起爆方式對周向MEFP戰斗部性能影響的數值仿真

宋 平,李文彬,王曉鳴,董曉亮,朱建軍

(南京理工大學 智能彈藥國防重點實驗室,江蘇 南京 210094)

周向多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed penetrators,MEFP)戰斗部起爆后能在戰斗部周向范圍內形成多個EFP毀傷元,大大提高對目標的毀傷概率。國內外對周向MEFP戰斗部的研究主要集中在不同結構參數和起爆方式對MEFP成型的影響。國外Fong等[1]將預控破片技術應用到MEFP戰斗部中,設計出了一種增強型周向聚焦MEFP戰斗部,可以通過改變戰斗部結構來控制MEFP的速度和空間分布規律,但文中并未提及具體的起爆控制方式。國內梁振剛等[2]、尹建平等[3]利用有限元軟件模擬研究了中心線起爆下不同藥型罩和戰斗部結構參數對MEFP成型的影響。楊寶良等[4]利用Ls-dyna軟件模擬了周向MEFP戰斗部在中心線和端面起爆方式下的成型過程。李鵬等[5]設計了一種偏心起爆周向MEFP戰斗部結構,并通過試驗對比研究了單點中心起爆和兩點偏心起爆條件下MEFP的速度、空間分布以及侵徹性能的差異。到目前為止,尚未有學者針對不同起爆方式對周向MEFP戰斗部性能參數的具體影響規律進行系統研究。

本文利用Ls-dyna對周向MEFP戰斗部在單點和多點起爆方式下的成型過程進行了數值模擬,重點對比研究了起爆點位置、數量以及起爆誤差對MEFP速度、飛散角以及成型的影響,為周向MEFP戰斗部的設計工作提供一定的參考。

1 數值仿真模型的建立

1.1 結構參數

周向MEFP戰斗部模型包括主裝藥、藥型罩、殼體以及空氣域。主裝藥為圓柱型結構,藥型罩共計40枚(8列×5層)。其中裝藥高度h=100 mm,裝藥直徑d1=48 mm;殼體壁厚δ1=2 mm;藥型罩口徑d2=15 mm,采用變壁厚球缺式設計,罩口壁厚δ2=2 mm。考慮到模型具有對稱性,為提高計算效率,采用與文獻[2-4,6-7]相同的仿真方法,使用1/4模型進行數值模擬,并在模型對稱面施加對稱約束,1/4模型如圖1所示(空氣域未顯示)。

圖1 有限元模型

1.2 算法及材料參數

為更好地模擬炸藥爆炸后藥型罩的成型過程,仿真采用流固耦合算法,炸藥和空氣域為Euler網格,藥型罩和殼體為Lagrange網格。藥型罩和殼體以及藥型罩內部設置單面自動接觸。

表1 炸藥材料參數

表2 藥型罩及殼體材料參數

表3 空氣材料參數

1.3 起爆方式設置

本文首先研究戰斗部中心線上起爆點位置、數量的改變對MEFP毀傷元性能的影響規律。首先在戰斗部軸線設置11個等間距點,由下至上依次編號為1,2,…,11,各點間距為10 mm,如圖2所示。通過11個點的不同組合,利用Ls-dyna數值模擬10種不同的起爆方式下MEFP的成型過程。綜合各仿真數據,分別研究單點起爆方式下起爆點高度以及多點起爆方式下的起爆點數量對MEFP毀傷元速度v、飛散角α的影響規律,具體起爆設置見表4和表5。

圖2 起爆點示意圖

表4 單點起爆結果

表5 多點起爆設置

2 計算結果與分析

2.1 起爆點高度對MEFP性能的影響

定義起爆高度hp為起爆點距1號點的距離。利用Ls-dyna對表4中6種起爆方式下毀傷元的成型過程進行仿真,起爆方式A1時毀傷元成型及飛散如圖3所示。選取對稱面上的一列共5個藥型罩為研究對象,其代號N分別為1,2,3,4,5,如圖4所示,進一步分析不同起爆工況下各層MEFP速度v和飛散角α的變化規律。

圖3 起爆方式A1的MEFP成型(t=30 μs)

圖4 藥型罩編號

圖5、圖6分別為起爆高度hp對MEFP速度及飛散角的影響。由圖5可知,隨著起爆高度的增加第1層MEFP的起爆半徑增大,其最大速度增益可達13.5%;起爆點位置由1變至6時,第2層MEFP的起爆半徑先減小后增大,因而速度先下降后升高,但總體變化不明顯;其余3層MEFP隨著起爆點高度的增加速度呈衰減趨勢。此外,當hp/h=0.5時,各層MEFP速度趨于一致,約為1 560 m/s。

