雙層罩軸向組合式裝藥結構MEFP數值模擬

辛廣華，楊寶良，景 彤，趙太勇，王維占，易榮成，王卓碩，周 滔

(1 中北大學機電工程學院，山西 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，山西 太原 030051；3 西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065；4 重慶長安工業(集團)有限責任公司，重慶 401120)

0 引言

爆炸成型彈丸(EFP)戰斗部選用多層罩技術是針對復合裝甲、爆炸反應裝甲等新型裝甲的迭代和創新而采用的新型技術。多層罩EFP的藥型罩呈軸向疊加放置,在起爆時可形成多個可穩定分離的爆炸成型彈丸,對裝甲可形成多重侵徹毀傷。多層罩技術在EFP中的應用具有裝藥化學能利用率高等特點,可顯著提高彈丸裝甲的侵徹能力。國內外學者對多層藥型罩技術進行了大量研究[1-2]。Hong等[3]對雙層罩的形成過程進行細致的數值仿真研究。Fong等[4]對兩層和三層鐵EFP戰斗部進行試驗研究,獲得長徑比很大的EFP戰斗部。楊帥等[5]建立了前后級爆炸成型彈丸飛行速度的理論計算模型,分別得出實現雙層EFP的包覆或分離的結構參數取值范圍。楊朝霞等[6]提出了一種雙層階梯型聚能裝藥結構,在大炸高條件下,可實現對移動目標的多孔毀傷效應。王維占等[7]通過對銅-鐵復合雙層EFP球缺罩數值模擬得到雙層罩結構內罩采用頂厚邊薄結構,外罩采用頂薄邊厚結構時,可實現對內罩較好的包覆效果。滕桃居等[8]研究內外罩材料對串聯EFP的成型及侵徹性能的影響,設計了5種不同材料組合的雙層藥型罩,得到了鋁-純鐵組侵徹體對鋼筋混凝土靶板表現出較好的侵徹效果。

MEFP戰斗部是基于EFP戰斗部在徑向拓展衍生而出的一種高效毀傷戰斗部。相較于傳統的EFP戰斗部,MEFP戰斗部在徑向上繞中心點均勻放置多個藥型罩,在起爆時可形成多個爆炸成型彈丸,具有對目標密集攻擊并造成大面積毀傷的特點,大大提高了對可移動目標的中靶率,是目前國內外學者研究的熱點[9-11]。Liu等[12]研究了具有7個半球形藥型罩的MEFP戰斗部的成型和空間散布規律,并對MEFP的成型過程和形態在數值結果的基礎上進行了描述。Ma等[13]研究了藥型罩與殼體一體化設計的MEFP成型特性優于單獨設計。周滔等[14]提出了一種新型組合式端面MEFP聚能裝藥結構,該結構能成型一枚“桿式”的中心彈丸和12枚“拳狀”的周向輔助彈丸,可對裝甲目標產生多點毀傷效應。朱斐宇等[15]選用了軸向組合式MEFP戰斗部,研究了3種裝藥材料對軸向式MEFP成型及侵徹效果,并得到了在特定裝藥下藥型罩壁厚和曲率半徑最佳取值范圍。楊寶良等[16]對在不同起爆方式下MEFP戰斗部形成的EFP陣列進行了研究,得到在中心線起爆與端面起爆方式下的MEFP均能形成初速大、攻角小、氣動性能良好的EFP。

基于EFP多層罩技術侵徹深度大的優點和MEFP多點毀傷的特點提出了一種雙層罩軸向組合式裝藥MEFP,運用數值模擬的方式再現了該結構成型及侵徹過程,研究裝藥高度、主(輔)曲徑比、主(輔)壁厚、主(輔)前后級壁厚比等因素對爆炸成彈丸成型規律的影響,并探究其對45#鋼靶板的侵徹能力。

1 裝藥結構方案設計

提出一種雙層等壁厚球缺型藥型罩、軸向組合式裝藥結構的MEFP。戰斗部有限元網格示意圖如圖1所示。雙層罩組合裝藥式MEFP結構主要由殼體、隔板、獨立主輔裝藥、閉氣環、主輔雙層藥型罩組成,網格尺寸分別為1.5 mm、2 mm、2 mm、1 mm、0.6 mm。為對目標裝甲多點毀傷,采用9罩式結構,主罩1枚雙層,輔罩8枚雙層,輔罩繞主罩中心周向均勻放置。主輔罩裝藥間距15 mm,起爆方式采用9點同時起爆,起爆點位于各子裝藥頂面中心位置。各子裝藥之間由隔板填充,材料為尼龍材料,用以減小各主輔裝藥之間爆轟波的影響。MEFP結構示意圖如圖2所示,H為裝藥高度,D1,D2分別為主、輔罩裝藥直徑,R1,R2分別為主、輔罩曲率半徑。圖2結構模型中主罩底內口徑和裝藥直徑為50 mm,輔罩底內口徑和裝藥直徑為30 mm,口徑170 mm,殼體壁厚5 mm,閉氣環厚度4 mm。

