曲率半徑對EFP成型及侵徹能力的分析研究

王更 柴艷軍 袁帥民 尹剛 陳興

摘 要：本文利用AUTODY-2D仿真軟件模擬了曲率變化對球缺罩侵徹能力的影響。仿真結果表明：隨著銅藥型罩曲率半徑不斷增大，聚能裝藥先形成聚能桿式射流侵徹體（JPC），然后又轉化成爆炸成型彈丸侵徹體（EFP）；侵徹體的平均速度隨著曲率半徑的增大而增大，但其長徑比先增大后降低；侵徹體在三倍炸高處侵徹均質裝甲的深度隨曲率半徑的增大呈現出先增大后減小的趨勢。

關鍵詞：曲率半徑；JPC；EFP ；藥型罩；數值模擬

引言

在聚能裝藥形成射流侵徹目標的過程中，藥型罩結構起到關鍵的作用。在相同的裝藥條件下，不同結構的藥型罩形成的射流侵徹能力也有較大差別。王雪飛等[1]模擬了曲率半徑具有PELE效應的EFP成型影響的分析，得到了EFP侵徹靶板橫向擴孔以及二次毀傷的最佳藥型罩結構。郭鵬飛等[2]通過仿真研究了弧錐結合形鉭罩結構參數對EFP成型及侵徹性能的控制，得到了侵徹性能最佳的藥型罩結構參數。韓陽陽等[3]研究了曲率半徑對爆炸復合侵徹體性能的影響，得出復合EFP對靶板的侵徹具有橫向效應等規律。而在球缺藥型罩壓垮形成EFP的過程中，曲率半徑和壁厚起到主要的作用，藥型罩壁厚不僅影響EFP的速度而且還影響EFP的長徑比變化，李裕春等[4]通過數值模擬和實驗相結合的方法研究了曲率半徑對EFP成型的影響，得出曲率半徑的增大對EFP速度的影響程度不大，但對其長度和形狀有較大形狀有較大影響。周棟等[5]研究了曲率半徑和壁厚對EFP成型性能的影響，結果顯示隨著曲率半徑的增大，EFP長徑比越來越小，且影響顯著。

本文利用AUTODYN-2D仿真軟件模擬不同曲率半徑對侵徹體成型以及侵徹能力的影響，得出一些基本規律，為聚能裝藥設計工作提供一些參考。

1.數值模擬

1.1 裝藥結構設計

為了研究曲率半徑變化對侵徹體成型以及侵徹能力的影響，設計了裝藥長徑比為1，裝藥口徑為80mm，藥型罩壁厚為2mm的聚能裝藥，藥型罩外曲率半徑最小為40mm，內曲率半徑最小為38mm，靶板為均質裝甲，炸高為三倍炸高，曲率半徑按外曲率半徑以0.1倍逐漸增加。下圖1為聚能裝藥結構設計剖面圖。

1.2 數值模型的建立

由于裝藥結構具有對稱性，為減小計算量，采用1/2結構建立聚能裝藥模型。其中空氣、炸藥、銅以及均質裝甲材料統一使用AUTODYN-2D軟件材料庫自帶的材料參數，空氣、炸藥和銅使用ALE網格建模，靶板采用lagrange網格建模，邊界定義為流出邊界條件防止壓力在邊界的反射。其中空氣為理想氣體模型，炸藥采用HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型和JWL狀態方程，銅材料采用Steinberg模型和Gruneisen方程，靶板采用John-Cook模型和Gruneisen方程描述。有限元模型采用mm-mg-ms為單位進行建模，其有限元模型如圖2所示。

2.數值模擬結果與分析

2.1 曲率半徑對侵徹體形態的影響

炸藥經端面中心點起爆后迅速形成爆轟波并壓垮藥型罩，藥型罩頂端翻轉形成侵徹體向前運動。當藥型罩外曲率半徑為40mm時，從下圖3藥型罩經壓垮形成侵徹體的過程中可以看出，初期（圖（b）所示），藥型罩經過翻轉形成短粗的EFP，然后在繼續向前運動的過程中由于頭尾存在速度差形成了桿式射流（圖3（c）、（d）、（e）和（f）所示）。聚能桿式射流運動到4倍炸高處時（圖3（e）所示），開始發生頸縮形成顆粒型的射流粒子并發生斷裂。在運動到5倍炸高處時，聚能桿式射流發生明顯的斷裂現象（圖3（f）所示）。由仿真結果顯示，聚能桿式射流在發生斷裂時，頭部速度在3100m/s左右，尾部在100m/s左右。可以看出頭尾速度相差較大，導致EFP在拉伸的過程中形成了聚能桿式射流。

