端面MEFP成型及威力性能的數值模擬研究

周 滔,楊寶良,易榮成,景 彤,趙太勇,陳智剛,王維占

(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.西安現代控制技術研究所, 西安 710065;4.重慶長安工業(集團)有限責任公司, 重慶 401120)

0 引言

多爆炸成型彈丸(MEFP)是一種基于單個爆炸成型彈丸(EFP)發展而來的高效毀傷戰斗部。為了解決單個EFP對分布密度較大、防護相對較弱的集群裝甲目標、地面武器設備以及人員等目標的毀傷效率不高的問題,20世紀80年代提出了MEFP的設計理念,成為戰斗部技術研究的熱點[1-5]。與傳統的EFP戰斗部相比,MEFP戰斗部可以在保證一定侵徹威力的前提下,形成多個爆炸成型彈丸,且以一定的飛散方向分布在空間內,對地面集群目標、空中飛行目標以及技術類兵器進行大密度、大面積攻擊,從而有效提高戰斗部對目標的毀傷幾率。

對于 MEFP 戰斗部結構設計,Bill等[6]設計一種新型聚集戰斗部,該戰斗部一次起爆可形成55個質量不小于13 g的球形穿甲彈丸;Saroha等[7]則對設計的單點起爆形成多EFP戰斗部進行了侵徹威力試驗研究,然而對于戰斗部具體裝藥尺寸則均未公布。國內關于MEFP的研究起步較晚,楊寶良等[8]設計了一種周圍排列的MEFP戰斗部,并在中心線起爆與端面起爆方式下得到了初速高、攻角小、氣動性能良好的EFP;趙長嘯等[2]設計了一種整體式MEFP戰斗部,能產生7枚近距侵徹威力較大的彈丸,但其周邊彈丸成型形態不佳,氣動穩定性較差;曹明陽等[9]設計了一體式多爆炸成型彈丸戰斗部,可產生17枚彈丸,并通過試驗驗證,但其飛散角達到了14.8°;Ma Guangsong等[10]研究了藥型罩與殼體一體化設計的MEFP成型特性,結果表明采用整體設計的MEFP形態優于單獨設計;LiuJianFeng[11]等研究了具有7個半球形藥型罩的整體式多爆炸成型彈丸( MEFP )戰斗部的成型和空間散布規律,在數值結果的基礎上對MEFP的成型過程和形態進行了描述;Tao Zhou等[12]對新型環形MEFP進行成型和侵徹研究,研究表明隨著軸向曲率半徑的增大,其長徑比減小,侵徹能力下降。

通過上述分析,前人的研究主要集中在球缺型MEFP成型特性和侵徹威力方面的研究,而對于新型結構MEFP成型影響因素、威力半徑方面的研究極度缺乏。因此,本文中設計了一種新型扇形組合式MEFP戰斗部裝藥結構,并對該種MEFP成型特性、成型影響因素進行了分析,發現該戰斗部起爆后可形成一種飛散角可控且滿足一定侵徹威力的周向輔助EFP。

1 結構方案及數值模型

以典型MEFP戰斗部裝藥結構為基礎,研究設計了一種新型且便于加工的組合式MEFP結構,如圖1(a)所示。戰斗部由組合式主輔藥型罩、閉氣環、主裝藥、殼體以及起爆裝置組成。其中藥型罩材料為紫銅,具體分布為:中心主罩外加12枚輔助子罩,扇形輔罩經車制、切削加工而成,工藝簡單,且同一性和對稱性較好;閉氣環采用低密度聚合物制成的鏤空結構,戰斗部裝配時可對藥型罩進行定位,戰斗部起爆后具備一定的閉氣作用,具體結構如圖1(b)所示;主裝藥為8701炸藥,可采用帶罩壓藥工藝制作,以保證各部件之間的裝配精度;殼體材料為45#鋼;采用裝藥端面中心點起爆。

圖1 戰斗部結構示圖

戰斗部結構特征:中心主罩為等壁厚球缺藥型罩,其口部直徑為D,內外壁面曲率半徑分別為SR1=70 mm,SR2=74.5 mm;閉氣環寬度為er=4 mm;裝藥高度為H;裝藥直徑Dk=120 mm;殼體厚度為5 mm;單個輔罩為扇型結構,所對圓心角為24°,其內外壁面曲率半徑分別為R1、R2,厚度e=R2-R1,罩頂高度為h,徑向跨度為L。

