外罩開槽式雙層藥型罩毀傷元數值模擬

吳浩宇,周春桂,王志軍,湯雪志,張增軍

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.河北第二機械工業有限公司，石家莊 050031)

傳統的聚能裝藥都是單層罩結構，隨著裝甲防護技術的不斷發展，尤其是爆炸反應裝甲技術的出現，傳統聚能的裝藥已滿足不了現階段戰場需求。從20世紀80年代開始，國內外諸多學者對多層串聯式爆炸成形彈丸(explosively formed penetrator,EFP)進行了大量的研究與探索以滿足對現代戰場的需求[1-2]。R.Fong[3]對雙層和三層鐵EFP戰斗部進行試驗研究，獲得長徑比很大的EFP戰斗部。Hong[4]對雙層罩的形成過程進行細致的數值仿真研究。孫華[5]提出了一種新型雙層罩結構，并分析了藥型罩曲率半徑對成形的影響。李慧明等[6]對雙層EFP戰斗部進行了優化數值模擬，用iSIGHT集成結果得出形成良好的雙層EFP。徐文龍[7]對刻槽式MEFP毀傷元形成機理進行了詳細的研究，得出了破片彈丸成型參數隨藥型罩參數變化的規律。竇成彪等[8]對次口徑多層藥型罩成形進行數值模擬，優化了次口徑裝藥參數。文中在分析了學者們所研究內容的基礎上提出一種前級開槽式的雙層藥型罩結構，即外罩采用開槽式結構，從而可形成多破片彈丸，內罩形成EFP，該結構可以有效的攻擊坦克頂甲、武裝直升機以及反底面輕型裝甲等目標。文中利用ANSYS/LS-DNYA有限元軟件對該結構中雙層藥型罩在爆炸載荷下形成毀傷元的過程進行了數值模擬，就藥型罩壁厚對其毀傷效能進行了分析；并以優化后的藥型罩結構進行打靶數值模擬，分析了外罩開槽式雙層藥型罩戰斗部成型串聯毀傷元的侵徹性能。

1 模型建立

1.1 幾何模型

本文所研究的戰斗部主要由殼體、后蓋、起爆裝置、裝藥、藥型罩、擋環組成，其中藥型罩分為內外兩層，內層為傳統的球缺型藥型罩，而外層采用開槽式球缺藥型罩。圖1為戰斗部幾何結構示意圖，圖2為外罩開槽式藥型罩結構示意圖。

圖1 戰斗部幾何結構示意圖

圖2 外層開槽式藥型罩結構示意圖

采用次口徑裝藥，裝藥口徑D=100 mm，裝藥高度H=125 mm，雙層藥型罩口徑D1=80 mm、曲率半徑R=112 mm，外層藥型罩壁厚δ外，內層藥型罩壁厚δ內。

1.2 有限元模型及材料參數

有限元模型簡化為裝藥、擋環、內外層藥型罩，均采用Lagrange算法，能夠精確描述結構邊界的運動且計算速度較快。采用Truegrid軟件進行建模和網格劃分，建立如圖3所示的三維有限元網格模型。

圖3 三維有限元模型

裝藥采用8701炸藥,密度為1.82 g/cm3，爆速為8 480 m/s，采用高能炸藥材料模型計算，用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型和Jones-Wilkins-Lee狀態方程描述其爆轟產物壓力，起爆方式為中心點起爆。擋環材料為4340鋼，密度為7.83 g/cm3，內外層藥型罩的材料為紫銅，密度為8.96 g/cm3，兩者均選取Johnson-Cook材料，相關參數見表1；選取Gruneisen狀態方程，材料主要參數見表2。添加*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURACE關鍵字定義裝藥與藥型罩之間的接觸算法[9]，添加*CONTACT_SLIDING_ONLY_PENALTY關鍵字定義內外層藥型罩之間的接觸算法[5]。

表1 Johnson-Cook材料主要參數

表2 Gruneisen狀態方程材料主要參數

2 壁厚對毀傷元的影響

2.1 影響EFP成型因素

藥型罩成型結果主要與藥型罩微元(環形)的壓垮速度有關，影響罩微元壓垮速度的主要因素包括裝藥的爆速、罩微元的質量、罩微元所對應的裝藥質量及裝藥爆轟波陣面對罩微元的入射角等[10]。本設計方案采用控制變量法，保證相同的裝藥結構、起爆方式、藥型罩材料與口徑、爆轟波對罩微元的入射角，變量只剩下罩微元的質量，而罩微元的質量與罩的壁厚相關。

