CEW戰(zhàn)斗部成型數(shù)值模擬*

吳國東，董方棟，王志軍，尹建平

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

0 引言

局部戰(zhàn)爭表明，輕型裝甲以及無裝甲防護車輛同重型裝甲車輛一樣倍受青睞。綜合效應戰(zhàn)斗部CEW(combined effects warhead)可以同時產(chǎn)生打擊重型裝甲的單個的EFP以及打擊輕型裝甲和無裝甲防護車輛的多爆炸成形彈丸(MEFP)，實現(xiàn)一彈多用的目的，具有重要的軍事意義。

CEW分為兩部分:常規(guī)EFP藥型罩居于中心，炸藥爆炸后形成單個的EFP;在其周圍有一圈小的藥型罩，形成 MEFP。Richard Fong[1]等人的研究表明，周圍有16個小藥型罩的CEW形成的MEFP不但可以對目標形成足夠的覆蓋，而且小EFP具有充足的質(zhì)量以達到毀傷效果。但Richard Fong等人的研究中未考慮裝藥殼體的影響，MEFP成型不佳，所形成的是16個簡單破片，這必將影響其毀傷效果。目前，關于藥型罩的結構參數(shù)對CEW性能的影響規(guī)律，國內(nèi)外鮮有研究報道。文中采用LS-DYNA軟件，首先通過加殼體以及在外沿加裝炸藥的方法使MEFP成型大大改觀，然后以藥型罩參數(shù)對毀傷元性能的影響為出發(fā)點，分析了壁厚對CEW性能的影響規(guī)律?？蔀閷嶋H研究及應用提供一些理論支持[2－5]。

1 CEW實體結構與仿真模型的建立

文中選用的CEW戰(zhàn)斗部是中間一個大藥型罩，周圍排列16個小藥型罩的戰(zhàn)斗部。實體模型如圖1。中間藥型罩為球缺形，曲率半徑為65mm，藥型罩底部口徑為80mm，周圍小藥型罩為圓錐罩，錐角120°，底部口徑為15mm。

為減小計算時間，建立四分之一模型，如圖2所示。其中炸藥為B炸藥，藥型罩材料為銅，殼體材料為45號鋼。EFP成型的影響因素是多方面的，為簡化計算，做出如下假設:

圖1 CEW戰(zhàn)斗部實體模型

1)藥型罩和殼體均為連續(xù)均勻介質(zhì);

2)不考慮重力影響。

仿真采用LS-DYNA軟件歐拉算法，在EFP飛行的整個空間覆蓋空氣網(wǎng)絡，并添加無反射邊界條件，避免壓力在邊界上的反射?？諝獠捎昧黧w模型，計算方程為線性多項式。炸藥選用B炸藥，采用材料模型HIGH_EXPLOSIVE_BURN和狀態(tài)方程JWL來描述其本構關系，主要材料參數(shù)為:ρ0=1.82×10－3g/cm3，D=8480m/s，Pcj=34.2GPa，E0=9.0GPa。藥型罩材料為銅，材料模型及狀態(tài)方程分別為JOHNSON_COOK、GRUNEISEN，主要材料參數(shù):ρ=8.96 ×10－3g/cm3，G=50.9GPa。

2 數(shù)值模擬結果及分析

2.1 成型數(shù)值模擬

以大罩壁厚4mm，小罩壁厚2.5mm的CEW戰(zhàn)斗部進行成型數(shù)值模擬。仿真發(fā)現(xiàn)，在設計CEW戰(zhàn)斗部結構時，在外沿加一層裝藥，并采用有殼結構后，周圍小藥型罩的外沿實現(xiàn)了壓垮，形成了閉合完全的小EFP(與加裝殼體及外沿炸藥前的成型效果對比如圖3)。這是因為，外沿加一層裝藥后，增強了外沿的爆轟波壓力，改變了波形，使波陣面與罩母線的夾角減小，作用于罩面上的初始壓力提高。殼體的添加則使爆轟波在殼體壁面上發(fā)生反射，稀疏波減弱且進入推遲，從而使靠近殼壁(小藥型罩外沿)的爆轟能量增強，外沿的壓垮作用增強，以上兩方面的作用使小罩閉合趨于完全。藥型罩炸藥作用下未發(fā)生明顯的翻轉，這是因為對每個藥型罩而言裝藥口徑均大于藥型罩口徑，藥型罩在周圍炸藥爆轟作用下，藥型罩周邊材料不僅獲得軸向速度且獲得徑向速度，從而向?qū)ΨQ軸壓合匯聚的結果。