采用ANSYS/LS-DYNA有限元數值模擬軟件對MEFP的成型和侵徹過程進行數值模擬研究[13],研究中的仿真模型由于需要獲取周向組件的成型參數,并且EFP成型過程中存在發散效應,無法進行幾何上和理論上的簡化,只能采用全模型。使用TRUEGRID建立1∶1三維實體模型,如圖2所示。

圖2 仿真計算模型

模型計算網格均采用Solid164八節點六面體單元,藥型罩、裝藥、殼體的網格尺寸分別為1.5、2、3 mm,均采用Lagrange算法,它們之間的接觸類型設置為自動面——面接觸,組合式藥型罩建模時分3個部分建立,分別為主罩、輔罩和閉氣環(圖3),其中閉氣環外形特征與輔罩基本一致,其網格尺寸為0.5 mm,設定接觸條件時,閉氣環分別與主輔藥型罩單獨設置了面——面固接接觸(其余接觸類型均為自動面——面接觸),模擬其閉氣、斷裂過程對MEFP成型的影響。

圖3 組合式藥型罩剖視示圖

主裝藥選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程[14]進行描述,主要參數見表1。金屬材料全部采用JOHNSON-COOK材料模型[14],狀態方程為GRUNEISEN,主要參數見表2。

表1 8701 炸藥參數

表2 金屬材料參數

其中:A為屈服應力;B為應變硬化系數;n為應變硬化指數;C為應變率相關系數;m為溫度相關系數。

2 MEFP成型過程

MEFP戰斗部輔罩EFP成型后,會出現發散運動現象,即初始飛行過程中存在一定的初始飛散角,如圖4為本次設計的端面組合式MEFP成型過程示圖。從成型過程可知,輔罩EFP成型后逐漸飛散,而控制輔罩EFP初始飛散角對打擊不同裝甲面目標具有重要意義。

圖4 不同時刻MEFP成型形態

上述成型過程主要分為3個階段:藥型罩受沖擊載荷作用,罩內微元產生速度梯度,主要體現為微元之間相對運動,是輔罩彈丸自身變形的主要階段,其次伴隨著彈丸的翻轉運動;罩微元之間速度梯度逐漸減小,直至不再產生相對運動,但仍有相對運動的趨勢,此時輔罩彈丸外形已經基本確定,主要體現為彈丸以速度瞬心為旋轉中心進行翻轉,即姿態調整階段;最終彈丸內各微元速度趨于穩定,質心不再翻轉,彈丸以一定的速度及方位向外飛散,即穩定飛散階段。選取一枚輔助藥型罩,如圖5(a)所示沿戰斗部徑向建立6個觀測微元,從后處理軟件中讀取各個微元的受載情況,對上述成型過程進行驗證分析。

由圖5(b)可見,當沖擊波瞬時加載在藥型罩上時,觀測點6626、6628、6630、6632、6634、6636由內及外依次受到沖擊波加載作用,且各觀測點壓力曲線第1個波峰所對應時刻依次順延,其大小也基本符合逐漸減小的趨勢;同時隨著時間的增長,在殼體反射稀疏波的作用下,各觀測點壓力曲線出現第2個極值點,其中遠離殼體的觀測點壓力曲線中出現“臺階”,而靠近殼體區域的觀測點壓力曲線則出現第2個波峰,且與其相對應時刻也呈現由內及外的順延現象。

圖5 觀測設置及其壓力變化曲線

綜上可知,當沖擊波作用在藥型罩的瞬間,越靠近中心的罩微元越先受到沖擊載荷,且壓力峰值越大,微元獲得的能量越大,速度越高;而靠近殼體的罩微元受到的壓力峰值較小,微元速度較低,且時間相對延遲,因此藥型罩在自身變形階段還伴隨著“逆時針”翻轉現象(圖4 ,圖6 ),而翻轉過程是影響彈丸最終飛散姿態的重要因素。