圖1 MEFP有限元網格示意圖Fig.1 Schematic of MEFP finite element mesh

圖2 MEFP結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of MEFP structure

通過TRUEGRID建立該MEFP有限元網格模型,為觀測主、輔藥型罩全運動過程,建立該結構的三維全模型。數值模型采用g-cm-μs單位制。計算網格是Solid164八節點六面體單元,殼體、裝藥、隔板、藥型罩、閉氣環等均采用拉格朗日算法,各部件之間的接觸采用自動面-面接觸算法。在數值模擬計算過程中,裝藥采用8701高爆炸藥,材料模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN,狀態方程為JWL,其主要參數見表1[6]。主、輔前后級藥型罩材料采用紫銅,閉氣環材料采用鋁,殼體材料采用45#鋼,金屬材料全部采用JOHNSON-COOK材料模型,狀態方程為GRUNEISEN,材料主要參數見表2[6]。隔板采用尼龍材料,模型采用MAT_PLASTIC_KINE MATIC,材料參數見表3[17]。

表1 8701炸藥參數Table 1 Parameters of 8701 explosive

表2 金屬材料參數Table 2 Parameters of metal material

表3 尼龍材料參數Table 3 Parameters of nylon material

2 MEFP成型過程分析

雙層罩軸向組合式裝藥結構MEFP的聚能結構主要由殼體、隔板、藥型罩和閉氣環組成,在0～1 μs時裝藥被瞬間起爆,在1～9 μs時高爆炸藥8701瞬間起爆所產生的高壓以球形爆轟波在各子裝藥內傳播。由于尼龍材料作為隔板在裝藥與裝藥之間充當填充物質,大大削弱了各爆轟波之間的相互影響,使得各爆轟波在各自裝藥內傳播具有較好的獨立性,9 μs時爆轟波與藥型罩接觸,爆轟波在裝藥和藥型罩分界面發生透射和反射現象;在9～12 μs時,透射波由分界面傳入藥型罩使藥型罩發生塑性變形,反射波反向傳入裝藥。爆轟應力波傳播過程見圖3。

圖3 爆轟波傳播示意圖Fig.3 Schematic diagram of blast wave propagation

爆轟波在各聚能部件聚能作用下與雙層藥型罩接觸,在接觸瞬間完成裝藥和藥型罩之間的能量傳遞,并且藥型罩在爆炸載荷作用下發生壓垮、翻轉、成型等過程,主輔雙層罩成型過程如圖4所示。

圖4 雙層罩組合式裝藥MEFP成型過程Fig.4 The forming process of double-layer liner combined charge MEFP

在MEFP成型過程中分為4個階段：壓垮階段(0～14 μs)、翻轉階段(14～46 μs)、成型階段(46～150 μs)和穩定分離階段(150 μs之后)。壓垮階段爆炸載荷作用于藥型罩,使得藥型罩由原本球缺罩壓垮成餅狀。在翻轉階段,藥型罩同爆轟產物有效作用結束,藥型罩頂部微元的軸向速度大于底部微元的軸向速度,從而在藥型罩頂部與底部形成速度梯度,藥型罩各微元在速度梯度作用下由餅狀向外翻轉并逐漸向彈丸形狀成型。在成型階段,藥型罩中部軸向速度超前,邊緣軸向速度滯后,因此向對稱軸收攏,最終形成帶尾裙的彈丸。前級EFP軸向速度始終大于后級EFP軸向速度,前后級EFP在飛行過程中可穩定分離。在穩定分離階段前后級EFP完全分離并進行持續性分離。在分離過程當中,中心雙層罩受周向爆轟波影響較為均勻,飛行過程當中軸向性較好,周向雙層罩受中心爆轟波影響在飛行過程中存在一定的擴散,150 μs時各EFP成型參數如表4所示。

