刻槽式MEFP戰斗部結構參數的正交優化設計研究*

何 俊，李欽生，王韋霞，程 春，王復利

(1 安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖 241000； 2 南京理工大學機械工程學院，南京 210094；3 黑龍江北方工具有限公司，黑龍江牡丹江 157013)

0 引言

多爆炸成型彈丸戰斗部(MEFP)是基于爆炸成型彈丸戰斗部(EFP)的發展而研制出來的，作戰時可以產生大面積的彈幕，形成對攻擊目標的面打擊，極大提升對目標的命中和毀傷概率，尤其是對于集群輕型裝甲，如武裝直升機、雷達站、步兵戰車、導彈陣地等具有良好的應用前景[1]。2002年，William Ng等研制了一新式軸向變形罩式MEFP，2005年，Richard Fong在此基礎上，研制出通過對整塊板材進行沖壓而制成的MEFP[2-3]。吳小蓉等[4]研制出一種分布三罩式MEFP，通過試驗，戰斗部形成了彈速為2 000 m/s左右的3個子彈丸，并在靶板上測得類似正三角形形狀的3個橢圓形穿孔。趙長嘯、紀沖等[5-7]通過在單個藥型罩前面適當位置安裝高強度十字形網柵，使藥型罩在網柵的切割功用下，形成多個爆炸成型彈丸，并且通過數值仿真和穿甲試驗，研究了成型彈丸的形成過程及其對鋼靶的穿甲效應。尹建平等[8]通過數值計算得出藥型罩的相關因素(曲率半徑、壁厚和口徑)對MEFP成型和毀傷效果的規律，并給出以上3個因素的最優組合。黃德武等[9]首先提出了可生成多枚成型彈丸的刻槽式MEFP戰斗部技術。在此基礎上，相升海等[10]通過數值分析，闡述了刻槽式MEFP貫徹雙層無間隔金屬靶的具體過程及影響因素。

文中在以上研究的基礎上，針對藥型罩口徑為150 mm的刻槽式MEFP戰斗部毀傷性能的主要影響因素(刻槽深度H、刻槽角度α、殼體厚度δ1、藥型罩內徑D、裝藥長度L、罩頂厚度δ2)，采用正交優化設計確定優化方案，并結合LS-DYNA軟件數值計算，得出各因素對成型子彈丸動能影響的主次關系及各因素的最優組合。

1 數值計算

1.1 刻槽式MEFP戰斗部模型

文中所研究的MEFP戰斗部頂部預制V型槽，中心孔徑為1.5 mm，其結構分為殼體、炸藥、藥型罩3個部分，如圖1所示。

圖1 刻槽式MEFP戰斗部模型

1.2 計算模型

殼體、炸藥和藥型罩的模型都采用Lagrange網格，單元劃分使用Solid164固體單元。通過模擬，當計算時間到達40 μs時，殼體與炸藥的作用幾乎結束，故對于這兩部分劃分網格較稀疏，并在40 μs時，將這兩部分單元設置自動刪除。對于藥型罩在計算過程將發生較大變形，為防止網格在計算過程中發生畸變，故而在劃分此部分網格時，較殼體和炸藥略微細化，這樣設置對觀察藥型罩的成型變化過程較為有利。

殼體的材料選擇45號鋼，藥型罩的材料選擇紫銅，這兩部分均采用Johnson-Cook材料模型，其狀態方程均為Gruneisen方程。藥型罩的主要參數為ρ=8.96 g/cm3，G=46 GPa，A=0.09 GPa，B=0.29 GPa，n=0.31，C=0.025，m=1.09，Tm=1 356 K，Tr=293 K。炸藥材料選用B炸藥，使用High-Explosive-Burn材料模型，狀態方程為JWL方程，B炸藥參數見表1[11]。

表1 B炸藥參數

1.3 數值計算結果示例

MEFP模型采用底部中心(單點)引爆方式。炸藥引爆后，由于藥型罩的球面形狀，炸藥的轟擊波將產生旋轉力矩的作用，致使藥型罩沿刻槽位置發生斷裂破壞，生成3個成型子彈丸。 這3個成型子彈丸，在自身動能作用下，對目標形成毀傷效應。

如圖2所示為一組數值計算得到的MEFP飛散圖，其參數為：H=3.29 mm，α=30°，δ1=6.97 mm，δ2=6.55 mm，D=176.7 mm，L=123.84 mm。

圖2 MEFP飛散圖

2 刻槽式MEFP戰斗部影響因素的正交優化設計

2.1 正交優化設計方案及結果

通過數值分析和相應的試驗結果，影響藥型罩斷裂成型子彈丸毀傷性能的主要影響因素為：刻槽深度H、刻槽角度α、殼體厚度δ1、藥型罩內徑D、裝藥長度L、罩頂厚度δ2。以上述6因素為研究對象，采用正交優化設計，各因素設定5個水平變量，建立6因素5水平取值表，具體取值見表2。

表2 正交優化因素水平表

成型子彈丸的動能直接影響其侵徹靶板深度和毀傷性能，將成型子彈丸的動能y作為優化目標。根據正交優化設計法，具體方案及結果見表3。

表3 正交優化設計方案及結果

2.2 結果分析

由正交優化設計方案，通過仿真計算得到子彈丸動能隨以上6個因素的估算邊際均值變化如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，子彈丸動能y隨α的增加先增加后減少，在α為60°時取得最大值，當α為120°～150°時，y值顯著減小，原因是α為150°時，藥型罩質量顯著減少。從圖3(b)中可以得到，y值隨H的增大，先減小再增大，之后又減小，總體的變化幅度較小，這是由于藥型罩比較薄，H本身的變化幅度就小，當H為0.35 cm時，y值最大。由于藥型罩的質量隨罩厚δ2增大而增大，同時隨著槽深H的增大而減小，綜合兩者的共同影響，最終y隨δ2的改變呈現出波動變化，整體變化量也不大。在圖3(d)中，y隨D的增加先增大而后略有減小，在D取18.67 cm時，y值達到最大。y隨L的增加先有較明顯的增加而后增加幅度較小，在L為13.932 cm和15.48 cm時y變化不大，顯然綜合武器的整體效能和經濟性兩方面因素，L取13.932 cm為最佳選擇。子彈丸在δ1為0.774 cm時取得最大值，綜合考慮整個彈丸的質量，0.774 cm是一個比較理想的取值。

圖3 子彈丸動能隨各因素的估算邊際均值變化

由圖3，得到y隨各因素變化的極差表，見表4。從表4可以看出，影響子彈丸動能的因素按主次關系排列，依次是L、α、δ1、δ2、D、H。

表4 子彈丸動能隨各因素變化的極差表

綜合以上因素的影響，可以得出影響刻槽式MEFP戰斗部子彈丸動能的最優參數組合為：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。

3 結論

1)通過正交設計和極差分析得到，影響成型子彈丸動能的因素按主次關系排列，依次是裝藥長度L、刻槽角度α、殼體厚度δ1、罩頂厚度δ2、藥型罩內徑D、刻槽深度H。

2)針對藥型罩口徑為150 mm的刻槽式MEFP戰斗部，由正交優化設計得到影響其子彈丸動能的最優化參數組合為：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。