隔板參數對整體式多爆炸成型彈丸成型的影響

張 康，展婷變，謝長友，李小軍，王維占，陳智剛

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051；3.軍事科學研究院 防化研究院，北京 102205)

1 引言

多爆炸成型彈丸(MEFP)是在爆炸成型彈丸基礎上發展而來的一種高效毀傷戰斗部,戰斗部爆炸后可以生成多個彈丸對目標進行密集攻擊，從而極大提高對目標打擊毀傷的概率[1]。Blache等[2]在戰斗部徑向上放置多個EFP子裝藥，采用專門的起爆系統，使各子裝藥同時起爆形成多個彈丸。趙長嘯等[3]研究了裝藥間距和裝藥長徑比對整體式MEFP成型參數的影響，研究結果表明炸藥間距和裝藥長徑比參數的改變，影響著彈丸飛行穩定性和飛散角；王芳等[4]研究了不同的起爆方式對定向多爆炸成型彈丸成型性能的影響，結果表明單點起爆時，彈丸的長徑比最接近球形，但速度低且飛散角較大。采用線起爆時彈丸速度最高，有較好的飛散角和長徑比；牛文煜等[5]研究了藥型罩厚度、曲率半徑以及藥型罩外形對定向多爆炸成型彈丸成型性能的影響，優化后的藥型罩形成的EFP更加密實。

通過對EFP成型及對目標的毀傷效應進行的大量研究發現，在聚能裝藥結構中加入隔板，可以有效控制裝藥內爆轟波的傳播途徑和波形形狀，減小爆轟波陣面與藥型罩外壁的夾角，增加作用在藥型罩上的壓力[6]。Sachdeva S等[7-9]對有隔板聚能裝藥中爆轟波作用原理和隔板對EFP成型的影響進行了詳細的研究，進行了數值計算，得出帶隔板裝藥結構可以有效提高EFP的速度。Fong R等[10]研究了隔板直徑對EFP長度的影響，隔板直徑從0增加到0.33倍裝藥直徑，EFP長度增加了14%，得出隔板可以調整爆轟波形。賀金金等[11]通過仿真模擬研究了隔板各結構參數對EFP速度和長徑比的影響；潘建等[12]以小長徑比裝藥EFP戰斗部為研究對象，開展了隔板結構和藥型罩結構的正交優化設計數值計算，得出隔板的嵌入不但彌補了隔板帶來的裝藥量損失，而且可以提高EFP的速度和長徑比。

本文設計了一種小長徑比軸向MEFP，借助LS-DYNA軟件研究隔板參數和罩頂藥高及材料對軸向MEFP成型性能的影響，旨在進一步提高MEFP的性能，為優化軸向MEFP戰斗部設計提供參考。

2 方案及算法

2.1 方案設計

軸向MEFP戰斗部裝藥結構模型如圖1所示，由殼體、炸藥、中心藥型罩、周邊藥型罩、隔板組成。裝藥直徑為110 mm，裝藥高度為90 mm，殼體壁厚為5.5 mm，中心藥型罩直徑為35mm，曲率半徑45 mm。周邊藥型罩直徑為30 mm，曲率半徑33 mm。中心藥型罩與周邊藥型罩相距2.5 mm，周邊藥型罩之間距離為5mm，周邊藥型罩距離炸藥邊緣5 mm。MEFP裝藥1/4截面示意圖如圖2，其中虛線輪廓表示隔板。

圖1 MEFP戰斗部幾何模型示意圖

圖2 MEFP戰斗部裝藥1/4結構截面示意圖

其中炸藥為整塊圓柱形裝藥，隔板為圓柱形隔板，隔板直徑為d，隔板厚度為s，隔板底部到藥型罩頂距離為h。1枚藥型罩位于中間，6枚相同的藥型罩均勻分布在周圍。藥型罩采用球缺罩，罩頂厚度為3.84 mm。