表4 150 μs時各MEFP成型參數Table 4 MEFP moulding parameters at 150 μs

3 MEFP成型因素分析

3.1 裝藥高度影響分析

裝藥長徑比L/D對EFP的速度有較大的影響。當裝藥長徑比增大時,EFP的長徑比亦增大,速度相應提升,但其速度的提升幅度隨裝藥長徑比的增加而逐漸減小[18]。在主裝藥直徑50 mm、輔裝藥直徑30 mm、主罩曲率半徑50 mm、輔罩曲率半徑39 mm、藥型罩壁厚4 mm、主輔藥型罩前后級壁厚1∶1既定條件下,探究裝藥高度H在60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm七種工況條件下的MEFP主輔雙層罩成型規律,成型結果見表5。

表5 不同裝藥高度下MEFP主(輔)雙層罩成型對比Table 5 Comparison of MEFP main(auxiliary) double-layer liners moulding at different charging heights

由圖5可知,隨裝藥高度增加,各主輔前后級EFP的速度也隨之增加,且隨裝藥高度增加呈現線性增長,主輔前級EFP速度均大于主輔后級EFP速度,有利于前后級EFP穩定分離。

圖5 EFP長徑比、速度隨裝藥高度變化圖Fig.5 Variation of EFP L/D ratio and speed with charging height

隨裝藥高度增加,主輔前級EFP長徑比呈現增長趨勢,主罩前級長徑比隨裝藥高度增長尤為明顯;主輔后級EFP長徑比呈現穩定趨勢。原因是后級EFP在塑性變形過程當中有來自前級EFP塑性變形的束縛,而前級EFP沒有。當裝藥高度為60 mm、65 mm時裝藥過低,EFP長徑比過小,成型為短粗狀,不利于彈丸對裝甲的侵徹。當裝藥高度為80 mm、85 mm、90 mm時裝藥過高,EFP長徑比過大,成型長條狀,不利于彈丸在空中的穩定飛行。當裝藥高度為70 mm、75 mm時,EFP長徑比適中,彈丸成型較好,有利于彈丸穩定飛行和對裝甲的侵徹。裝藥高度為75 mm時,各EFP的速度、長徑比均優于裝藥高度為70 mm,故裝藥高度選定75 mm。

3.2 藥型罩曲徑比影響分析

藥型罩曲徑比R1/D1(R2/D2)對EFP成型有較大影響。在裝藥高度75 mm、藥型罩壁厚4 mm和主輔藥型罩前后級壁厚1∶1等既定條件下,探究主(輔)曲徑比R1/D1(R2/D2)在0.7(1.0)、0.8(1.1)、0.9(1.2)、1.0(1.3)、1.1(1.4)、1.2(1.5)、1.3(1.6)七種工況條件下的MEFP主輔雙層罩成型規律,成型結果見表6。

表6 不同曲徑比R1/D1(R2/D2)下MEFP主(輔)雙層成型對比Table 6 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding under different curvature ratios

由圖6可知隨主輔曲徑比增大,主輔前級EFP速度減小,主輔后級EFP后級速度增大,前級EFP速度總大于后級EFP速度,有利于前后級EFP穩定分離,且前后級EFP速度隨曲徑比增大趨于平緩、穩定。這是因為隨曲徑比增大,藥型罩與裝藥接觸面積減小,藥型罩罩頂高度減小,所受到的爆炸載荷作用減小,這直接導致主輔前級EFP速度減小。而后級EFP速度增大是由于雙層藥型罩在接觸傳遞能量過程中,前級EFP所獲取的能量減少,故后級EFP所獲取到的能量增加,后級EFP速度增大。雙層罩EFP在塑性變形過程中,后級EFP塑性變形始終受到前級EFP塑性變形束縛,故主輔前級EFP速度均大于主輔后級EFP速度。

圖6 EFP長徑比、速度隨主(輔)曲徑比變化圖Fig.6 Variation of EFP L/D ratio and speed with main (auxiliary) curvature to diameter ratio

隨主輔曲徑比增大,主輔前級EFP長徑比從整體上觀察呈現減小趨勢,主輔后級EFP總體上呈現增大趨勢。主輔前級EFP速度的下降導致EFP頂部微元與EFP底部微元速度梯度減小,故主輔前級EFP長徑比減小。同理,主輔后級EFP速度增大致使主輔后級EFP長徑比增大。

由表6可知得,主(輔)曲徑比在0.7(1.0),0.8(1.1),0.9(1.2)工況下長徑比過大,不利于侵徹。主(輔)曲徑比在1.1(1.4),1.2(1.5),1.3(1.6)工況下長徑比過小,不利于穩定飛行。主(輔)曲徑比在1.0(1.3)下,主(輔)前后級EFP成型較好。

