反坦克子雷雙向EFP成型及侵徹模擬

董理贏，王志軍，湯雪志，王少宏,董方棟

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051; 2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102202)

反坦克子雷具有阻滯并摧毀敵方坦克、裝甲車(chē)輛等目標(biāo)，有效保護(hù)我方陣地的優(yōu)點(diǎn)，因此，開(kāi)展反坦克子雷的研究是非常必要的。如丁一[1]介紹了一種空心裝藥結(jié)構(gòu)的AT-Ⅱ型單向反坦克地雷，其有效作用給敵軍裝甲目標(biāo)造成嚴(yán)重破壞；徐原[2]介紹了新式雙向反坦克地雷，也采用了空心裝藥結(jié)構(gòu)，來(lái)最大程度毀傷裝甲目標(biāo)；陳智剛等[3]用鋼藥型罩研究了雙向反坦克子雷的成型及侵徹性能，得到子雷的極限侵徹厚度；賈光輝等[4]研究了中心開(kāi)孔單向EFP(Explosive Formed Projectile)成型的影響規(guī)律；由于藥型罩材料較多，當(dāng)材料變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此，有必要研究其他材料以及中心開(kāi)孔與無(wú)孔結(jié)構(gòu)藥型罩對(duì)雙向EFP成型的影響規(guī)律。

本文研究了一種裝藥長(zhǎng)徑比小于1的新型中心開(kāi)孔紫銅藥型罩，通過(guò)不同的藥型罩曲率半徑和壁厚對(duì)EFP成型和侵徹靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了中心開(kāi)孔藥型罩曲率半徑和壁厚對(duì)EFP成型變化規(guī)律，模擬結(jié)果對(duì)工程應(yīng)用和機(jī)理研究具有參考價(jià)值。

1 有限元模型與仿真參數(shù)

1.1 中心開(kāi)孔子雷雙向EFP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在提高布雷火箭彈的威力時(shí)，應(yīng)滿足EFP的極限穿透坦克底甲的厚度(30 mm)，再增加子雷的數(shù)量和威力。由于坦克底甲距地面較近，需要EFP成型較快，因此本文在藥型罩中心開(kāi)孔來(lái)減少EFP成型時(shí)間[5-7]，采用中心起爆方式，等壁厚球缺藥型罩，裝藥長(zhǎng)徑比L/D=0.75，裝藥直徑D=120 mm，裝藥高度L=90 mm，藥型罩中心開(kāi)孔直徑H=0.14D，殼體壁厚t=0.06D。影響EFP成型不僅有裝藥結(jié)構(gòu)、炸藥性能、形狀和幾何尺寸，還有藥型罩材料、形狀、尺寸和起爆方式等，當(dāng)這些量一定時(shí)，球缺罩的壁厚和曲率半徑是影響EFP長(zhǎng)徑比的主要因素[8-10]。因此本文通過(guò)取不同的藥型罩壁厚δ和曲率半徑R來(lái)得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使經(jīng)濟(jì)與性能達(dá)到最大化。圖1為CAD軟件建立的帶弧度雙向扁平裝藥結(jié)構(gòu)二維幾何模型，圖2為采用TrueGrid軟件建立的二維有限元模型。

圖2 帶弧度雙向扁平裝藥結(jié)構(gòu)二維有限元模型

1.2 材料參數(shù)的選擇

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用cm-g-μs單位制。殼體材料選用STELL 1006，藥型罩材料為CU-OFHC，靶板材料為STELL 4340，材料模型為JOHNSON_COOK，此模型定義屈服應(yīng)力為：

(1)

其中

(2)

Mie-GRUNEISEN狀態(tài)方程能夠很好的描述絕大多數(shù)固體材料在沖擊載荷下的熱力學(xué)行為，其表達(dá)式分材料受拉和受壓兩種情況進(jìn)行計(jì)算：

材料壓縮時(shí)的狀態(tài)方程為：

(3)

材料拉伸時(shí)的狀態(tài)方程為：

P=ρ0c2μ+(γ0+αμ)E

(4)

式中，S1、S2、S3是D-μ曲線的系數(shù)，γ0為Gruneisen系數(shù)，α是γ0的一階修正。在計(jì)算中所用到的殼體、藥型罩、靶板的材料參數(shù)值如表1所示。

表1 殼體、藥型罩、靶板材料參數(shù)

表1中ρ、G、σy、Et、β分別為殼體的密度、剪切模量、屈服應(yīng)力、硬化常數(shù)、硬化系數(shù)。

炸藥采用COMP B，材料模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程為JWL(Jones-Wilkins-Lee)方程，一般壓力形式方程式為：

