MEFP刻槽式藥型罩成型過程的數(shù)值模擬

張 健，姜 昆，相升海，王 猛，黃德武

(沈陽理工大學裝備工程學院，遼寧沈陽110159)

自20世紀80年代以來，為提高彈丸命中裝甲目標概率，國內(nèi)外在戰(zhàn)斗部技術(shù)方面進行了廣泛的分析研究，其中的成果之一是發(fā)明了MEFP戰(zhàn)斗部。李裕春等［1］研究了在藥型罩上預(yù)制網(wǎng)格的切割式MEFP;Blache等［2］研究了在戰(zhàn)斗部徑向上放置多個EFP子裝藥的組合式MEFP;李寶峰［3］研究了多罩并聯(lián)式 MEFP;王猛［4］和魏濤等［5］分別研究了刻槽式MEFP，進行了初步數(shù)值模擬。本文應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件對刻槽式MEFP的成型過程進行數(shù)值模擬研究，對不同刻槽形式(即U形槽和V形槽)的成型過程數(shù)值模擬結(jié)果進行對比分析，并對開槽深度與彈丸的關(guān)系進行研究。

1 幾何模型建立

MEFP主要由擋環(huán)、殼體、裝藥、起爆裝置和藥型罩五部分組成。本文在其他參數(shù)不變的情況下，主要對藥型罩結(jié)構(gòu)進行研究。兼顧形成子EFP數(shù)量和殺傷威力的前提下，在藥型罩三等分處進行刻槽，并在中心處開孔，使其在炸藥爆轟作用下形成3枚子EFP，實物照片如圖1a所示。應(yīng)用ANSYS軟件對實體進行三維簡化建模，如圖1b所示，其中藥型罩的直徑為180mm、平均厚度為6mm;裝藥長徑比為0.5。整體計算模型采用Solid164實體單元，求解采用Lagrange方法計算。

圖1 MEFP實物照片和網(wǎng)格圖

2 材料模型及參數(shù)

2.1 藥型罩

藥型罩材料為紫銅，計算中采用 Johnsoncook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程。其Johnson-cook材料模型主要參數(shù)［6］:藥型罩密度 ρ=8.93g/cm3，剪切模量G=50.9GPa，黏聚強度A=0.09GPa，壓力硬化系數(shù)B=0.21GPa，壓力硬化指數(shù)N=0.31，應(yīng)變率系數(shù)C=0.025。

Gruneisen 狀態(tài)方程［6］

式中:γ0為Gruneisen gamma系數(shù);C為 Us-Up曲線的截距;S1、S2、S3為 Us-Up曲線斜率的系數(shù);μ=(1/V)-1，V為相對體積;α為γ0一階體積校正量;E為內(nèi)能。

2.2 裝藥

裝藥選用R/T混合炸藥，炸藥選用High-Explosive-Burn爆轟模型［7］，爆轟產(chǎn)物的膨脹采用JWL狀態(tài)方程，假定爆轟前沿以常速率傳播。主要參數(shù)［6］:炸藥密度 ρ=1.787g/cm3，爆速 D=8390m/s，爆轟膨脹系數(shù)PC-J=34GPa

JWL 狀態(tài)方程［8］

式中:V為相對體積;E為單位體積炸藥的初始內(nèi)能;A、B、R1、R2、ω 為 JWL 狀態(tài)方程的5 個擬定參數(shù)，由圓筒試驗得 A=1798GPa、B=-93.10GPa、R1=6.2、R2=3.1、ω =0.8926。

3 MEFP成型過程數(shù)值模擬及分析

3.1 MEFP成型過程

刻槽式MEFP是在藥型罩圓周上沿120°等分線處刻槽。首先以U形槽為例(參見圖2)，研究刻槽式MEFP的成型過程。

圖2 U形槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為U形槽MEFP成型過程的數(shù)值模擬圖，在裝藥結(jié)構(gòu)起爆15μs后藥型罩在爆轟載荷作用下開始壓垮并翻轉(zhuǎn)變形同時向前飛行。由于罩中心有小孔和預(yù)先刻制的溝槽，刻槽處受到爆轟壓力作用比較集中，整個藥型罩瞬間從刻槽處分開?？滩厶幈Z壓力迅速變小，60μs左右，藥型罩在平均分割的三分之一罩的近似中心處凸起，并逐漸形成3個獨立的 EFP頭部。240μs時，MEFP基本形成3枚完全獨立的EFP。360μs時，三枚子EFP以一定的發(fā)散角向前飛行。

