藥型罩參數(shù)及裝藥對MEFP效能的影響*

張洪成，尹建平，王志軍

(中北大學機電工程學院，太原 030051)

0 引言

隨著各種輕型裝甲目標在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的廣泛應用，能否有效摧毀它們成為影響戰(zhàn)爭進程的重要因素之一。多爆炸成形彈丸(multiple explosive formed projectile，MEFP)是在單個EFP基礎上發(fā)展起來的一種新型聚能裝藥技術，具有良好的作戰(zhàn)效率、殺傷半徑大、摧毀目標能力強等優(yōu)點，成為應對輕型裝甲目標的有效手段之一。

目前國內對MEFP的研究，主要集中在MEFP的成型、毀傷效能等方面。文獻[1]分析了相鄰子裝藥間距、填充物密度和起爆延遲時間對MEFP發(fā)散角的影響，并以正交優(yōu)化設計方法對MEFP的命中概率、毀傷概率進行了研究;文獻[2]設計了一種整體式三罩MEFP戰(zhàn)斗部，并進行了靜爆試驗，試驗結果表明形成的三枚EFP子彈丸具有較好的侵徹性能。文中應用LS-DYNA軟件對組合式七罩MEFP的成型過程進行了數(shù)值研究，分析了不同相鄰子裝藥間距、裝藥、藥型罩曲率半徑對MEFP成型的影響，得到了這些因素對MEFP效能的影響規(guī)律。

1 計算模型

圖1 組合式MEFP戰(zhàn)斗部1/4簡化計算模型

計算模型如圖1所示，采用組合式七罩MEFP裝藥結構，7個子裝藥中一枚位于戰(zhàn)斗部中央，其余6枚均勻分布在四周，子裝藥之間有惰性裝填物，以減小相鄰子裝藥間爆轟波的相互干擾。藥型罩和擋板均為1006鋼，惰性裝填物為泡沫鋁材料，炸藥為TNT、8701炸藥和B炸藥。起爆方式為七點同時起爆，起爆點在各子裝藥底面圓心處，戰(zhàn)斗部直徑為100mm，子裝藥直徑隨裝藥間距變化。計算采用Lagrange算法，兩個對稱面采用對稱約束，裝藥底部及四周邊界、擋板邊界采用全約束，炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程，藥型罩和擋板均采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程，泡沫鋁采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型。藥型罩和擋板材料參數(shù)如表1所示，炸藥材料參數(shù)如表2所示，泡沫鋁材料參數(shù)如表3所示［5－6］?？紤]到模型的對稱性，計算時采用1/4簡化模型。

表1 藥型罩和擋板材料參數(shù)

表2 裝藥材料參數(shù)

表3 泡沫鋁材料參數(shù)

2 數(shù)值模擬結果及分析

2.1 MEFP的形成過程

MEFP的成型過程是一個非常復雜的過程，藥型罩形狀、厚度、材料、子裝藥間距、裝藥長徑比、裝藥種類、填充材料等因素都會影響MEFP的成型及其作戰(zhàn)效能。為了研究MEFP的成型過程，取相鄰子裝藥間距7mm，裝藥為 B炸藥，藥型罩錐角為140°，壁厚為2mm進行數(shù)值分析，得到MEFP的成型過程如圖2所示。

結果表明，藥型罩在約t=6μs時開始受到爆轟波的沖擊作用，開始壓垮變形，向前高速運動;從12μs開始，藥型罩發(fā)生翻轉，逐漸形成7個高速小彈丸，而且，彈丸質量絕大部分集中在高速的頭部，因而彈丸具有很高的動能;由于速度梯度的存在，形成的EFP在飛行中仍會有所拉長，但基本形狀保持不變;同時，中心EFP和邊沿6個EFP在最大速度、速度梯度、長度和形狀上差別較小(在后面分析相鄰子裝藥間距為2.5mm時，這些參數(shù)的差別仍不大)，這主要是因為填充材料泡沫鋁具有較好的隔爆性能，使得相鄰裝藥間的影響較小，形成的各子EFP性能差別不明顯。因此，下面的分析中均選取中心EFP來進行研究。

圖2 MEFP的成型過程

2.2 不同相鄰子裝藥間距對MEFP效能的影響

子裝藥間的填充材料是為了降低各裝藥間的影響，使各子EFP能更好的成型。為了分析子裝藥間距(即裝填材料厚度)對MEFP效能的影響，分別選取間距2.5mm、7mm、12mm(藥型罩直徑分別為 30mm、26mm、20mm)進行數(shù)值分析，形成的MEFP分別如圖3中的3個小圖所示。計算采用藥型罩為錐角為140°的錐形罩，壁厚為2mm，裝藥為B炸藥。

圖3 不同子裝藥間距時MEFP的成型

圖4 不同裝藥間距中心EFP的長度曲線

圖5 不同裝藥間距中心EFP的頭部速度曲線

由圖 3可知，各子裝藥形成EFP的尾裙隨裝藥間距增大逐漸減小，而尾裙的減小將影響EFP的飛行穩(wěn)定性。由圖4可知，中心EFP長度隨著時間的增加而增大，而在同一時刻，中心EFP長度隨裝藥間距增大而減小，如t=50μs時，間距 2.5mm、7mm、12mm 的長度分別為 54.10mm、49.20mm、36.88mm。因而在保證爆轟波相互影響不大的前提下，可以盡量減小子裝藥間的間距，從而提高MEFP的飛行穩(wěn)定性。但隨著裝藥間距的減小，形成的MEFP發(fā)散角增大，不利于其命中概率的提高［1］。由圖5可知，當裝藥間距從 2.5mm增大到12mm時，中心EFP速度降低較明顯，如在 t=50μs 時， 間 距2.5mm、7mm、12mm的中心EFP頭部速度從1604m/s、1485m/s到1184m/s。這主要是由于隨著裝藥間距的增加，子EFP的有效裝藥減少，爆轟產(chǎn)物的總能量減小，致使形成的EFP速度降低。因此，綜合考慮子裝藥間距對MEFP飛行穩(wěn)定性、發(fā)散角及侵徹效能的影響，裝藥間距取4～8mm較為合適。