圖2 四分之一有限元模型圖

圖3 設置殼體及外沿炸藥前后CEW成型對比

圖4 不同壁厚藥型罩中心EFP速度云圖

研究發(fā)現(xiàn)，未考慮殼體及外沿裝藥之前MEFP的飛散角為14.62°，設置殼體及外沿裝藥后飛散角為5.766°。前者由于成型不好，形成的是16個破片，其迎風面積較后者大，飛行中所受空氣阻力大，速度衰減相應會很快，這就會大大降低它在遠距離上攻擊輕型裝甲的能力，但在仿真中未出現(xiàn)這種衰減規(guī)律，這是因為仿真為簡化模型，未考慮空氣阻力的影響;而后者飛散角小且成型也好，向前翻轉并匯聚為一顆顆密實的彈丸，5.766°的飛散角可以保證MEFP在100多口徑距離上仍具有很好的覆蓋密度，更有效的提高了命中率。周邊 MEFP速度此時已穩(wěn)定，達到2253m/s，可用其攻擊輕型裝甲及無裝甲防護車輛。

2.2 藥型罩壁厚的影響

選取不同壁厚的藥型罩進行研究，中心大藥型罩壁厚 h1由1mm 過渡到4.5mm(增量0.5mm)，周邊小罩壁厚 h2在 1mm到 3.25mm之間變化(增量0.25mm)。

中心EFP速度穩(wěn)定后，速度云圖如圖4所示(對于h1=3.5mm～ h1=5.5mm 5組EFP最終被拉斷，在此選取280μs時刻云圖)。

發(fā)現(xiàn)h1=1mm時，由于壁厚過小，在炸藥爆轟作用下藥型罩發(fā)生大面積崩落，使其喪失侵徹能力。1.5≤h1≤2mm時具有形成EFP的典型特征，發(fā)生明顯翻轉，產(chǎn)生了質(zhì)量不小的崩落，并且隨壁厚增加形成的翻轉彈由碟形翻轉彈向柱形翻轉彈變化。壁厚在2.5mm到3mm之間時，EFP翻轉逐漸不明顯，這是由于隨著藥型罩壁厚的增加，其質(zhì)量增大，在相同爆轟能量下，它的加速度必然降低，這使得藥型罩頂部還未完全翻轉的情況下藥型罩底部的質(zhì)量在爆轟作用下向中心壓垮閉合，形成了柱形翻轉彈。壁厚不小于3mm時，最終有形成杵體彈的特征。

不同壁厚的計算結果如表1。v1為中心EFP頭部速度，v2為EFP尾部速度，Δv為EFP頭尾部速度差，L為EFP的長度，d為EFP的直徑，EFP長徑比為L/d。z為此時EFP尾部與原藥型罩底部距離。

由表1，隨著藥型罩壁厚的增大，EFP速度不斷減小，這是由于裝藥及爆轟方式等條件一定的條件下，由能量守恒定律可知，轉化為EFP的動能是一定的，隨著藥型罩壁厚的增加，其質(zhì)量增大，由動能E=mv2/2，其速度勢必減小。

