基于夾層裝藥的EFP結構設計及仿真分析

曹 鑫，崔東華，馮 煒，焦俊杰

(1.海軍工程大學 兵器工程學院，武漢 430033；2.中國人民解放軍91054部隊，北京 102442；

3.南京理工大學，南京 210094)

1 引言

隨著目標防護能力的不斷增強，迫切需要設計侵徹威力更大的爆炸成型彈丸(EFP)，以滿足武器系統威力設計的要求。現有提高EFP侵徹威力的方式主要是通過增加裝藥的長徑比、改變起爆方式、改變殼體厚度和殼體材料、藥型罩結構的設計來提高EFP的著靶速度、EFP密實度和EFP的長徑比等。為了進一步提高聚能裝藥的侵徹威力，張先鋒利用夾層裝藥形成的超壓爆轟對聚能裝藥射流的侵徹性能進行了研究。隨后潘建利用帶隔板裝藥形成的超壓爆轟對EFP成型過程進行了數值仿真和實驗研究，可以大幅度提高EFP的成型速度和長徑比。李玉品在綜合復合裝藥的沖擊波特性和能量輸出規律的基礎上，分析了不同藥型罩結構下，單層裝藥與夾層聚能裝藥2種結構產生的爆轟波波形以及壓垮驅動形成EFP的過程和侵徹過程，但是對于夾層裝藥EFP成型過程，夾層裝藥的結構直接影響著爆轟波的傳播規律，進一步影響EFP的成型規律，而現有的研究對此研究較為缺乏。

本研究利用AUTODYN有限元軟件對不同夾層裝藥結構的EFP成型過程進行分析，獲得不同夾層裝藥結構對EFP成型參數的影響規律，為夾層裝藥EFP裝藥結構的設計提供理論基礎和數據支持。

2 模型建立

2.1 裝藥結構的設計

為了對比不同夾層裝藥結構下爆炸成型彈丸的成型過程，本研究采用球缺型藥型罩，其中藥型罩的厚度為3 mm，裝藥口徑取為60 mm，藥型罩的口徑為50 mm，并保持裝藥高度(50 mm)和外層裝藥的口部長度(5 mm)不變，通過改變頂部的尺寸來改變夾層裝藥的裝藥結構，并設置不同的起爆方式，來觀察裝藥結構對藥型罩的成型過程的影響，其結構如圖1所示。

圖1 夾層裝藥EFP裝藥結構示意圖Fig.1 EFP structure diagram of sandwich charge

2.2 仿真計算模型

EFP成型過程是一種多物質相互作用的大變形運動過程，本文中采用非線性動力學仿真軟件AUTODYN-2D中Euler算法模擬計算藥型罩的壓垮和成型過程。

藥型罩材料為CU-OHFC高導無氧銅，密度為8.96 g/cm，狀態方程為Shock，強度模型為Steinberg-Guinan；炸藥選用材料庫中HMX-TNT和HMX炸藥作為高爆速速炸藥和低爆速炸藥，其密度為分別為1.776 g/cm和1.891 g/cm，采用JWL狀態方程。本構關系為High_explosive_burn；空氣采用Null本構方程和Gruneisen狀態方程，避免壓力在邊界面反射，在整個空氣計算域的外表面定義無反射邊界。為了對比不同夾層裝藥結構下對EFP成型過程，設置如圖1所示6個觀測點，具體的裝藥結構參數如表1所示。

表1 夾層裝藥結構及參數Table 1 Structure and parameters of sandwich charge

3 仿真結果及分析

3.1 內外層裝藥對EFP成型的影響過程分析

為了對比單一裝藥、不同裝藥結構以及起爆方式對EFP成型的影響，對結構編號1～4進行了仿真，仿真結果見表2。

表2 單一裝藥和夾層裝藥的仿真結果Table 2 Simulation results of single charge and sandwich charge

由表2可知，對于單一裝藥結構1形成的EFP速度和長徑比明顯低于其他復合裝藥結構，當采用點起爆時外層為低爆速炸藥(結構編號3)EFP的速度和密實度低于外層為高爆速炸藥(結構編號2)，但是長徑比差別不大。而外層為低爆速炸藥時(結構3)與單一裝藥的成型結構類似，速度介于結構1和結構2之間，長徑比稍微較高。而對于面起爆時，復合裝藥的結構4與點起爆復合裝藥結構2的EFP成型結構相似，速度明顯高于結構2的速度，密實度下降，但是長徑比提高了一倍。從成型結構來看，采用復合裝藥時，可以改變EFP的成型結構，主要是由于其波形傳播過程發生了變化，單一裝藥和復合裝藥的爆轟波傳播過程如圖2所示。

