藥型罩材料對三層串聯EFP成型影響研究*

史志鑫，尹建平，竇成彪

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

0 引言

三層串聯EFP利用成型裝藥的聚能原理和串聯藥型罩之間相對滑移運動的原理形成3個高速運動的爆炸成型彈丸。三層串聯EFP是近年來提出的一種新型的戰斗部結構，利用串聯藥型罩之間的聲阻抗不同，應力波在串聯藥型罩之間的傳播產生折射、發射和透射，使得串聯藥型罩之間產生相對的滑移運動，進而形成3個高速運動的EFP[1]。三層串聯EFP能夠更加合理的利用戰斗部中炸藥爆炸產生的能量，比傳統的單層EFP具有更高的炸藥能量利用率[2]；三層串聯EFP能夠形成3個隨進的高速運動的EFP，因此在反“反應裝甲”和反水下目標方面具有較大的優勢，所以三層串聯EFP成為戰斗部研究領域的熱點之一。鄭宇[1，3]利用理論分析、數值模擬和實驗研究三者相結合的方法研究了雙層藥型罩毀傷元的成型機理，分析了戰斗部的起爆方式、藥型罩的結構和藥型罩的材料對雙層藥型罩毀傷元成型的影響。在第20屆國際彈道會議的會議論文中，R.Fong等[4]曾經提出過關于探索雙層或者多層藥型罩形成兩個或者多個獨立飛行EFP的理論，探索在大炸高情況下，對靶板形成多次打擊，在小炸高情況下，增加對靶板的侵徹深度。但關于三層串聯EFP的研究在國內外公開的報道中相對較少[5]。

前人對雙層串聯藥型罩毀傷元成型進行過深入的研究，關于雙層串聯藥型罩毀傷元成型的相關理論也比較成熟。文中在雙層串聯藥型罩毀傷元理論的基礎上，研究了藥型罩材料對三層串聯EFP成型的影響。利用LS-DYNA有限元仿真軟件對不同藥型罩材料的三層串聯EFP成型性能進行分析，獲得藥型罩材料對三層串聯EFP成型的影響規律，可為后續的三層串聯EFP戰斗部的設計提供參考。

1 計算模型

文中分析的三層串聯EFP戰斗部的結構示意圖如圖1所示。

圖1 三層串聯EFP戰斗部的二分之一有限元模型和結構示意圖

研究的三層串聯EFP戰斗部的基本結構參數為：戰斗部的裝藥尺寸為Φ55 mm×80 mm；戰斗部殼體壁厚為1.2 mm；戰斗部三層藥型罩的曲率半徑均為45 mm，三層藥型罩的口徑均為45 mm，三層藥型罩的厚度均為1.2 mm；起爆方式采用戰斗部底部中心點起爆。數值模擬中三層串聯EFP戰斗部的炸藥采用8701炸藥，材料模型選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，采用EOS_JWL狀態方程進行描述；固定環采用金屬銅，材料模型選用MAT_JOHNSON_COOK，采用EOS_GRUNEISEN狀態方程進行描述；藥型罩的材料分別選取碳鋼、銅、鉭和鋁，材料模型均采用JOHNSON_COOK，均采用GRUNEISEN狀態方程進行描述。網格單元選取八節點六面體單元。材料的主要參數如表1所示。

2 三層串聯EFP成型性能分析

2.1 三層串聯EFP成型過程

三層串聯EFP利用爆轟波對串聯藥型罩驅動和爆轟波在藥型罩之間的折射、反射和透射，使得三層串聯藥型罩產生相對的滑移運動，最終形成高速運動的三層串聯EFP；當爆轟波經過藥型罩微元時，爆轟波的沖擊壓力對藥型罩微元進行驅動。同時，爆轟波也會在藥型罩之間發生透射和反射，透射的爆轟波將會驅動下一層藥型罩，反射的爆轟波將繼續作用于上一層藥型罩，所以中間一層的藥型罩將會受到復雜的應力波驅動。藥型罩材料的沖擊阻抗不同將會影響應力波在藥型罩之間的傳播，藥型罩的材料選取將會直接影響到三層串聯EFP的成型。

表1 數值模擬中主要材料參數

根據現有的應力波理論[1,5-6]，應力波在三層串聯藥型罩微元之間的傳播遵循應力波在不同介質分界面傳播的公式，即：

式中：PI為入射壓力；PT為透射壓力；PR為反射壓力；α為前后材料的聲阻抗比。應力波在三層串聯藥型罩微元之間的傳播如圖2所示。

圖2 三層串聯藥型罩微元受力示意圖

戰斗部起爆后，爆轟波到達藥型罩并壓垮藥型罩的底部，使藥型罩的底部產生一個軸向的速度，藥型罩從底部開始拉伸并翻轉；藥型罩在拉伸過程中，尾部將會向戰斗部的軸線方向進行收攏；同時，三層串聯藥型罩在拉伸過程中會產生相對滑移，外部藥型罩與中部藥型罩分離后最先形成EFP并繼續加速運動，中部藥型罩繼續拉伸，尾部收攏形成EFP，最后內部藥型罩形成EFP的成型效果最差，速度也最低，3個串聯的EFP相距一段距離并以穩定的速度向前飛行。三層串聯EFP的成型過程如圖3所示。

