效靶板過程圖。

由圖7可知，在200 μs時，主EFP貫穿靶板，此時速度為1 097 m/s，輔EFP由于速度較慢，未能貫穿靶板，只是在靶板四周形成1個直徑29 mm的彈坑。在210 μs時，主EFP到達后效靶板，開始對后效靶板進行侵徹，由于在侵徹鋼靶時貫穿了靶板，故此時的主EFP成分不僅由藥型罩材料構成，還包括了侵徹后附帶的鋼靶材料，因此使得侵徹靶板過程中消耗的EFP質量得以補充，并且相當于是主EFP侵徹鋼靶，鋼靶背部崩落形成破片，對后效靶進行毀傷。靶板崩落部分速度為493.2 m/s，與主EFP一同對后效靶板進行侵徹。

后效靶板穿孔孔徑為48 mm，與主靶板孔徑對比減少了6 mm，此時主EFP速度為668.4 m/s，還具有一定的毀傷能力。

3　結論

通過對復合MEFP戰斗部數值模擬分析，得出以下結論：該復合MEFP聚能戰斗部在起爆方式選取單點同時起爆時，形成互不影響的1個主EFP和4個輔EFP，可以同時侵徹靶板，提升侵徹性能；主、輔EFP侵徹鋼靶使孔徑增大，并且提升了戰斗部毀傷范圍；復合MEFP戰斗部后效作用明顯，侵徹后效靶板的孔徑為48 mm，大大提升了EFP戰斗部的毀傷性能。

[1]王志軍,尹建平.彈藥學[M].北京:北京理工大學出版社，2005.

[2]吳國東，董方棟.CEW戰斗部成型數值模擬[J].彈箭與指導學報，2013,33(1):107-113.

[3]尹建平，張洪成.多爆炸成型彈丸性能參數灰關聯分析[J].火力與指揮控制，2012,37(5)：43-50.

[4]臧立偉.網柵切割式MEFP戰斗部成型過程數值模擬研究[D].太原:中北大學，2014.

[5]范斌.一種三罩并聯MEFP戰斗部數值模擬研究[D].太原:中北大學，2012.

[6]李兵.聚能型戰斗部水中兵器毀傷研究進展[J].兵器裝備工程學報，2016,37(2):1-8.

[7]共田.步兵武器戰斗部的新發展[J].輕兵器，2005,32(16):8-12.

[8]吳國東,賈偉.新型環形切割器成型仿真及影響因素灰關聯分析[J].工程爆破，2012,18(1):20～23.

[9]朱傳勝，黃正祥.帶隔板中空裝藥的EFP成型研究[J].彈道學報，2013,25(1):18-24.

[10]劉健峰，龍源.不同藥型罩壁厚組合影響同軸EFP成型規律研究[J].工程爆破，2012,18(4):36-42.

[11]楊立強，史云暉，方向東，等. 基于不同方法的戰斗部剩余速度評估結果差異規律[J]．兵工自動化，2014(10)：40-43.

[12]張驥.高速侵徹戰斗部殼體材料動態力學性能研究 [J].四川兵工學報，2014(8):11-14.

[13]相升海， 徐文龍， 唐恩凌，等.刻槽式多爆炸成形彈丸對雙層有限厚鋼靶侵徹能力及后效研究[J]．兵工學報，2014(9)：1350-1355.

(責任編輯周江川)

Study on Numerical Simulation of Composite MEFP Performance and Afftereffect

LEI Ming, XIN Chang-fan, WANG Dong-dong

(School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

For studying novel complex of MEFP warhead in anti armour weapons applications, using finite element analysis software ANSYS/LS-DYNA, using ale multi material fluid solid coupling algorithm, the composite of MEFP warhead penetrating body forming process was applied to the numerical simulation to have the penetration performance research, and choose the target penetration, and analyze penetration performance and perforation aperture and the scope of damage, and finally effect target board for validation was verified to have comprehensive analysis of composite of MEFP warhead penetration performance and the afte reffect. Results show that the composite MEFP shaped charge warhead detonation mode selected single point simultaneous initiation, it formated mutual influence of a main EFP and four auxiliary EFP, which can also penetrating the target, and enhance the penetration performance, main and auxiliary EFP penetrating steel target so as to increase the aperture, and to enhance the damage range of warhead; composite MEFP warhead backwash has obvious effect, the penetration aftereffect of target plate aperture is 48mm, which greatly enhances the damage performance of EFP warhead.

MEFP; computer simulation; light armored targets; damage power

2016-02-02；

2016-03-25

中北大學研究生科技基金(20151202)

雷鳴(1990—)，男，碩士，主要從事兵器科學與技術研究。

10.11809/scbgxb2016.08.010

format:LEI Ming, XIN Chang-fan, WANG Dong-dong.Study on Numerical Simulation of Composite MEFP Performance and Afftereffect[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):43-46.

TJ410.33

A

2096-2304(2016)08-0043-04

【裝備理論與裝備技術】