圖6 彈丸飛散角測量示圖

由于球面沖擊波對輔助藥型罩的徑向驅動作用以及藥型罩結構的特殊性,MEFP裝藥形成的輔罩EFP除了質心翻轉現象外還存在一定的飛散角,如圖6所示,而飛散角A的大小則是衡量MEFP毀傷面積的重要標準。

研究對比發現,主輔藥型罩結構匹配性、裝藥特性均對飛散角和飛散形態有一定的影響,因此,以下將通過控制變量法依次改變裝藥長徑比,輔罩罩厚度、罩頂高度、徑向跨度4個變量對其成型過程及侵徹威力進行分析。

3 MEFP成型特性及侵徹威力分析

3.1 成型特性分析

3.1.1裝藥長徑比影響

裝藥長徑比[15]是影響EFP形態和飛散特性的重要因素,裝藥長徑比過小會導致藥型罩壓垮不充分,導致EFP形態呈現“扁平狀”,且速度較低,而裝藥長徑比過大會導致藥型罩過度拉伸,EFP形態呈“細長桿”形,其成型速度較高但飛行穩定性較差,因此,選取合適的裝藥長徑比是保證EFP成型特性的重要前提。針對裝藥長徑比對彈丸的影響設置了不同仿真研究方案,其中,取SR1=70 mm,SR2=74.5 mm,R1=35 mm,e=6 mm,h=7.46 mm,L=20 mm,裝藥長徑比H/Dk取0.5～1.33進行數值模擬。從仿真數據來看,隨著裝藥長徑比的增大,主輔藥型罩獲得的能量也逐漸增大,其速度均呈現逐漸提高的趨勢,其中輔罩EFP飛散角呈現先增大后減小的變化趨勢(表3),成型特性曲線如圖7所示。

表3 不同裝藥長徑比下MEFP成型參數

分析沖擊波傳播規律可知,爆轟波在藥柱內以球面波傳播,同時由于殼體的束縛作用,在其內側形成反射稀疏波,隨著裝藥長徑比的增大,爆轟波對藥型罩的作用次序可分為以下3種情況:主罩、輔罩、殼體;主罩、殼體、輔罩;殼體、主罩、輔罩。其中,前2種情況,隨著裝藥長徑比的增大,爆轟波與殼體反射稀疏波作用時間間隔逐漸縮短,其疊加后的波形不穩定,輔罩EFP飛散角隨之增大;而爆轟波作用次序變換為第3種情況后,次序不再隨裝藥長徑比增加而變化,且疊加后的波形趨于穩定,接近平面波,輔罩EFP飛散角也隨之減小。

隨著裝藥長徑比的增大,爆轟產生的能量提高,罩微元之間的速度梯度增加,拉伸現象更加明顯,主罩EFP形態由“短粗桿形”向“細長桿形”變化,而輔罩EFP拳柄長度逐漸增加,其飛散形態呈現過渡變化趨勢(表4)。其中當裝藥長徑比在0.67～1時,主罩彈丸長徑比適中,輔罩EFP飛散角在8°左右,且飛散姿態較好。

圖7 不同裝藥長徑比下MEFP成型特性曲線

表4 不同裝藥長徑比下MEFP形態

3.1.2輔罩厚度影響

藥型罩厚度[16]是影響MEFP成型形態的重要參數,厚度太小則在成型過程中容易發生拉伸斷裂,而厚度過大時藥型罩抵抗變形能力增強,不易被壓垮,兩者皆不能產生形態較佳的彈丸,只有選取恰當的壁厚才能成型長徑比合適且形態較好的彈丸。針對輔助藥型罩厚度對彈丸的影響設置了不同仿真研究方案,其中,取H/Dk=0.67,SR1=70 mm,SR2=74.5 mm,R1=35 mm,h=7.46 mm,L=20 mm,厚度e取4～8 mm進行仿真。當輔罩厚度改變時,其成型速度和飛散角也隨之改變(表5)。

如圖8為不同厚度下彈丸成型特性曲線,當藥型罩厚度e由4 mm增至8 mm時,飛散角由5.47°單調增大至12.69°;輔罩EFP由于其質量增加,而裝藥量基本不變,輔罩分配的能量也基本不變,其成型速度呈下降趨勢,而主罩EFP速度呈現緩慢增長趨勢。