3.2 刻槽方式對MEFP成型的影響

為研究刻槽方式對MEFP成型的影響，選用V形槽進行對比分析。

圖3 U形槽MEFP成型過程

U形槽形成的3枚子EFP(參見圖3)具有彈丸形狀，沿著各自的軸線以較小的發(fā)散角向前飛行，且子EFP具有規(guī)則外形，更有利于打擊遠距離目標。圖4為V形槽MEFP成型過程的數(shù)值模擬圖，由于V形槽刻槽處受到爆轟壓力過于集中，藥型罩在0～30μs的翻轉(zhuǎn)過程中凸起部位靠近藥型罩的中心，導致形成的子EFP速度梯度過大，各子EFP在成型過程中不斷拉伸，在300μs時頭尾速度基本一致，最終形成三枚長細比較大的有別于傳統(tǒng)桿式EFP［9］的子EFP。由于子EFP的長細比較大，其質(zhì)量分布分散，導致頭部密實度降低，不利于攻擊裝甲目標。

圖4 V形槽MEFP成型過程

V形槽形成外形不規(guī)則并有較大長細比的子EFP，可導致飛行穩(wěn)定性降低;對比圖3和圖4兩種刻槽方式下形成的子EFP，其密實度也有差別，U形槽形成子EFP的侵徹性能優(yōu)于V形槽形成的子EFP。

3.3 刻槽深度對MEFP成型的影響

基于3.2的結(jié)論，在其他條件不變的條件下，對U形的刻槽深度做進一步研究。

設(shè)計三種U形槽深度，其刻槽深度分別為H0=H/3、H1=H/2、H2=2H/3，其中 H 為藥型罩厚度。圖5a給出刻槽式MEFP成型過程中1枚子EFP的速度-時間曲線。其中A、B和C分別表示刻槽深度為 H2、H1和 H0時各自的速度-時間曲線。圖5b為三種不同刻槽深度下MEFP成型過程的數(shù)值模擬圖，其中A、B和C分別表示刻槽深度為H2、H1和H0時各成型過程不同階段代表圖。不同刻槽深度下形成的子EFP除平均速度有差別外，其氣動力外形也有明顯差異。

圖5 三種刻槽深度的子EFP速度曲線圖和成型過程圖

由于爆轟波作用于藥型罩的時間是10ms的量級，當刻槽深度小于H1，即刻槽深度從H1變化到H0時，隨著刻槽深度的減小，刻槽處的厚度增加，爆轟波對刻槽處的影響減弱，MEFP形成的子EFP的外形無明顯差異，但平均速度有所減小，最終形成3枚頭部為彈丸形狀并有一定密實度的子EFP。當刻槽深度超過H1，即刻槽深度從H1變化到H2時，隨著刻槽深度的增加，刻槽處的厚度減小，爆轟波對刻槽處的影響加強;由于罩頂口處受到爆轟波作用后瞬間翻轉(zhuǎn)變形，子EFP的頭部速度非常大，大的速度梯度使得藥型罩拉伸變形，最終形成外形不規(guī)則有別于桿式彈丸的片狀子EFP，不利于攻擊裝甲目標。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的刻槽式MEFP結(jié)構(gòu)可在爆轟產(chǎn)物作用下形成預(yù)期的3枚子EFP。

(2)U形槽比V形槽形成的子EFP的外形規(guī)則，且有良好的飛行穩(wěn)定性。

(3)U形槽深度越深，MEFP形成的子EFP的平均速度也隨著增大，同時形成的子EFP外形明顯變差。當刻槽深度為厚度的1/2時形成的子EFP外形規(guī)則并具有較高的速度。

［1］李裕春，程克明.多爆炸成形彈丸技術(shù)研究［J］.兵器材料科學與工程，2008，31(3):74-76.

［2］Blach A.Multi-EFP-charge for light weight amor defeat［A］.18th Intermational Symposium on Ballistics San Anton in TX Institute for Advanced Technology［C］.Texas:The University of Texas at Aust in Southwest Research Institu，1999:419-425.

［3］李寶峰.多爆炸成型彈丸成型機理及數(shù)值仿真研究［D］.太原:中北大學，2005.

［4］王猛，黃德武，羅榮梅.整體多枚爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部試驗研究及數(shù)值模擬［J］.兵工學報，2010，31(4):453-457.

［5］魏濤.一種新型多枚爆炸成型彈丸成型過程數(shù)值模擬［D］.沈陽:沈陽理工大學，2008.

［6］時黨勇，李裕春，張勝民.ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯式動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［7］Meyers M A.Dynam ic behavior of material［M］.張慶明等譯.Beijing:National Defense Industry Press，2006:88-107.

［8］章冠人，陳大年.凝聚炸藥起爆動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1956.

［9］范斌.一種三罩并聯(lián)MEFP戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬研究［D］.太原:中北大學，2010.