(5)

式中，E=ρ0e為單位初始體積的內(nèi)能；A，B，R1，R2，ω等是由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。在計(jì)算中所用到的炸藥的材料參數(shù)值如表2所示。

表2 炸藥材料參數(shù)

表2中、Dv、P、Ev分別為炸藥的密度、爆轟速度、Chapman-Jouget的壓力、初始相對(duì)體積。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 中心開(kāi)孔雙向EFP成型過(guò)程模擬

本文采用有限元軟件LS-DYNA對(duì)雙向EFP成型及侵徹靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的曲率半徑R和藥型罩壁厚δ來(lái)獲得最優(yōu)的中心開(kāi)孔成型雙向EFP，取藥型罩曲率半徑R=1.0D，厚度δ=0.06D時(shí)，中心開(kāi)孔雙向EFP成型過(guò)程如圖3所示。

圖3 雙向EFP成型過(guò)程

通過(guò)圖3可知，0～30 μs時(shí)，藥型罩壓垮速度緩慢，30～60 μs時(shí)，藥型罩壓垮速度快，初步形成EFP，100～150 μs時(shí)，EFP基本成型并趨于穩(wěn)定。圖4為雙向EFP在150 μs時(shí)的速度云圖。

通過(guò)圖4可以看出雙向EFP在150 μs時(shí)，EFP速度在1 400 m/s以上，且首尾速度相差不大，雙向EFP基本成型。

圖4 雙向EFP速度云圖

2.2 藥型罩曲率半徑對(duì)EFP成型的影響

首先考慮曲率半徑對(duì)EFP成型的影響，為了控制變量，保持藥型罩壁厚δ=0.06D、開(kāi)孔直徑H=0.14D等基本參數(shù)不變，改變藥型罩曲率半徑R的大小。作出EFP速度、頭部直徑、尾部直徑、長(zhǎng)度隨曲率半徑的變化，如表3所示。

表3 150 μs時(shí)EFP性能參數(shù)值

根據(jù)表3可以看出，藥型罩曲率半徑從0.6D增加到1.3D時(shí)，EFP速度、頭部直徑、尾部直徑不斷上升，EFP長(zhǎng)度下降，但總體變化不大。得出EFP長(zhǎng)徑比變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 EFP長(zhǎng)徑比隨藥型罩曲率半徑變化規(guī)律

通過(guò)圖5可以看出，曲率半徑取0.7D和0.8D時(shí)，成型效果不佳，因此選用了0.9D和1.0D，再考慮能侵徹坦克底甲的情況下，能夠形成較大的侵徹直徑，選擇了1.0D的曲率半徑。

2.3 藥型罩壁厚對(duì)EFP成型的影響

再考慮藥型罩壁厚對(duì)EFP成型的影響，為了控制變量，保持藥型罩曲率半徑R=1.0D、開(kāi)孔直徑H=0.14D等基本參數(shù)不變，改變藥型罩壁厚δ的大小。作出EFP速度、頭部直徑、尾部直徑、長(zhǎng)度隨壁厚變化，如表4所示。

根據(jù)表4可以看出，藥型罩壁厚不斷增大時(shí)，EFP速度急速下降、EFP長(zhǎng)度下降緩慢，EFP頭部直徑、EFP尾部直徑上升緩慢。得出EFP長(zhǎng)徑比變化規(guī)律如圖6所示。

通過(guò)圖6可以看出，在曲率半徑為1.0D的情況下，藥型罩厚度為0.03D時(shí)，EFP長(zhǎng)徑比最大，但EFP成型效果不佳，易出現(xiàn)斷裂情況。所以選取了0.045D和0.04D所形成的中心開(kāi)孔雙向EFP成型效果較好，在滿足能夠侵徹坦克底甲的情況下，取得較大的侵徹直徑，選擇了0.045D的藥型罩厚度。

表4 150 μs時(shí)EFP性能參數(shù)

圖6 EFP長(zhǎng)徑比隨藥型罩壁厚變化規(guī)律

藥型罩罩厚0.045D，曲率半徑1.0D時(shí)，雙向中心開(kāi)孔EFP在150 μs時(shí)的速度云圖，如圖7。

通過(guò)圖7可以看出雙向EFP在150 μs時(shí)，EFP速度在1 700 m/s左右，且首尾速度相差不大，雙向EFP基本成型。

圖7 雙向EFP速度云圖

3 雙向EFP侵徹靶板數(shù)值模擬

3.1 中心開(kāi)孔EFP侵徹靶板數(shù)值模擬

通過(guò)雙向EFP成型過(guò)程，確定藥型罩曲率半徑1.0D與壁厚0.045D的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，并對(duì)其進(jìn)行侵徹靶板(30 mm)數(shù)值模擬。圖8為成型EFP侵徹靶板過(guò)程。