3.3 藥型罩壁厚影響分析

藥型罩總壁厚對EFP成型有影響。在裝藥高度75 mm、主(輔)曲徑比1.0(1.3)、主(輔)前后級壁厚1∶1等既定條件下,探究主(輔)壁厚在3.0 mm(1.5 mm)、3.5 mm(2.0 mm)、4.0 mm(2.5 mm)、4.5 mm(3.0 mm)、5.0 mm(3.5 mm)五種工況條件下的MEFP主輔雙層罩成型規律,成型結果見表7。

表7 不同主(輔)壁厚下MEFP主(輔)雙層成型對比Table 7 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding with different main (auxiliary) wall thicknesses

由圖7可知,隨著罩壁厚增加,主輔前后級EFP速度均呈下降趨勢,原因是隨罩壁厚越厚,藥型罩發生塑性變形過程需要消耗的能量越大,而藥型罩所受到的爆炸載荷一定,故各EFP的速度均呈現下降趨勢,且各EFP速度減小幅度隨總壁厚增加而減緩。各工況下輔罩壁厚均小于主罩壁厚,這使得輔罩前后級EFP速度均大于主罩前后EFP速度。

圖7 EFP長徑比、速度隨主(輔)藥型罩總壁厚變化圖Fig.7 Variation of EFP L/D ratio and speed with the wall thickness of the main (auxiliary) double-layer liners

隨著壁厚增加,各EFP的長徑比總體呈減小趨勢。原因是因為EFP的速度呈現下降趨勢,各EFP速度梯度減小,各EFP長徑比也隨之減小,且各EFP長徑比減小幅度隨壁厚增加而減緩。

由表7中EFP成型形態可知,主(輔)壁厚為3.0 mm(1.5 mm)、3.5 mm(2.0 mm)時,各EFP成型長條狀,長徑比過大,容易斷裂。主(輔)壁厚為4.5 mm(3.0 mm)、5.0 mm(3.5 mm)時,各EFP成型短粗壯,長徑比較小,不利于侵徹。主(輔)壁厚為4.0 mm(2.5 mm)時,主輔前后級EFP成型較好,長徑比適中,有利于穩定飛行和侵徹。

3.4 前后級壁厚比影響分析

雙層結構中,藥型罩前后級壁厚比對EFP成型有影響。在裝藥高度75 mm,主(輔)曲徑比1.0(1.3)、主(輔)壁厚4.0 mm(2.5) mm等既定條件下,探究前后級藥型罩壁厚比值在0.33、0.50、0.67、1.00、1.50五種工況條件下的MEFP主輔雙層罩成型規律,成型結果見表8。

表8 不同前后級罩壁厚比下MEFP主(輔)雙層成型對比Table 8 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding with different wall thickness ratios of front and rear liners

由圖8可知,隨前后級壁厚比值增大各EFP的速度也隨之呈線性下降。由于輔罩壁厚薄于主罩壁厚,使得周向輔罩前后級EFP的速度均大于中心主罩前后級EFP的速度,且主(輔)前級EFP速度均大于主(輔)后級EFP速度。

圖8 EFP長徑比、EFP速度隨主(輔)前后級壁厚變化圖Fig.8 Variation of EFP L/D ratio and speed with wall thickness ratio of main (auxiliary) front and rear level liner

隨前后級壁厚比值增大各子EFP長徑比均隨之先減小后增大,這是因為前后級壁厚隨壁厚比增大由最初前薄后厚逐漸變成前厚后薄造成的。主(輔)前后級EFP在壁厚比值大于0.5時均呈現頭部小、中徑細、尾翼大的特點,壁厚比為0.5較0.33各EFP尾裙更加收斂。故MEFP成型在壁厚比為0.5時較好。

4 侵徹威力分析

4.1 MFEP極限侵徹威力分析

綜上所述,雙層罩軸向組合式裝藥結構MEFP在裝藥高度75 mm、主(輔)曲徑比1.0(1.3)、主(輔)罩壁厚4.0 mm(2.5 mm)、主(輔)罩前后級壁厚比值0.5時各EFP成型較好。選定以美國LAV-25輪式步兵戰車作為MEFP的侵徹目標驗證MEFP侵徹能力,選取正面首上裝甲,等效靶為12 mm厚45#鋼靶[14],靶板長×寬為400 mm×400 mm,靶板中心200 mm×200 mm區域進行網格加密1 mm,周邊區域通過3∶1比例進行2次網格稀疏化處理,以減小仿真計算量。通過在炸高0.3 m處主輔前級EFP侵徹45#鋼靶板,主輔后級EFP侵徹45#鋼靶板,MEFP整體侵徹45#鋼靶板仿真實驗來驗證主輔前級EFP、主輔后級EFP、MEFP整體對裝甲的毀傷能力。毀傷結果見圖9和表9。