2.2 模型及參數

計算模型如圖3所示，采用TrueGrid軟件進行建模與網格劃分，使用LSDYNA-3D軟件進行數值模擬，單位制為cm-g-μs，整個計算模型采用Solid164實體單元，算法為拉格朗日算法。炸藥與殼體采用自動面面接觸，炸藥與藥型罩之間采用自動面面接觸，藥型罩設置為自接觸，起爆方式為裝藥底部中心點處起爆。

圖3 MEFP戰斗部有限元模型和網格劃分示意圖

裝藥為8701炸藥，采用高能炸藥材料模型，藥型罩材料為紫銅，殼體材料為鋼。隔板材料為完全阻隔爆轟波的鋼隔板。隔板的相關參數見表1，其余材料物理參數見表2。

表1 隔板材料本構模型及相關參數

表2 材料物理參數

3 MEFP成型理論分析

如圖4、表3所示，當沒有添加隔板的時候，爆轟波以球面波的形式在裝藥中傳播，爆轟波陣面與藥型罩外壁夾角較大，導致中心藥型罩形成的EFP長徑比較小，呈橢球形，且周邊藥型罩成型后會有一定的飛散角，影響MEFP的毀傷面積。而添加了鋼隔板后，在隔板作用情況下，爆轟波繞過隔板以錐面波的形式在裝藥中傳播，并且會在裝藥軸線上產生馬赫波[13]。從而顯著提高EFP的速度和長徑比，減小飛散角。

圖4 600 μs時MEFP成型情況圖

表3 有無隔板時爆轟波傳播過程

當隔板厚度s取20 mm，隔板直徑d取55 mm，罩頂藥高h取40 mm時，與無隔板MEFP成型結構數據對比見表4。

表4 600 μs時2種MEFP的基本參數

由表4可知：添加隔板后，中心EFP頭部速度由2 417提高到了2 697，提高了11.58%，長徑比是原來的1.4倍，周邊EFP飛散角減小了0.74°。

4 結果及分析

4.1 隔板厚度對MEFP成型的影響

選取隔板直徑d為55 mm，罩頂藥高h為40 mm不變，設計隔板厚度s分別為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm進行數值模擬，對MEFP在600 μs時的基本參數進行了統計，具體如圖5所示。

圖5為MEFP速度、長徑比以及飛散角度隨隔板厚度的變化曲線。觀察曲線可得，隨著隔板厚度的增加，中心EFP和周邊EFP的頭部速度有明顯的增加，中心EFP長徑比明顯增加，周邊EFP的飛散角明顯減小，減小了1.4°左右。這是因為雖然隔板厚度的增加減小了裝藥量，但是由于爆炸的過程中隔板到罩頂距離幾乎不發生變化，有效裝藥量沒有改變。而且由于隔板的作用，爆轟波波形發生了改變，軸線處產生馬赫波，從提升EFP的速度和長徑比。隨著隔板厚度的增加，爆轟波陣面與周邊藥型罩罩外壁面的夾角逐漸減小，周邊藥型罩獲得的徑向速度減小，徑向位移減少，使得周邊彈丸飛散角減小。

圖5 MEFP成型參數隨隔板厚度變化曲線

4.2 隔板直徑對MEFP成型的影響

選取隔板厚度s為20 mm，罩頂藥高h為40 mm不變，設計隔板直徑d分別為40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm進行數值模擬，對MEFP在600 μs時的基本參數進行了統計，具體如圖6所示。

圖6 MEFP成型參數隨隔板直徑變化曲線

圖6顯示了MEFP速度、長徑比以及飛散角度隨隔板直徑的變化曲線。觀察曲線可得，隨著隔板直徑的增加，中心EFP的頭部速度明顯增加，周邊EFP的頭部速度略微增加，中心EFP長徑比顯著增加，周邊EFP的飛散角明顯減小，減小了1°左右。這是因為爆轟波繞過隔板在軸線處匯聚，作用于中心藥型罩罩頂，使罩頂微元壓力顯著增加。同時藥型罩徑向壓垮速度也逐漸增加，減小了EFP的直徑，而徑向應變又利于增加軸向應變[14]，從而增加EFP的長徑比。隨著隔板直徑的增加，爆轟波陣面與周邊藥型罩罩外壁面的夾角也逐漸減小，使得周邊彈丸飛散角減小。