當藥型罩外曲率半徑為64mm時，藥型罩經壓垮翻轉形成的侵徹體發生明顯的變化。由下圖4可以看出，藥型罩初期經翻轉形成EFP，并且EFP中心空腔經壓縮逐漸縮小，變成密實的EFP侵徹體。由圖4（d）、（e）和（f）可以看出，EFP侵徹體經過進一步向中心軸線壓縮中心空腔幾乎不可見，可以認為是形成了帶有空腔的聚能桿式射流，也可認為是桿式射流。并且頭尾速度差進一步減小，頭部在3000m/s左右，而尾部速度在1900m/s左右。

當藥型罩外曲率半徑為72mm時，由下圖5可以看出，初期，藥型罩形成了明顯的EFP侵徹體（圖5（b）、（c）和（d）所示）。隨著EFP在運動的過程中由于頭尾速度差值的存在，EFP繼續拉長，頭尾速度差值逐漸減小（頭部在3000m/s左右，而尾部速度在2300m/s左右），最終形成了頭尾直徑基本一致的桿式EFP侵徹體（圖5（e）（f）所示）。

當藥型罩外曲率半徑為88mm時，由下圖可以看出藥型罩經翻轉形成了典型的EFP侵徹體。由模擬結果可知，頭尾速度差值進一步減小，（頭部在3000m/s左右，而尾部速度在2500m/s左右）。

2.2 曲率半徑變化對侵徹體長徑比和速度的影響

保持其他條件不變，通過仿真數據對不同曲率半徑下藥型罩形成的侵徹體的長徑比和速度等有關數據進行了統計（表1中的數據是侵徹體運動到三倍炸高處時得出的數據）。

從上表數據可以看出，隨著曲率半徑的逐漸增大，形成的侵徹體形態也發生變化。當曲率半徑小于64mm時，球缺藥型罩形成了聚能桿式射流（JPC），當曲率半徑大于64mm時，形成了EFP侵徹體。由于侵徹體頭部速度變化不大，而尾部速度逐漸增大，在初始階段，由于頭尾速度相差較大，導致形成的侵徹體長徑比逐漸增大，隨著頭尾速度差越來越小，導致侵徹體長徑比又逐漸下降。由于頭部速度基本保持不變，而尾部速度逐漸增大，導致侵徹體平均速度逐漸增大。

2.3曲率半徑對侵徹體侵徹能力的的影響

在距離裝藥口部240mm處放置一塊均質裝甲，模擬不同曲率半徑形成的侵徹體侵徹能力的大小。圖7為聚能裝藥侵徹靶板有限元模型圖。

高速運動的侵徹體撞擊靶板并進行侵徹穿深，經過一段時間后，侵徹體在靶板上侵徹終止。由于不同曲率半徑形成的侵徹體形態不同，速度亦不同，導致侵徹體在靶板上的侵徹穿深亦不同。下表為不同曲率半徑形成的侵徹體的穿深情況。

從表2可以看出，隨著曲率半徑的增加，侵徹深度先增加后下降，當外曲率半徑為48mm和56mm時侵徹深度達到最大，為106mm。隨著曲率半徑的繼續增加，侵徹體由桿式射流向EFP轉變導致侵徹深度逐漸下降。從平均速度和動能數據可以看出其各自的數值相差不大，但由于EFP侵徹體是中空結構，質量在中心軸線上不集中，導致侵徹的深度逐漸下降。

3結論

（1）相同裝藥條件下，隨著曲率半徑的逐漸增大，球缺藥型罩先形成聚能桿式射流侵徹體（JPC），然后又轉化成爆炸成型彈丸侵徹體（EFP）；并且侵徹體長徑比呈現先增大后降低的趨勢。并在外曲率半徑為56mm時長徑比達到最大值6.56。

（2）在相同的裝藥條件下，不同曲率半徑的球缺罩形成的侵徹體在三倍炸高處侵徹均質裝甲的深度隨曲率半徑的增大呈現出先增大后減小的趨勢。并在外曲率半徑為48mm和56mm時達到最大的侵徹深度106mm。

參考文獻：

[1]王雪飛，尹建平，孫加肖.曲率半徑對具有PELE效應的EFP成型分析[J].彈箭與制導學報.2017（05）：1-9.

[2]郭鵬飛，李偉兵，李文彬等.鉭罩結構參數對EFP成型及侵徹性能的控制[J].高壓物理學報.2018（03）：96-103.

[3]韓陽陽，尹建平，陳杰等.曲率半徑對復合爆炸侵徹體性能的影響[J].兵器裝備工程學報.2018（01）：58-61.

[4]李裕春，楊萬江，沈蔚.藥型罩曲率半徑對爆炸成型彈丸參數的影響[J].火工品，2003（01）：45-48.

[5]周棟，王志軍，吳國棟.曲率半徑和壁厚對EFP成型性能的影響[J].華北工學院學報，2004（11）：939-941+965.