2.2 等壁厚雙層藥型罩壁厚對毀傷元的影響

保證其他參數不變，使內外層藥型罩壁厚相等δ=δ外=δ內，分別使δ=2 mm、2.5 mm、3 mm、4 mm、5 mm進行毀傷元成型仿真。采用控制變量的方法，在同一時刻對比各組毀傷成型參數，在550 μs時各組毀傷元內、外罩均分離，因此截取550 μs時各毀傷元成型結果，如圖4所示。

圖4 內外罩等壁厚毀傷成型結果

選取內層罩EFP成型最大直徑dmax，由式(1)計算長徑比：

γ=dmax/l

(1)

圖5所示為內外層EFP速度、內層罩EFP長徑比、外層罩彈丸飛散角α隨壁厚變化的曲線。

結合圖4和圖5分析內外層藥型罩等壁厚情況下，壁厚的增大對毀傷元成型的影響：由圖4可看出，本文所研究結構在爆炸載荷的作用下，內層罩可以形成一定速度和長徑比的EFP，當壁厚δ=2 mm時外層罩無法形成破片式彈丸，2.5 mm≤δ≤5 mm時外層罩能夠形成一定速度、質量以及飛散角α的多破片式彈丸。

由圖5(a)、圖5(b)可知，隨著壁厚δ的增大，內、外層藥型罩成型后的毀傷元速度和內層罩成型后的EFP長徑比逐漸減小，內、外層罩的速度差逐漸增大。這是因為壁厚增大導致內、外層藥型罩整體質量增加，而在相同裝藥量下爆轟波產生的爆轟壓力相同，從而使EFP速度梯度逐漸減小，因此內層罩成型后的EFP長徑比逐漸減小，內外層藥型罩成型后的毀傷元速度逐漸減小。

由圖5(c)可知，外層罩形成的EFP彈丸飛散角隨著壁厚的增加逐漸增大。這是因為隨著外層罩壁厚的增大彈丸頭部的速度衰減越迅速，尾部的速度逐漸增加，頭尾速度趨于一致的時間也逐漸縮短，因此彈丸飛散角隨著壁厚的增加逐漸增大。

圖5 毀傷元成形參數隨內外罩等壁厚δ變化曲線

綜上所述當δ=2.5 mm時內、外層藥型罩成型后的EFP速度和內層罩成型后的EFP長徑比較大但外層罩彈丸飛散角較小；δ>3mm時內、外層罩成型速度低且內層罩長徑比小，整體成型較差。因此可選擇壁厚2～3 mm進行內、外層罩不等壁厚優化研究。

2.3 內、外層藥型罩不等壁厚對毀傷元的影響

分別選取外層罩壁厚δ外=3 mm，使δ內=2.1 mm、2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm、2.9 mm；內層罩壁厚δ內=3 mm，使δ外=2.1 mm、2.3 mm、2.5 mm、2.7 mm、2.9 mm，保持其他參數不變進行毀傷元成型仿真，均截取550 μs時毀傷元成型結果，如圖6所示。將毀傷元成型參數隨外層罩和內層罩壁厚變化的曲線進行對比，如圖7所示。

由圖6(a)、圖6(b)可以看出，當外層罩壁厚不變改變內層罩壁厚時毀傷元可以達到預期的成型效果；當內層罩壁厚不變改變外層罩壁厚δ外=2.1 mm時，外層罩彈丸無法形成破片，這是由于內層罩微元質量比外層罩微元質量過大，內層罩在爆轟波作用下迅速向外翻轉使外罩頂部壓隆成一個整體無法分離。

由圖7(a)、圖7(b)可知，毀傷元速度隨外層罩壁厚變化大于隨內層罩壁厚變化，但隨著壁厚變化逐漸增加兩種方案的毀傷元速度差逐漸減小。這說明毀傷元整體質量相同時，外罩壁厚的變化對成型速度影響更大。