表9 MEFP侵徹結果統計表Table 9 Statistics of MEFP penetration results

圖9 炸高0.3 m時MEFP侵徹45#鋼靶板Fig.9 MEFP penetrate into 45# steel target plate at 0.3 m height of burst

由圖9可知,前級EFP和后級EFP單獨侵徹45#鋼靶板均可穩定穿透第一層靶板并對第二層靶板造成局部毀傷,MEFP對45#鋼靶板可穩定穿透兩層靶板,并對第三層靶板局部區域造成毀傷。無論是前級EFP、后級EFP對45#鋼靶板單獨侵徹,還是MEFP對45#鋼靶板整體侵徹,均對45#鋼靶板造成了9點位貫穿毀傷。由表9數據可知,開孔直徑均大于10 mm,MEFP侵徹深度較前級EFP,主罩和輔罩分別提升了69.7%和40%,較后級EFP,主罩和輔罩分別提升了86.7%和84.2%。由侵徹結果可知,雙層罩軸向組合式裝藥結構MEFP可以對裝甲目標實現深侵徹、多點位毀傷。

4.2 大炸高下MEFP侵徹威力分析

MEFP在穩定飛行階段,輔罩EFP受中心爆轟波影響,在軸向上存在一定的擴散,這對MEFP侵徹目標裝甲有所影響。對MEFP在炸高分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m五種工況下探究MEFP對靶板的開孔特點。

由圖10可知,炸高為1 m、2 m時,主罩EFP軸向性較好,對靶板開孔在一個點位上,輔罩由于存在擴散,前級EFP和后級EFP對靶板開孔相連,對靶板開出9個孔位。當炸高不小于2 m時,主罩EFP同軸性依舊很好,輔罩EFP擴散性隨炸高增大而增大,且輔罩前級EFP和后級EFP開孔分離并在靶板開孔上呈“米”字形,可對靶板開出17個孔洞。

圖10 大炸高下MEFP開孔特性Fig.10 MEFP opening characteristics under large burst heights

由表10數據和圖11曲線圖觀察可知,輔罩前后級毀傷半徑均隨炸高增大而增大,且輔罩前后級EFP毀傷半徑間距隨炸高增大而增大。由上所述,MEFP在大炸高工況下,可對目標靶板實現多孔位毀傷。

表10 輔罩前后級EFP開孔參數表Table 10 Parameters of EFP openings of auxiliary liner

圖11 輔罩落點毀傷半徑隨炸高變化示意圖Fig.11 Schematic diagram of the variation of damage drop radius of auxiliary liner with burst height

5 結論

1)通過MEFP成型數值仿真計算,驗證了文中提出的雙層罩軸向組合式裝藥MEFP聚能戰斗部結構的可行性,該戰斗部起爆后可穩定成型前級9枚,后級9枚,總計18枚EFP。實現了雙層罩技術在MEFP中的應用。

2)雙層罩軸向組合式裝藥結構MEFP在裝藥高度為75 mm、主(輔)罩曲徑比為1.0(1.3)、主(輔)罩壁厚為4 mm(2.5 mm)、主(輔)藥型罩壁厚比值為0.5時,MEFP各子EFP長徑比適中、速度較大,具體表現為主罩前(后)級EFP長徑比為1.88(1.82),輔罩前(后)級長徑比為2.31(1.78),主罩前(后)級EFP速度為1 712 m·s-1(1 371 m·s-1),輔罩前(后)級EFP速度為2 257 m·s-1(1 894 m·s-1)。

3)MEFP在炸高為0.3 m時各子EFP對目標裝甲開孔均大于10 mm,MEFP前級和后級EFP均可穩定穿透一層靶板,MEFP在穿透兩層靶板后任具有后效侵徹能力。在大炸高條件下, MEFP中心主罩同軸性較好,可對目標裝甲進行雙重侵徹毀傷,周向輔罩具有擴散性,可對目標裝甲進行多點位毀傷,最多可對目標開17個孔位,輔罩前后級EFP孔位和孔位間距隨炸高增大呈‘米’字形擴散。

研究內容對多層罩技術應用于MEFP末敏彈聚能戰斗部結構發展提供了參考。