圖3 三層串聯EFP成型的數值模擬仿真

2.2 材料對三層串聯EFP成型的影響

分析材料對三層串聯EFP成型的影響，首先分析三層藥型罩均為一種材料的情況，改變藥型罩的材料，分析材料對三層串聯EFP成型的影響。選取碳鋼、鉭、銅和鋁四種不同特性的材料作為藥型罩的材料，進行三層串聯EFP成型的數值仿真研究。碳鋼、鉭、銅和鋁四種材料形成的三層串聯EFP的速度、長徑比和成型效果如表2所示。

從表2中的數據和成型效果圖可以看出，碳鋼、銅和鉭藥型罩均能分離形成三層串聯EFP，但是鋁藥型罩不能很好的分離形成串聯EFP。碳鋼形成的三層串聯EFP的速度最高；銅材料因為具有較好的延展性，外層藥型罩形成的EFP產生明顯的頸縮和部分斷裂，銅藥型罩形成的串聯EFP具有最大的長徑比；鉭的密度較大，鉭藥型罩在爆轟波的驅動下不能很好的拉伸，所以形成的三層串聯EFP的長徑比較小；鋁材料較軟而且延展性較差，所以在爆轟波的驅動下不能分離形成三層串聯EFP。綜合分析可知，碳鋼的三層串聯藥型罩形成的三層串聯EFP效果較好。

分析三層藥型罩為不同材料時，材料對三層串聯EFP成型的影響。根據沖擊波在藥型罩之間傳播的相關理論[7-10]，若設置中間層藥型罩的材料沖擊阻抗介于內外兩層藥型罩材料沖擊阻抗之間，即可增大爆轟波作用在外層罩上的透射壓力。選取碳鋼、銅和鉭分析材料對三層串聯EFP成型的影響，三種材料的沖擊阻抗的大小關系為：銅<碳鋼<鉭。

表2 不同材料串聯EFP成型參數

1)三層藥型罩其中兩層為碳鋼，另一層為低沖擊阻抗材料銅時三層串聯EFP成型效果如表3所示。

2)三層藥型罩其中兩層為碳鋼，另一層為高沖擊阻抗材料鉭時三層串聯EFP成型效果如表4所示。

3)三層藥型罩材料分別為銅(內)、碳鋼(中)、鉭(外)時三層串聯EFP成型效果如表5所示。

由表3、表4、表5中的數據和三層串聯EFP的成型效果可知，三層藥型罩為不同材料與三層均為碳鋼的串聯藥型罩相比，某一層藥型罩材料被改變時，不能增加三層串聯EFP的總速度和總動能。從表3可知，銅作為外層藥型罩的材料形成的三層串聯EFP出現明顯的頸縮，銅作為中層藥型罩的材料形成三層串聯EFP之間的距離比較均勻。從表4可知，鉭作為內層藥型罩形成三層串聯EFP的成型效果較好。從表5可知，將內層藥型罩、中層藥型罩、外層藥型罩分別由銅、碳鋼、鉭(沖擊阻抗由小到大)制成，此種方案不能提高三層串聯EFP的總速度和總動能，最終的成型效果也欠佳。

表4 不同材料三層串聯EFP成型參數

表5 不同材料三層串聯EFP成型參數

3 結論

文中運用LS-DYNA有限元仿真軟件對三層串聯EFP成型的成型過程進行了數值模擬研究，選取碳鋼、銅、鋁和鉭研究藥型罩材料對三層串聯EFP成型的影響。

1)對于所研究的裝藥結構，當三層串聯EFP每層藥型罩均采用同一種材料時，碳鋼藥型罩形成的三層串聯EFP的成型效果較好，且具有最大的速度和適中的長徑比；銅藥型罩形成的三層串聯EFP具有最大長徑比，但最外層的EFP出現明顯的頸縮現象；鉭藥型罩形成的三層串聯EFP成型效果較差；鋁藥型罩不能分離形成三層串聯EFP。

2)當改變三層串聯EFP某一層串聯EFP的材料時，并不能增加三層串聯EFP的總動能和總速度，且成型效果欠佳；如果基于材料的沖擊阻抗匹配的原則來選用三層串聯EFP的材料時，形成的三層串聯EFP的總速度和總動能比三層藥型罩均采用單一材料時低，總速度降低3.0%～4.9%，總動能降低1.7%～2.3%。