由圖7(c)可知，內層罩長徑比隨內、外層藥型罩壁厚的增加逐漸減小，并且相同毀傷元質量下兩種方案的內層罩長徑比變化不大。

由圖7(d)可知，隨著內、外層藥型罩壁厚的增加，外層罩成型彈丸飛散角先增大再減小，在內、外層藥型罩為2.7 mm和3 mm組合時達到最高峰值；相同毀傷元質量下變化外層罩壁厚得到的彈丸飛散角更大；只變化外層罩壁厚時，彈丸成型后的飛散角變化不大。

圖6 內、外層藥型罩不等壁厚成型結果

圖7 毀傷元成型參數隨內、外層壁厚變化曲線

結合各方案對毀傷成型形態，以及成型后內外層罩速度、內層罩長徑比、外層飛散角的影響，對雙層藥型罩的結構進行優化，最終選用外層罩壁厚2.6 mm、內層罩壁厚3 mm的結構參數進行侵徹效應研究。優化后的毀傷元成型過程如圖8所示，內層罩EFP成型速度達1 762 m/s、外層罩成型彈丸速度達1 973 m/s、內層罩EFP長徑比1.79、外層罩彈丸飛散角1.58°，毀傷元整體成型效果良好。

3 優化戰斗部對靶板的侵徹效應

選取裝甲鋼為靶板材料，密度為7.83 g/cm3，尺寸為110 mm×110 mm×30 mm，毀傷元與靶板采用侵蝕接觸。在ANSYS/LS-DNYA中使用完全重啟動，將裝藥、擋環、殼體以及內層藥型罩全部刪除并添加靶板，單獨對外層罩成型彈丸侵徹靶板進行數值模擬，結果如圖9所示。內層罩EFP隨進對靶板的二次毀傷數值模擬結果如圖10所示。

由圖9(a)可看出，外層罩多破片彈丸對靶板進行了開孔、擴孔和沖塞穿透，形成了有效毀傷。靶板平均開孔直徑21.70 mm，彈丸彈尾平均最大直徑26.62 mm，即0.82倍的彈丸直徑，完全穿透靶板厚能量損失48.8%，彈丸穿透靶板后仍有足夠的后效能量。圖9(b)展示了彈丸頭部、中部、尾部三點撞擊靶板的速度曲線，可以看出頭部、中部、尾部依次擊靶；中部速度在撞擊靶板后有所回升，這是由于撞擊過程中彈丸質量迅速減少并且與彈丸能量減少量不成正比所致；三部分撞擊靶板后剩余速度最終并未一致，這是由于彈丸頭已完全磨損速度將為零，中部和尾部仍存在速度梯度但最終將趨于一致。

圖8 優化后毀傷元成型過程

圖9 外層罩彈丸對靶板侵徹結果

由圖10可看出，內層罩EFP隨進對靶板進行二次毀傷將外層罩彈丸打靶剩余部分沖塞靶外形成多破片，破片速度最高達1 000 m/s，由它可以產生二次效應，對目標內的成員或設備造成一定程度的毀傷；整體打靶后平均最大開孔口直徑為61.66 mm，平均最小開孔直徑為26.36 mm，分別為0.77、0.33倍的藥型罩口徑，比傳統雙層藥型罩開孔口徑明顯增大；由速度云圖可以看出，新型雙層藥型罩憑借內、外兩層藥型罩形成的毀傷元獲得了良好的穿甲性能，外層藥型罩形成的彈丸具有一定的發散角能夠穿透靶板并對靶板進行擴孔，內層藥型罩隨進侵徹靶板后可使靶板形成具有較高軸向、徑向速度的破片，具有良好的后效作用。

圖10 內層罩EFP隨進對靶板侵徹結果

4 結論

隨著藥型罩壁厚的變化，罩微元的質量也隨之變化，從而影響了內層藥型罩所形成的EFP性能和外層藥型罩形成的多破片彈丸發散角α。內、外罩等壁厚時，隨著罩微元的質量增大，內、外層罩毀傷元的速度和內層罩EFP長徑比逐漸減小，外層罩彈丸發散角逐漸增大；不等壁厚時，隨著罩微元的質量增大，外層罩發散角先增大再減小。

設計的新型雙層藥型罩，對靶板侵徹孔徑明顯增大，并可以形成具有較高軸向、徑向速度的破片，具有良好的后效作用。