表5 不同輔罩厚度下MEFP成型參數

結合圖8和表6可知,隨著輔罩厚度的增大,主輔EFP之間的速度差也逐漸增大,且主罩速度始終高于輔罩EFP,二者分離過程縮短,整體閉氣性能下降。其中爆轟產物由戰斗部中心向外擴散,其擴散速度與二者速度差成正相關,最終導致輔罩EFP飛散角隨輔罩厚度的增大而增大。同時,殼體反射稀疏波對主罩EFP的作用逐漸減弱,罩微元之間的相對位移減小,拉伸過程縮短,其外形逐漸由“錐形”向“傘形”變化,長徑比減小,彈體閉合效果逐漸變差。從仿真結果來看,輔罩厚度e由4 mm變化至8 mm時,輔罩EFP的形態和飛散姿態都比較好,外形近似“拳頭”,迎風面光滑,飛行阻力較小。因此,可在保證主、輔EFP飛行穩定性和有效毀傷面積的前提下,適當調整輔罩厚度,優化質量與速度的匹配性,提高極限穿深或靶后效能。

圖8 不同輔罩厚度下MEFP成型特性曲線

表6 不同輔罩厚度比下MEFP形態

3.1.3輔罩罩高影響

藥型罩罩高與曲率半徑成負相關,而藥型罩罩高關系到炸藥匯聚能量的比率[16],罩高過大則匯聚能量過大,形成彈丸的長徑比較大,易拉斷;罩高過小則聚能效應變小,形成的彈丸長徑比則過小,容易形成“饅頭狀”彈丸。因此,為得到外形合適的輔罩EFP,針對藥型罩罩高對彈丸形態的影響設置了不同仿真研究方案,其中,取H/Dk=0.67,SR1=70 mm,SR2=74.5 mm,e=6 mm,R2=R1+e,L=20 mm,罩高h取7.27～8.68 mm進行數值模擬,主輔EFP速度及飛散角數據如表7所示。

表7 不同輔罩罩高下MEFP成型參數

由圖9可知,隨著罩高h的增大,主罩EFP速度呈現小幅度增大的趨勢,而輔罩EFP速度則呈現逐漸減小的趨勢,二者之間的速度差緩慢增大,輔罩EFP飛散角也隨著二者速度差的增大而緩慢增大,再次驗證了4.1.2中飛散角隨速度差增大而增大的規律。輔罩罩高h增大時,爆轟波加載在輔罩上時能量匯聚效應得到增強,輔罩內部微元之間速度梯度也隨之增大,成型過程中拉伸現象更加明顯,導致輔罩EFP拳柄長度逐漸增大,其最終形態和飛散姿態逐漸變差(表8),同時輔罩EFP自身變形階段所消耗的能量也隨著罩高h的增大而提高,使得輔罩EFP成型速度降低。由表8可知,當輔罩罩高h取值在7.27～7.72 mm時,主輔EFP成型形態較好。

圖9 不同罩高下MEFP成型特性曲線

表8 不同輔罩罩高下MEFP形態

3.1.4輔罩跨度影響

輔罩跨度是影響能量分配的重要因素,而能量分配則影響到MEFP的成型形態。輔罩跨度增大,即主罩半徑減小,輔罩質量及獲得的能量也隨之增大,主罩則與其相反。因此,為了得到合適長徑比的主罩EFP和質量較大、速度較高的輔罩EFP,文中針對輔罩跨度對彈丸成型的影響設置了不同仿真研究方案,其中,取H/Dk=0.67,SR1=70 mm,SR2=74.5 mm,R1=35 mm,e=6 mm,h=7.27 mm,輔罩跨度L取16～28 mm進行數值模擬,如表9所示。

表9 不同輔罩跨度下MEFP成型參數

由圖10可見,隨著輔罩跨度L的增大,主罩EFP速度隨之減小,而輔罩EFP的速度則逐漸增大,二者之間的速度差逐漸減小,飛散角則由12.48°單調減小至5°。當輔罩跨度L增大時,輔罩獲得的能量也隨之提高,而主罩獲得的能量則逐漸降低。在主罩曲率半徑及厚度不變的情況下,隨著輔罩跨度的增大,主罩罩頂高度逐漸減小,爆轟波的匯聚效應減弱,將不利于主罩成型,其形態由“棒球桿狀”逐漸變化為扁平“饅頭狀”(表10);輔罩EFP隨著跨度的增大,質量增加,相應外形尺寸增大,拳柄長度有所增加,穩定飛散時姿態逐漸變好。