2.3 不同裝藥對MEFP效能的影響

為了分析不同裝藥對MEFP效能的影響，分別取TNT、8701及B炸藥進行數(shù)值分析，形成的MEFP分別如圖6中的3個小圖所示。計算采用的藥型罩錐角為140°，壁厚為2mm，裝藥間距為7mm。

圖6 不同裝藥時MEFP的成型

圖7 不同裝藥中心EFP的長度曲線

由圖 6可知，不同裝藥形成的EFP尾裙直徑，從TNT到B炸藥逐漸增大，而尾裙直徑的增大有利于EFP的穩(wěn)定飛行。由圖7可知，隨著時間的增大，中心 EFP長度從TNT到B炸藥明顯增大。由圖8可知，在任一時刻，如 t=50μs時，從TNT到B炸藥的中心EFP速度 從 1062 m/s、1322 m/s增大到1486 m/s，中心EFP的速度逐漸增大，這是因為B炸藥相對于8701及TNT具有更高密度及爆速，爆炸釋放的能量更大，形成的EFP速度更高。因此，選用B炸藥的MEFP戰(zhàn)斗部，飛行穩(wěn)定性好，具有更好的毀傷效能。

圖8 不同裝藥中心EFP的頭部速度曲線

2.4 不同曲率半徑對MEFP效能的影響

為了分析球缺型藥型罩曲率半徑對MEFP效能的影響，分別取藥型罩內曲率半徑R1=14mm、R1=17mm及R1=20mm進行數(shù)值分析，形成的MEFP如圖9的3圖所示。計算采用的其他參數(shù)同2.1節(jié)。

圖9 不同曲率半徑時MEFP的成型

圖10 不同曲率半徑中心EFP的長度曲線

由圖9可知，不同曲率半徑形成的EFP尾裙直徑，隨著曲率半徑的增大而增大，形成的子 EFP飛行穩(wěn)定性增強。由圖10可知，中心EFP長度隨著曲率半徑的增大而減小，但差別較小;而由圖11可知，任一時刻，如t=50μs時，3個曲率半徑形成的中心EFP 速度分別為 1276 m/s、1372 m/s、1401 m/s，即中心EFP的速度隨曲率半徑的增大而增大，MEFP的動能增大。但曲率半徑不能無限增大，因為隨著曲率半徑的增大，將逐漸形成桿式彈丸，甚至是聚能射流而不是 EFP。因此，對相鄰子裝藥間距7mm而言，綜合考慮MEFP的飛行穩(wěn)定性及效能，曲率半徑R1取18～22mm較為適宜。同時，作者就相鄰子裝藥間距分別為2.5mm和12mm時，內曲率半徑R1對MEFP效能的影響進行了分析。結果表明，當間距為2.5mm時，R1取28～32mm較為適宜;當間距為12mm時，R1取12～16mm較為適宜。

圖11 不同曲率半徑中心EFP的頭部速度曲線

3 結論

應用有限元軟件LS-DYNA，就相鄰子裝藥間距、裝藥、藥型罩曲率半徑對口徑為100mm的組合式七罩MEFP戰(zhàn)斗部效能的影響進行了數(shù)值分析，結果表明:

1)對于不同相鄰子裝藥間距，隨著間距的增大，各子裝藥形成EFP的尾裙直徑減小，飛行穩(wěn)定性降低，EFP長度減小，中心EFP頭部速度降低;但當裝藥間距增大時，形成的MEFP發(fā)散角減小，有利于命中概率的提高。綜合考慮，相鄰子裝藥間距取4～8mm較為適宜。

2)對于不同裝藥，形成的EFP尾裙直徑從TNT到B炸藥逐漸增大，EFP的飛行穩(wěn)定性增強，EFP長度增大，中心EFP的速度逐漸增大。因此，選用B炸藥的MEFP戰(zhàn)斗部，飛行穩(wěn)定性好，具有更好的毀傷效能。

3)對于不同曲率半徑，形成的EFP尾裙直徑隨著曲率半徑的增大而增大，飛行穩(wěn)定性增強，EFP長度減小，中心EFP速度增大。對相鄰子裝藥間距為2.5mm、7mm和12mm，綜合考慮MEFP的飛行穩(wěn)定性及毀傷效能，曲率半徑 R1分別取28～32mm、18～22mm和12～16mm較為適宜。

[1]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.

[2]吳小蓉，黃德武，王猛.三罩式戰(zhàn)斗部結構的設計及試驗研究[J].沈陽理工大學學報，2007，26(1):72－74.

[3]Richard Fong，William Ng，Bernard Rice，et al.Multiple explosively formed penetrator(MEFP)warhead technology development[C]//19th International Symposium of Ballistics，2001:563 －567.

[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]姚志華，王志軍，王輝，等.錐角和壁厚對多爆炸成型彈丸成型影響的數(shù)值模擬[J].彈箭與制導學報，2011，31(4):85－88.

[6]周翔，龍源，余道強，等.多彈頭爆炸成形彈丸數(shù)值仿真及發(fā)散角影響因素[J].兵工學報，2006，27(1):23－26.

[7]張洋溢，龍源，紀沖，等.沖擊波疊加效應對組合式多爆炸成型彈丸成形的影響研究[J].振動與沖擊，2012，31(1):56－60.