EPS泡沫密度對組合式MEFP戰斗部的隔爆性能研究*

池朋飛，曹 兵，史慶杰

(南京理工大學機械工程學院， 南京 210094)

0 引言

現代戰爭中，輕型裝甲在戰場上發揮了越來越大的作用，它具有速度快、靈活度高的優點。單個EFP戰斗部對于這類目標毀傷效果不佳，會造成過毀傷與打不中的結果。為了有效的應對這類目標，很多國家研發了多爆炸成形彈丸(MEFP)戰斗部，與單EFP戰斗部相比，一次起爆可以形成多枚彈丸，對目標進行大密度攻擊，提高了毀傷概率。

周翔[1]、付璐[2]等人對MEFP戰斗部發散角的影響因素進行了分析，研究表明，發散角與填充物密度、相鄰子裝藥間距以及同時起爆時差有關，填充物壓制密度越小、相臨裝藥間距越大，以及起爆時差越小都有利于減小彈丸的發散角。文中是基于固定的裝藥間距、固定的殼體、固定的藥型罩和裝藥，研究填充物EPS泡沫的密度對EFP彈丸成型狀態的影響。

1 組合式MEFP戰斗部結構

文中研究的組合式MEFP裝藥結構是建立在單個EFP的基礎上，將3個EFP通過填充介質組合在一起，主要由擋板、藥型罩、填充物、裝藥和殼體組成，圖1所示為MEFP戰斗部的120°旋轉剖視圖。

圖1 組合式MEFP戰斗部結構

2 數值模擬和結果分析

2.1 MEFP戰斗部計算模型和算法選擇

為了清楚地了解該組合式MEFP戰斗部的成型規律，文中用LS-DYNA 3D有限元計算軟件[3]對其成型過程進行了數值仿真，由于組合式MEFP裝藥結構的形狀具有幾何對稱性，因此選取1/2結構建立三維計算模型進行計算，子裝藥和藥型罩分別設置為同一個part，有限元部分計算模型如圖2所示。

圖2 組合式MEFP戰斗部部分有限元計算模型

由于炸藥爆炸產生大變形，如果采用拉格朗日算法，物質的扭曲會導致計算網格的畸形而使得計算無法進行導致計算失敗，而且拉格朗日算法很難模擬出相鄰炸藥爆轟波的碰撞疊加過程；若采用純歐拉算法，要對運動界面引入非常復雜的數學映射，導致較大誤差，邊界描述不清；因此計算中采用ALE算法[4]，運用流固耦合處理技術，其中炸藥、藥型罩、填充物、空氣采用歐拉算法，殼體和擋板采用拉格朗日算法，空區域邊界采用透射邊界，對稱面設置為對稱邊界。

2.2 材料模型

炸藥材料選用8701，選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程來描述它的爆轟作用過程[5]。空氣選用NULL材料模型和GRUNEISEN狀態方程；藥型罩材料為紫銅,選用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程[6]。殼體和擋板材料為鋁，采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程。填充物選用壓制EPS泡沫[7]，材料模型采用*MAT_SOIL_AND_FOAM，表1中列出了6種不同密度EPS泡沫的主要參數。EPS泡沫的本構模型需要輸入材料的應力應變曲線，見圖3。

表1 EPS泡沫參數

圖3 EPS泡沫不同密度應力應變曲線

3 數值仿真結果分析

圖4為組合式MEFP的成型過程，由圖4可知藥型罩從t=20 μs開始成型到t=100 μs完全成型，由于爆轟波[8]之間的相互疊加作用使得組合式MEFP中心的壓力增加,EFP緊臨中心一側會出現上翻現象，為了研究爆轟波疊加對組合式MEFP藥型罩成型過程的影響，對組合式MEFP中間填充不同密度的EPS泡沫進行了數值模擬。并從彈丸的姿態和發散角進行對比。

圖4 組合式MEFP成型過程

3.1 組合式MEFP戰斗部彈丸成型姿態

圖5為文中選取的參考標準，EFP彈丸的侵徹威力與彈丸的形狀、氣動性、著靶姿態密切相關。EFP彈丸對稱性的提高可以提高EFP彈丸的飛行穩定性，減小速度降，改善著靶姿態。將EFP彈丸的尾裙內外邊高度差作為參考，來分析EFP彈丸的對稱性，進而對EFP彈丸的穿甲威力進行對比。分別選取了采用不同密度泡沫時爆炸成形彈丸在80 μs、100 μs、120 μs、140 μs和160 μs的結果作對比，為了檢測EPS泡沫的吸能效應，把填充物去掉填充空氣做仿真進行對比。結果如圖6所示。