4.3 罩頂藥高對MEFP成型的影響

選取隔板厚度s為20 mm，隔板直徑d為55 mm不變，設計罩頂藥高h分別為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm進行數值模擬，對MEFP在600 s時的基本參數進行了統計，具體如圖7所示。

圖7顯示了MEFP速度、長徑比以及飛散角度隨罩頂藥高的變化曲線。觀察曲線可得，隨著罩頂藥高的增加，中心EFP和周邊EFP的頭部速度有明顯的增加，中心EFP的長徑比顯著增大，周邊EFP長徑比先增加后不變，周邊EFP的飛散角略微減小。這是因為隨著罩頂藥高的增加，作用在藥型罩頂部的有效裝藥量增加，從而顯著提升了EFP的頭部速度和長徑比，但是隨著罩頂藥高的增加，爆轟波陣面與藥型罩外壁面的夾角并沒有太大改變，所以周邊EFP的飛散角無明顯變化。

圖7 MEFP成型參數隨罩頂藥高變化曲線

4.4 隔板材料對MEFP成型的影響

聚能裝藥的隔板材料影響爆轟波的傳播速率，從而影響爆轟波繞射過隔板后的爆轟波波形。金屬隔板材料可以完全阻擋爆轟波的透射，使得爆轟波只能從隔板兩側繞射傳播。非金屬隔板材料無法完全阻擋爆轟波，部分爆轟波可以透射過隔板，再與繞射過隔板的爆轟波一起相互作用后繼續傳播[15]。雖然金屬材料隔板的隔爆性能優于非金屬材料。但在實際應用中，由于非金屬材料的密度小、質量輕并可以盡量減少裝藥總重量，所以在隔板厚度s為20 mm，隔板直徑d為55 mm，罩頂藥高h為40 mm的條件下，選取隔板材料分別為尼龍和鋁進行數值模擬分析。

表5為不同隔板材料情況下爆轟波傳遞過程，從表5中可得尼龍材料隔爆性能最弱，幾乎不隔爆，鋁材料能阻隔一部分爆轟波，但是不能完全阻隔爆轟波，鋼隔板可以做到完全隔爆。

表5 不同隔板材料時爆轟波傳遞方式

圖8分別為隔板材料為尼龍、鋁和鋼時600 μs處的MEFP成型情況。結合表6分析可得:當隔板材料換為鋁和尼龍時，中心EFP的頭部速度會明顯的增加，頭尾速度差逐漸增大，EFP的長徑比也隨之增加。原因是鋁和尼龍材料密度小，材料阻抗低，爆轟波透過隔板作用在中心藥型罩上的透射波壓力大。并且尼龍材料塑性、延展性較好，質量小，變形時吸收的能量遠小于金屬材料變形所吸收的能量[16]，故形成的中心EFP長徑比大，頭部速度高。隔板材料的改變對周邊EFP的飛散角沒有太大的影響。

圖8 不同隔板材料600 μs時MEFP成型情況圖

表6 不同隔板材料時MEFP基本參數

5 結論

1)隔板的添加會改變爆轟波波形，中心EFP的形狀由橢球形向長桿形轉變，中心EFP頭部速度提高11.58%，長徑比提升140%，周邊EFP飛散角減小0.74°。

2)隔板厚度對中心EFP頭部速度和長徑比的影響最小，對周邊EFP飛散角的影響最大；隔板直徑對EFP的長徑比和飛散角均有明顯影響，罩頂藥高對中心EFP頭部速度和長徑比的影響最大，對周邊EFP飛散角的影響最小。

3)隨著隔板材料密度的減小，MEFP頭部速度逐漸增加，長徑比逐漸增大，周邊EFP飛散角無明顯變化。