圖2 單一裝藥和復合裝藥的爆轟波傳播過程云圖(上圖為5 μs，下圖為10 μs)Fig.2 Detonation wave propagation process of single charge and composite charge(the Fig.above is 5 μs，the Fig.below is 10 μs )

由圖2可以看出，當采用單一裝藥時，炸藥的爆轟波沒有匯聚的現象，而采用復合裝藥結構時，在外層裝藥和內層裝藥的連接處，出現了爆轟波匯聚的現象，匯聚的壓力明顯高于單一裝藥球形波陣面的壓力。除此之外，對于外層裝藥為高爆速炸藥時，還會出現爆轟波在裝藥的中軸線匯聚的現象，導致藥型罩的頂部會出現壓力增高，二次對藥型罩進行壓垮的過程，使得EFP的密實度增大。

由上分析可見，當外層為高爆速炸藥時，可以改變EFP的成型過程，因此對外層為高爆速炸藥的結構進行進一步分析。

3.2 內層外層裝藥結構對EFP成型的影響過程分析

為了研究外層為高爆速炸藥的不同夾層裝藥結構對EFP成型的影響，對結構編號5～7進行了仿真，仿真結果見表2。

表2 不同復合裝藥結構仿真結果

由表2可知，保持夾層裝藥和起爆方式相同前提下，隨著夾層裝藥結構的不同，對于裝藥結構5、6和7，密實度隨著的增大而增大，長徑比和EFP的速度呈現先增大后減小的趨勢，但是EFP的成型形狀越來越好，其爆轟波的傳播圖形如圖3所示。

圖3 同復合裝藥結構面起爆的爆轟波傳播過程云圖(上圖為5 μs，下圖為10 μs)Fig.3 Detonation wave propagation process of initiation of structural plane of different composite charges(the Fig.above is 5 μs，the Fig.below is 10 μs )

由圖3可以看出，當采用不同的時，其內外層裝藥連接處的爆轟波的波陣面的長度越來越長，并且壓力越來越高，導致其藥型罩邊緣的壓垮速度也越來越高，并且波正面還會出現二次匯聚的現象，其藥型罩的中部也會由二次壓垮的現象，為了進一步分析不同夾層結構的成型過程，各個高斯點在成型過程中的速度如圖4所示。

圖4 不同結構成型過程中各個高斯點速度曲線Fig.4 Velocity law of each gauss point in the forming process of different structures

從圖4可以看出，由于裝藥結構的不同導致爆轟波壓力的不同，藥型罩各個高斯點的速度呈現梯度分布。相對于單一裝藥，由于藥型罩邊緣的壓力遠小藥型罩頭部的壓力，使高斯點5和6的速度遠高于高斯點2的速度，并且各個高斯點的之間的速度分布不均勻。當復合裝藥結構變化，導致爆轟波壓垮壓力的變化，隨著的增大，高斯點的壓垮速度也隨著增大，并且各個高斯點之間的速度差也在20 μs時減小，尤其是對于結構6，各個高斯點的速度差幾乎相等。復合裝藥除了影響壓垮速度，對于拉伸速度也有很大影響，隨著的增大，高斯點5和6速度達到相同的時間越來越晚，使裝藥結構7長徑比達到最大。因此整體的EFP的成型結構、密實度和長徑比隨著裝藥結構的改變而改變。

4 結論

1)本文對單一裝藥和不同復合裝藥結構的EFP成型過程進行了仿真研究，研究結果表明，復合裝藥結構可以改變EFP 的成型過程，并且提高EFP的速度、長徑比和密實度。

2)對于不同的復合裝藥結構，可以改變EFP的壓垮和拉伸過程，從而改變其拉伸速度，其中隨著的增大，各個高斯點的之間的速度差減小，并且高斯點5和6速度達到相同的時間越來越晚。