圖5 hp對MEFP速度的影響

圖6 hp對MEFP飛散角的影響

分析圖6中的數據,起爆點高度增加使得各層MEFP飛散角減小。整體上看,起爆點從1點變至3點,毀傷元軸向飛散區域從-3.5°～+7.6°改變為-4.3°～+7.13°,其相對變化量為3.0%;起爆點從1點變至4點,毀傷元軸向飛散區域相對變化量為7.7%;起爆點從1點變至5點,毀傷元軸向飛散區域相對變化量為11.0%;起爆點從1點變至6點,毀傷元軸向飛散區域相對變化量為11.7%。因此,起爆點高度hp的增加使得各層MEFP毀傷元軸向飛散方向發生向下(方向由6點指向1點)偏移,并使毀傷元的散布角度增加。同時,受爆轟波和稀疏波的共同作用,單點起爆下第1層MEFP飛散角始終為負。

2.2 起爆點數量對MEFP性能的影響

對B1,C1,D1,E1這4種起爆方式下(見表5)MEFP成型過程進行數值分析,結合起爆方式A6,比較起爆點數量對MEFP速度v、飛散角α的影響。

圖7為不同起爆方式時爆轟波傳播特性。在多點起爆條件下,各點產生的爆轟波獨立傳播,并在其對稱位置發生包括馬赫碰撞在內的一系列碰撞過程從而形成多個高壓區,高壓區波陣面壓力較單點起爆有顯著提升。以起爆方式B1為例,2 μs時刻高壓區波陣面壓力為36.1 GPa,相較于起爆方式A6,壓力提升了36.7%。

圖7 2 μs時刻不同起爆方式時爆轟波傳播特性

如圖8所示,相對于起爆方式A6,采用起爆方式B1第2層、第3層、第4層毀傷元速度分別為1 694 m/s、1 720 m/s、1 695 m/s,其速度增益分別為8.1%,9.6%,8.2%。多點起爆條件下,相同時刻爆轟波能夠在藥型罩壁面上產生更大的驅動壓力,如圖9所示,從而使得戰斗部第2層、第3層、第4層MEFP的速度得到顯著提升。但對于裝藥兩端的MEFP而言,起爆點數量的增加對其速度提升效果不明顯,其主要原因是裝藥端部毀傷元在成型過程中受稀疏波的影響較為嚴重,使得最終速度降低。

圖8 起爆點數量對MEFP速度的影

圖9 3 μs時刻藥型罩壓力云圖

圖10 起爆點數量對MEFP飛散角的影響

此外,相較于起爆方式B1,采用E1起爆方式對第2層、第3層、第4層毀傷元的速度增益不足1%。其主要原因為:當起爆點數量繼續增加,爆轟波波陣面壓力逐漸趨于一個穩定的值。因此,中間3層MEFP的速度增益效果開始減弱。

由圖10可知,多點起爆方式能夠有效降低戰斗部中間3層毀傷元的飛散角;但對于裝藥端部MEFP而言,起爆點數量的增加對飛散角的影響并不明顯。同時,在不改變結構的前提下,繼續增加中心軸線上起爆點數量并不能減少因稀疏作用而產生的飛散角度。

2.3 起爆同步誤差對MEFP成型性能的影響

在起爆方式D1的基礎上研究起爆同步誤差對MEFP成型性能的影響。本文將對起爆同步誤差的研究簡化為順貫延遲起爆(D2)和間隔延遲起爆(D3)2種形式。其中,D2起爆次序為1—3—5—7—9—11;D3起爆次序為1—5—9—3—7—11。設置起爆延遲間隔為t,t分別取100 ns,300 ns,500 ns,1 000 ns,結果如圖11～圖14所示。

圖11 起爆方式D2起爆延時對MEFP速度的影響

圖12 起爆方式D2起爆延時對MEFP飛散角的影響

圖13 起爆方式D3起爆延時對MEFP速度的影響

圖14 起爆方式D3起爆延時對MEFP飛散角的影響

由圖11～圖14可知:當起爆延遲時間小于500 ns時,D2和D32種起爆方式下MEFP速度和飛散角同起爆方式D1相差并不明顯;而當延遲時間增加至1 000 ns,與起爆方式D1相比,起爆方式D2和D3下各層MEFP飛散角有明顯的增大。因此,在多點起爆條件下，小于500 ns的同步起爆誤差不會對MEFP的速度和飛散角產生明顯影響。

圖15為不同起爆方式MEFP的最終成型,其中D2和D3對應的起爆間隔時間為500 ns。相比單點起爆,采用多點起爆方式能夠獲得長徑比更高的MEFP毀傷元。但受端部稀疏效應和起爆同步誤差的影響,多點起爆時戰斗部端部MEFP成型較差;當起爆同步誤差以D3的形式出現時,各層MEFP成型更加不規則。

圖15 不同起爆方式的MEFP成型

3 結論

①對于周向多層MEFP戰斗部,采用軸線中心起爆能夠獲得各層速度差最小的MEFP毀傷元。

②受稀疏波影響,裝藥端部MEFP飛散角較大,速度較低。中心線多點起爆能夠有效提升中間3層MEFP的速度, 但對裝藥端部MEFP的速度增益不明顯。

③在中軸線多點起爆條件下,對于口徑大于48 mm的周向MEFP戰斗部,若起爆精度控制在500 ns以內,起爆同步誤差不會對MEFP的速度和飛散角產生明顯影響。