圖10 不同輔罩跨度下MEFP成型特性曲線

表10 不同輔罩跨度下MEFP形態Table 10 Morphology of MEFP under different auxiliary liner spans

3.2 侵徹威力分析

經上述分析可知,研究設計的端面MEFP可在不同結構參數下形成不同飛散特性的彈丸,這將影響到MEFP對裝甲目標的毀傷效能。研究選定以美國LAV-25輪式步兵戰車為MEFP的侵徹目標,選取其正面首上裝甲,等效靶為12 mm厚45#鋼靶,靶板長200 mm,寬200 mm,厚12 mm,網格尺寸為1 mm。其中,對于主罩EFP來說,其質量和速度均高于輔罩EFP,侵徹性能也優于輔罩EFP,故不對其進行侵徹仿真。因此,研究主要對不同著靶速度下輔罩EFP對裝甲目標的侵徹威力分析,端面MEFP戰斗部一次性成型的12枚輔罩EFP具有較好的對稱性和一致性,為提高計算效能,研究提取4種(長徑比、厚度、罩高、跨度)典型成型形態下的單枚輔罩EFP進行威力分析,仿真時彈丸和靶板之間設定雙向面——面侵蝕接觸,計算結果如圖11—圖14所示。

圖11 H/DK=0.5,e=6 mm、h=7.46 mm、L=20 mm時,輔罩EFP質量21 g,飛散角6.39°

圖12 H/DK=0.67,e=8 mm、h=7.46 mm、L=20 mm時,輔罩EFP質量28.1 g,飛散角12.69°

圖13 H/DK=0.67,e=6 mm、h=7.27 mm、L=20 mm時,質量20.8 g,飛散角8.55°

以上4種輔罩EFP的選取依據為:輔罩EFP具備較好的成型形態;各輔罩EFP之間速度、質量、飛散角各不相同。從仿真結果來看,4種成型方案所產生的輔罩EFP均能有效穿透12 mm厚45#鋼靶板,不同著靶速度下靶、彈的變形、失效規律基本一致。

從靶板剖視示圖可見,隨著輔罩EFP著靶速度的提高,彈孔直徑呈增大趨勢,同時由于輔罩EFP形似“拳狀”,并帶有拳柄,因此彈孔形狀呈現“偏心圓臺狀”,且靶板入孔及出孔處均產生花瓣狀的翻邊;從彈體存速和殘余質量隨著靶速度的變化曲線來看,彈體存速與其著靶速度成正相關,而隨著彈丸著靶速度的提高,彈丸觸靶時的接觸應力也隨之提高,進而導致彈體更容易破壞失效,最終導致彈體殘余質量逐漸下降(圖11中著靶速度為1 500 m/s時,彈體完全失效,靶后僅有靶體沖塞形成的碎塊);從飛散角大小來看,上述數據中飛散角最小為5°,最大為12.69°,均能在不同著靶速度下有效穿透靶板,進而表明研究設計的MEFP戰斗部可在不同炸高、不同著靶速度下對裝甲目標進行有效打擊,實現毀傷半徑的可控化。

4 結論

1) 研究通過MEFP成型數值仿真計算,驗證了本文中設計的端面MEFP戰斗部結構的可行性,該戰斗部起爆后可成型一枚“桿式”主EFP和12枚毀傷半徑可控且滿足一定侵徹威力的“拳狀”周向輔助EFP。

2) 當裝藥長徑比取值在0.67～1時,輔罩厚度取值在4～8 mm時,高度取值在7.27～7.72 mm時,徑向跨度取值在16～22 mm時,MEFP的成型形態較好,對應的飛散角變化區間為5～12.69°,可實現對裝甲目標毀傷半徑的可控化。

3) 研究設計的端面MEFP戰斗部可一次性成型12枚質量不低于20 g,速度不低于1 300 m/s的周向輔助EFP,可有效穿透12 mm厚45#鋼靶。