表1 不同壁厚藥型罩中心EFP計算結果

由表1，h1≤3mm所形成EFP的長徑比隨著壁厚的增加，長徑比逐漸增大，速度穩(wěn)定時刻逐漸推遲，穩(wěn)定時EFP與原藥型罩距離也相應增大。2.5mm≤h1≤3mm時形成了中心較密實的EFP，且穩(wěn)定速度較高(2546m/s≤v≤2788m/s)，可對目標造成理想的毀傷效果。

h1≥3.5mm，EFP最終被拉斷，且速度高的部分占總體質(zhì)量較小，由圖4的成型狀態(tài)結合表1中EFP頭尾部速度差，即可知此點。這是由于藥型罩質(zhì)量進一步增大，加速度更小，而藥型罩底部向中心匯聚與中心速度梯度較小的質(zhì)量有機結合在一起，形成質(zhì)量較大的杵體，使得EFP翻轉極不明顯，而存在藥型罩向前壓垮，形成杵體彈的特征，由于后部速度梯度較小的杵體質(zhì)量占整體質(zhì)量很大的比例，最終EFP被拉斷，這將使EFP侵徹效果大大降低，基于杵體彈為長徑比較大的實心侵徹體的特征，可通過改變爆轟方式或添加隔板等措施進一步調(diào)整爆轟波形來改善其成型，如此可使其侵徹性能大大增強。

綜上，可選擇h1=3mm的中心藥型罩，此時EFP為中心密實的彈丸，且長徑比為3.52，速度為2546m/s，可對重型裝甲造成預期的毀傷效果。數(shù)值模擬結果表明，藥型罩存在一個最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有較高的速度、合適的長徑比、易于穩(wěn)定飛行的外形。

不同壁厚的小藥型罩所形成MEFP的穩(wěn)定速度及飛散角的變化規(guī)律如表2所示。h2為小藥型罩壁厚，v為MEFP穩(wěn)定后速度，θ為飛散角。

由表2，隨著藥型罩壁厚的增加MEFP速度逐漸降低，此點由能量守恒定律可得。飛散角在5°到6°內(nèi)變化，此飛散角可保證MEFP在100倍口徑炸高下仍具有較好的覆蓋密度。綜合MEFP速度及質(zhì)量兩因素，可選擇h2=2mm，MEFP不僅速度較高，而且具有可觀的質(zhì)量，保證了毀傷元毀傷效果的實現(xiàn)。

表2 不同壁厚藥型罩MEFP計算結果

3 結論

文中通過對CEW戰(zhàn)斗部進行成型數(shù)值模擬，得到了以下結論:

1)通過設置外沿裝藥和殼體，CEW戰(zhàn)斗部MEFP成型得到大大改觀，從而使飛行中的空氣阻力大大減小，增強了MEFP在遠距離上的毀傷效果。

2)設置外沿裝藥和殼體后，MEFP飛散角減小(5°≤θ≤6°)，使MEFP在一定距離上仍具有較好的覆蓋密度。

3)數(shù)值模擬結果表明，藥型罩存在一個最佳的壁厚，在此壁厚下主EFP具有較高的速度、合適的長徑比、易于穩(wěn)定飛行的外形。

4)數(shù)值結果表明，周邊藥型罩也存在一個合適的壁厚，在此壁厚下EFP質(zhì)量及速度較為合適。

本研究中僅討論了壁厚對CEW戰(zhàn)斗部成型的影響，其他結構參數(shù)的影響有待討論。另外由于實際條件所限，沒有進行試驗驗證，這需要在以后的工作中完成。

[1]Richard Fong，Matthew Comstock，Henry Hsieh，et al.Combined effects warhead development[C]//25th International Symposium on Ballistics.Beijing，China，2010.

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

[3]李偉兵，王曉鳴，李文彬，等.藥型罩結構參數(shù)對多模毀傷元形成的影響[J].彈道學報，2009，21(1):19 －23.

[4]楊寶良，陳秀文，申孝立，等.不同起爆方式下MEFP戰(zhàn)斗部的數(shù)值模擬[J].彈箭與制導學報，2006，26(3):108－110.

[5]付璐，尹建平，王志軍，等.組合式MEFP戰(zhàn)斗部的正交優(yōu)化設計[J].彈箭與制導學報，2011，31(6):73 －75.