圖8 成型EFP侵徹靶板過(guò)程

由圖8看出，在200 μs時(shí)，EFP開(kāi)始接觸靶板，在250 μs時(shí)，EFP作用靶板，使靶板變形，300 μs時(shí)，EFP擊透靶板，但還有接觸，400 μs時(shí)，EFP徹底擊穿靶板。

中心開(kāi)孔雙向EFP在400 μs時(shí)，穿透靶板時(shí)的速度云圖，如圖9。

圖9 雙向EFP穿透靶板速度云圖

由圖9所示，通過(guò)LS-PrePost后處理軟件可以看出在雙向EFP在400 μs時(shí)穿透靶板后，剩余速度大于300 m/s，侵徹孔徑為3.64 mm，后效毀傷效果佳，EFP質(zhì)量/藥型罩質(zhì)量在75%以上。

3.2 中心無(wú)孔EFP侵徹靶板數(shù)值模擬

在雙向中心開(kāi)孔EFP成型的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)孔結(jié)構(gòu)的EFP進(jìn)行成型模擬，選擇藥型罩曲率半徑為1.0D與壁厚0.045D的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，并對(duì)其進(jìn)行侵徹靶板數(shù)值模擬。中心無(wú)孔雙向EFP成型過(guò)程，如圖10所示。

圖10 無(wú)孔雙向EFP成型過(guò)程

通過(guò)圖10無(wú)孔雙向EFP成型過(guò)程可以看出，EFP在200 μs時(shí)的長(zhǎng)徑比為0.88，小于中心開(kāi)孔EFP的長(zhǎng)徑比1.17，侵徹性能不佳。無(wú)孔雙向EFP速度云圖，如圖11。

圖11 無(wú)孔雙向EFP速度云圖

通過(guò)圖11可以看出雙向EFP在200 μs時(shí)，EFP速度略小于1 700 m/s，且首尾速度相差不大，雙向無(wú)孔EFP基本成型。

對(duì)無(wú)孔雙向EFP進(jìn)行打靶數(shù)值模擬，采用藥型罩的曲率半徑為1.0D與壁厚0.045D的結(jié)構(gòu)參數(shù)，侵徹過(guò)程如圖12所示。

圖12 成型EFP侵徹靶板過(guò)程

由圖12看出，在250 μs時(shí)，EFP開(kāi)始接觸靶板，在300 μs時(shí)，EFP作用靶板，使靶板變形，350 μs時(shí)，EFP擊透靶板，但還有接觸，450 μs時(shí)，EFP徹底擊穿靶板。

雙向EFP在450 μs，穿透靶板速度云圖，如圖13。

圖13 雙向EFP穿透靶板速度云圖

由圖13所示，通過(guò)LS-PrePost后處理軟件可以看出在無(wú)孔雙向EFP在450 μs時(shí)穿透靶板后，剩余速度大于280 m/s，速度梯度較大，EFP容易拉斷，

侵徹孔徑為3.03 mm，后效毀傷效果不佳，EFP質(zhì)量/藥型罩質(zhì)量在65%以上。

由于坦克底甲距離地面較近，需要EFP快速成型，滿足侵徹坦克底甲厚度，因此選用了雙向中心開(kāi)孔EFP。

4 結(jié)論

1) 對(duì)于中心帶孔結(jié)構(gòu)藥型罩，當(dāng)裝藥長(zhǎng)徑比、殼體壁厚、開(kāi)孔直徑等參數(shù)保持不變，曲率半徑為1.0D且壁厚0.045D時(shí)，可以形成形狀良好的長(zhǎng)徑比EFP且速度高；在較短的時(shí)間內(nèi)，形成較大的侵徹直徑。

2) 中心開(kāi)孔藥型罩比無(wú)孔結(jié)構(gòu)藥型罩成型時(shí)間短，EFP長(zhǎng)徑比大，侵徹孔徑大20%左右且剩余速度較大，EFP質(zhì)量/藥型罩質(zhì)量大，后效侵徹性能比無(wú)孔結(jié)構(gòu)藥型罩好。