尾翼型EFP飛行特性仿真研究

楊品

摘要：本文運用CFD仿真軟件，對尾翼型幾何對稱和非對稱EFP進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)氣動仿真計算，并運用6DOF模塊對EFP的飛行特性進(jìn)行模擬，研究結(jié)果對在EFP彈藥工程研制和應(yīng)用中有指導(dǎo)意義。

1 前言

爆炸成型彈丸EFP （Explosively Formed Projectile）是聚能裝藥的重要分支，其作用過程分為成型、飛行、侵徹三個階段，成型階段是實現(xiàn)金屬藥型罩在炸藥驅(qū)動作用下形成EFP， 飛行階段是EFP在空中飛行的穩(wěn)定性和速度衰減過程，侵徹階段則是EFP對目標(biāo)的終點作用過程，獲得具有良好氣動外形、穩(wěn)定飛行的高速EFP是EFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計目標(biāo)。

隨著高性能服務(wù)器和CFD數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，已有專家學(xué)者對理想的桿式和準(zhǔn)球形EFP進(jìn)行了氣動計算及彈道計算[1] ，分析了理想EFP外形參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。本文對由中心起爆和偏心起爆得到的尾翼型EFP，利用三維造型軟件進(jìn)行逆向建模，進(jìn)行適當(dāng)修補(bǔ)，得到真實形狀的EFP模型，并采用可壓縮流、重疊網(wǎng)格、6DOF運動模型模塊，對進(jìn)行了氣動力和六自由度運動的仿真計算，得到了兩者在不同攻角下的空氣動力學(xué)系數(shù)和外彈道特性曲線，并且對仿真結(jié)果做了對比分析，得到了一些重要結(jié)論，為EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的擇優(yōu)選擇奠定了基礎(chǔ)。

2 幾何模型建立

采用仿真軟件對建立EFP裝藥結(jié)構(gòu)的三維模型進(jìn)行爆炸過程的數(shù)值計算，通過后處理可將EFP彈丸以STL格式導(dǎo)出。STL文件是一種以三角面片存儲模型表面信息的離散數(shù)據(jù)格式，在三維造型軟件將其導(dǎo)入，并重新造型模塊進(jìn)行逆向建模，得到完整EFP的IGES格式模型，如圖1所示。

圖1為由中心起爆（模型A）和偏心起爆（模型B）得到的EFP幾何模型。從兩者的頭部看去，模型B的1部相比于模型A，外形上的不對稱性比較明顯。

3 仿真模型建立

由于EFP外形的不規(guī)則性，使得計算域的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時采用分塊技術(shù)，整個計算域分為34個規(guī)則的子區(qū)單獨進(jìn)行網(wǎng)格生成，而后各個子域相互對接構(gòu)成復(fù)雜的流動區(qū)域。

其中邊界條件設(shè)置為遠(yuǎn)場，輸入EFP馬赫數(shù)、靜溫、靜壓以及k和 ;壁面條件采用無滑移絕熱固壁邊界，彈體周圍網(wǎng)格與背景網(wǎng)格的交界面采用重疊網(wǎng)格條件。對于動態(tài)仿真計算，背景網(wǎng)格采用規(guī)定運動算法，彈體周圍嵌套網(wǎng)格，采用6DOF運動算法，且背景網(wǎng)格的運動方式依賴于嵌套網(wǎng)格的運動。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 ?靜態(tài)計算結(jié)果

模型A和模型B的成型初速度均為2486m/s，質(zhì)量0.018kg，彈長0.0242cm。 在攻角為0～10時進(jìn)行靜態(tài)仿真。

計算結(jié)果表明：模型A是穩(wěn)定的，靜穩(wěn)定度在17%左右，壓心位于質(zhì)心后面，而模型B在小攻角時壓心系數(shù)為負(fù)的，壓心在質(zhì)心前面，是不穩(wěn)定的;在大攻角下壓心雖然在質(zhì)心后面，但兩者很接近，靜穩(wěn)定度不到0.1，還是不穩(wěn)定的，這在后面的6DOF彈道仿真結(jié)果中可以看到。

4.2 動態(tài)計算結(jié)果

運用6DOF運動模塊，對模型A和模型B在攻角3時，進(jìn)行動態(tài)飛行仿真。當(dāng)EFP飛行65m時，速度隨位移的衰減如表1所示，模型B比模型A稍大些，且理論和仿真計算的結(jié)果幾乎相同。

由于模型A是靜穩(wěn)定的，所以其攻角在飛行過程中逐漸變小，模型B是不穩(wěn)定的，其攻角會逐漸增大;另外模型A提供的升力大于其自身重力，所以出現(xiàn)彈丸的上升趨勢，而模型B的升力小，彈道下沉較大。

5 結(jié)論

通過本文對EFP飛行穩(wěn)定性數(shù)值模擬的初步探討，可以得到如下結(jié)論：

1）可通過三維造型軟件對原始EFP模型進(jìn)行逆向?qū)嶓w建模，并且這個過程不會改變EFP的質(zhì)量特性，故可準(zhǔn)確進(jìn)行下一步的氣動分析;

2）通過對由中心起爆得到的對稱EFP和由偏心起爆得到的非對稱EFP的氣動仿真分析可知，外形上不對稱性會導(dǎo)致EFP飛行不穩(wěn)定，因此在進(jìn)行EFP戰(zhàn)斗部設(shè)計時，要特別注意幾何結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布、起爆方式等的對稱性。

參考文獻(xiàn)

侯云輝，羅建等.EFP的優(yōu)化設(shè)計和飛行穩(wěn)定性研究[C] ].2009戰(zhàn)斗部與毀傷專業(yè)委員會第十一屆學(xué)術(shù)交流會，宜昌：2009：361-368