圖5 組合式MEFP戰斗部彈丸尾裙內外邊高度差

圖6 不同密度泡沫MEFP彈丸尾裙高度差變化趨勢

由圖6可以看出，在EPS泡沫密度低于0.04 g/cm3時，隨著泡沫密度的增加，MEFP彈丸尾裙高度差逐漸降低，即EPS泡沫吸收的能量逐漸增大。當EPS泡沫的密度大于0.04 g/cm3時，隨著泡沫密度的增加，MEFP彈丸尾裙高度差逐漸增加，即EPS泡沫吸收能量的能力隨著密度的增加而下降。由EPS泡沫的應力應變曲線，可以看出EPS泡沫的壓縮過程表現為線彈性階段、平臺段、致密段[9]，這3個階段決定了EPS泡沫吸收能量的能力，由仿真的結果可以看出EPS泡沫吸收能量的密度存在一個最佳值0.04 g/cm3，若密度太低泡沫材料吸收很少的能量就進入壓實段，導致在達到吸收限定能量之前就達到了很高的應力水平；若密度太大，在吸收限定能量時，其應力處于較低水平，材料吸能性能沒有得到充分發揮。

3.2 EFP彈丸發散角

圖7為組合式MEFP戰斗部填充不同密度聚苯乙烯泡沫時EFP彈丸的發散角，EFP彈丸的發散角指的是EFP彈丸的速度矢量方向與組合式MEFP戰斗部軸線的夾角。從圖中可以看出EFP彈丸發散角在EPS泡沫密度從0.02 g/cm3到0.04 g/cm3變化時逐漸減小，當泡沫密度大于0.04 g/cm3隨著泡沫密度的增加，EFP彈丸發散角也相應增大。產生這一趨勢的原因是爆轟波在EPS泡沫中傳播時壓縮泡沫，泡沫經過3個階段的變形吸收能量，前半段隨著泡沫密度的增加泡沫吸收的能量增加，后半段，隨著泡沫密度的增加泡沫過早的進入了致密段，泡沫吸收能量的階段提前結束，因此，隨著密度的增加吸收的能量卻在減少，發散角逐漸增大。

圖7 組合式MEFP戰斗部填充不同密度彈丸發散角

4 試驗及結果分析

4.1 試驗設置

為了驗證設計的組合式MEFP戰斗部能否產生預期的彈丸以及彈丸的侵徹能力，對其進行了地面靜爆試驗[10]。圖8為組合式MEFP戰斗部，試驗布局如圖9所示，組合式MEFP戰斗部與靶板的距離50 m。整塊靶板采用三腳架固定，并與地面保持垂直。組合式MEFP戰斗部中心線與靶板中心線處于同一水平面，采用瞄準儀瞄準靶板中心。試驗方案和結果見表2。

表2 試驗方案和結果

圖8 組合式MEFP戰斗部結構

圖9 試驗布局

4.2 試驗結果分析

由表2的試驗結果，可以看出彈丸的姿態對穿甲威力的影響較大，填充密度為0.04 g/cm3的試驗方案結果較好，其中1號戰斗部全部貫穿，2號戰斗部有一枚未擊穿，2發平均2.5枚的穿透率，相對于其它填充密度性能較好。圖10為MEFP戰斗部侵徹靶板試驗結果圖，由圖可知，該戰斗部按預期生成3枚彈丸，每一枚彈丸都能有效穿透給定距離上的給定靶板，彈丸的分散半徑約為0.6 m，與仿真結果較為符合，圖11為靶板的穿孔圖，從圖片可以看出穿孔形狀為規則圓形，表現為沖塞破壞[11]。由試驗結果可知該組合式MEFP戰斗部具有發散角較小，一次爆炸形成3枚彈丸，對50 m半徑的輕型裝甲具有良好的毀傷性能。

圖10 組合式MEFP侵徹靶板試驗結果

圖11 靶板穿孔圖

5 結論

綜合分析以上組合式MEFP戰斗部成型數值模擬[12]和試驗研究，有如下幾點結論：

1)組合式MEFP戰斗部通過填充EPS泡沫，降低了爆轟波之間的干擾，優化了EFP彈丸的形狀，能夠穿透給定距離上的給定靶板，發散角較小，提高了對目標的打擊毀傷概率。

2)通過數值模擬得到了EPS泡沫密度對組合式MEFP戰斗部中相鄰EFP的影響規律，研究表明密度為0.04 g/cm3的EPS泡沫能夠吸收較多的爆轟能量，降低爆轟波的相互干擾，密度太大或太小都不行。