曲率半徑對爆炸復合侵徹體性能的影響

韓陽陽，尹建平，陳 杰，孫家肖

(中北大學 機電工程學院， 山西 太原 030051)

橫向效應增強型侵徹體(penetrator with enhanced lateral effect，PELE)是一種基于新型毀傷機理的彈藥[1-2]，主要由彈體和內部低密度惰性裝填物組成。PELE擊中目標后，外殼侵徹靶板，惰性彈芯被擠壓在彈坑與外殼之間，彈芯所受壓力不斷升高，對外殼產生徑向作用力使周圍外殼膨脹，最終達到擴孔效果。目前PELE研究熱點主要集中在影響其橫向效應的填充材料、著靶參數以及彈靶參數上[3-5]。Paulus[6]等人對彈芯填充材料對PELE橫向效應影響進行了研究。姬鵬遠[7]利用數值模擬和實驗驗證相結合的方法，對PELE侵徹體侵徹靶板的過程進行了研究。張洪成[8]在 PELE的基礎上，提出了半預制破片PELE彈丸的概念，分析了刻槽深度和刻槽長度對內槽、外槽式半預制破片 PELE彈丸毀傷性能的影響。

因受橫向效應增強型侵徹體作用原理的啟發，在傳統戰斗部形成爆炸成型彈丸毀傷元基礎上，作者設計了一種外鋼內鋁新型復合戰斗部，旨在通過侵徹體的橫向效應達到增大開孔口徑，有效提高戰斗部毀傷效果。通過改變藥型罩的曲率半徑，研究其對戰斗部成型及終點毀傷效應的影響規律。

1 模型建立

1.1 戰斗部結構設計

戰斗部結構示意圖如圖1，為形成具有類似于PELE侵徹體毀傷機理的包覆式復合侵徹體，該戰斗部變壁厚藥型罩中間夾層部分材料選為鋁，外部罩材為鋼，兩罩之間不存在自由面。裝藥直徑D1為60 mm，裝藥長徑比H/D1為1，罩頂厚5 mm，罩底厚1 mm。

圖1 戰斗部結構示意圖

1.2 有限元模型的建立

根據戰斗部結構特點，運用Truegrid前處理軟件建立的復合戰斗部侵徹裝甲鋼的1/2有限元模型，如圖2所示。進行毀傷元侵徹鋼靶過程數值模擬研究時，起爆方式選取裝藥底端面中心點起爆，算法選取拉格朗日算法[4-5]，該算法簡單快速，能夠清晰地對材料邊界和界面的變化進行描述，所呈侵徹體的成型過程與現實實際情況非常接近。靶板尺寸為100 mm×100 mm×20 mm，炸高為6倍裝藥口徑。

圖2 戰斗部侵徹靶板有限元模型

1.3 料模型選擇及參數選取

炸藥采用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型、JWL狀態方程。藥型罩和靶板均采用*MAT_JONSON_COOK材料模型，*EOS_GRUNEISEN狀態方程。表1為戰斗部各部分材料基本參數。

表1 戰斗部材料基本參數

2 曲率半徑對侵徹體性能的影響分析

2.1 曲率半徑對復合侵徹體成型的影響

藥型罩曲率半徑是戰斗部設計的重要參數之一。在分析藥型罩曲率半徑的影響時，固定其他結構參數不變，在端部中心點起爆的情況下，數值模擬藥型罩外曲率半徑R為50～60mm(每種方案增加2.5mm)時復合侵徹體性能變化。毀傷元的終點效應與其接觸靶板時刻的狀態有直接關系，不同曲率半徑形成的侵徹體到達靶板時(炸高6倍口徑)成型狀態如圖3所示。

圖3 復合侵徹體著靶時成型狀態

由圖3可以看出：隨著藥型罩曲率半徑R的增大，戰斗部均形成了向前壓攏型的復合EFP。圖4、圖5表示EFP速度與長徑比分別隨曲率半徑變化曲線。可以得到：復合侵徹體的速度與曲率半徑近似呈反比關系；曲率半徑在50～52.5 mm時，曲率半徑的變化對形成的EFP長徑比影響較大，EFP長徑比隨著曲率半徑的增大而增大；曲率半徑在52.5～60 mm時，隨著藥型罩曲率半徑逐漸增大，EFP長徑比基本維持在2.1附近，變化不大。

2.2 曲率半徑對侵徹體毀傷效應的影響

圖6表示不同曲率半徑時，復合侵徹體對靶板的侵徹壓力云圖。分別取侵徹體剛開始著靶、剛開始穿透靶板以及完全貫穿靶板三個典型時刻進行對比分析。可以看出，復合侵徹體對靶板的侵徹主要有兩個明顯的作用區域：一是EFP對靶板正面的壓縮剪切區域；二是靶板背面材料的拉伸破壞區域。

復合EFP對靶板的侵徹孔徑隨著侵徹深度增加而增大，這是由于侵徹體內部為低密度材料，外部為高密度材料時，內外材料物理特性差異大，隨著復合EFP對靶板的侵徹，鋼材部分EFP受到靶板作用面積越來越大，所受壓力不斷增大，內部鋁材受到約束與壓縮，產生高壓，在此壓力作用下，外層的鋼材質毀傷元產生徑向膨脹，進而達到對靶板的擴孔，即橫向效應。

不同曲率半徑形成的毀傷元對靶板的侵徹效果仿真如圖7所示，曲線如圖8。曲率半徑R越大，侵徹體對靶板的侵徹入孔越小；復合罩形成的EFP對靶板侵徹的出孔直徑相對入孔直徑增加了12～23 mm；相同戰斗部結構，當藥型罩為銅時，曲率半徑對銅罩成型無影響；復合EFP對靶板的侵徹入孔直徑比銅材質EFP大4～8 mm，出孔直徑大10～22 mm。由因此設計的新型復合藥型罩戰斗部毀傷效果較普通純銅藥型罩戰斗部更好。

圖4 毀傷元速度隨外曲率半徑變化曲線

圖6 不同曲率半徑時靶板破壞過程

圖7 不同曲率半徑時靶板最終破壞效果(正視圖、1/2側視圖)

圖8 不同毀傷元對靶板侵徹結果曲線

3 結論

1) 不同曲率半徑的藥型罩形成的毀傷元均呈向前壓攏狀態，隨著曲率半徑逐漸增大，復合EFP速度逐漸減小，長徑比先增大然后幾乎保持不變。

2) 復合EFP對靶板的侵徹具有橫向效應。相比銅材質藥型罩，復合藥型罩對靶板侵徹的入孔直徑增大4～8 mm，出孔直徑大10～22 mm。

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[3] 王海福,殷藝峰,金學科,等.梯度密度彈芯材料PELE侵徹行為數值模擬[J].北京理工大學學報,2013.

[4] PEDERSEN B. PELE at hypervelocity[C].26th International Symposium on Ballistic.Miami,Florida,USA,12 -16 September, 2011:209-211.

[5] 朱建生,趙國志,杜忠華,等.著靶速度對PELE橫向效應的影響[J].力學與實踐,2007,29(5):12-16.

[6] PAULUS G,CHANTERET P Y,WOLLMANN E.PELE:A new penetrator-concept for the generation of lateral e ffects[C].Adelaide,Australia,2004(4)：19-23

[7] 姬鵬遠.侵徹膨脹彈終點效應數值模擬研究[D].北京:北京理工大學,2007.

[8] 張洪成.PELE對低空目標毀傷性能研究[D].太原：中北大學,2013.

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[10] LSTC inc.LS-DYNA Keyword user’s manual(Version 970) [M].北京:水利水電出版社,2008.