刻槽式MEFP的成形及侵徹鋼靶模式

相升海，徐文龍，張 健，王 猛，黃德武，王 迪

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

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刻槽式MEFP的成形及侵徹鋼靶模式

相升海，徐文龍，張 健，王 猛，黃德武，王 迪

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

多爆炸成形彈丸(MEFP)能有效提高炸藥利用率和命中概率?；贚S-DYNA軟件對刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹雙層無間隔鋼靶模式進行了研究，得到了刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及對靶板侵徹的數值計算結果。結果表明：刻槽式MEFP成形過程要經過翻轉、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個階段,聚能爆轟波對藥型罩的徑向力是其交叉飛散的主要原因；侵徹過程要經過開坑、聯(lián)合侵徹、貫穿3個階段。模擬結果與實驗結果基本吻合。

爆炸力學；成形；LS-DYNA；多爆炸成形彈丸(MEFP)

多爆炸成形彈丸(MEFP)與爆炸成形彈丸(EFP)相比，具有更高的命中概率，因此成為戰(zhàn)斗部技術研究的熱點[1-2]。

現(xiàn)存MEFP結構主要包括：組合式MEFP結構、切割式MEFP結構、周向MEFP結構和變形罩MEFP結構。周翔等[3]對含有7枚子裝藥的組合式MEFP結構的形成過程及影響因素進行了數值模擬。李裕春等[4]利用LS-DYNA軟件對切割式MEFP的形成過程進行了數值模擬。王猛等[5]對刻槽式MEFP進行了實驗研究。

本文中基于LS-DYNA軟件，研究刻槽式MEFP成形及侵徹過程，對成形及侵徹的各個階段進行分析，從原理上給出各種宏觀現(xiàn)象產生的原因。

1 計算模型的建立

1.1 刻槽式MEFP幾何模型的建立

圖1 MEFP實物及其網格劃分Fig.1 Photographs and mesh of MEFP

圖2 實驗現(xiàn)場布置與計算模型Fig.2 Experimental arrangement and calculation model

MEFP實物和計算模型分別如圖1、2所示。裝藥高度為Hc，藥型罩為變壁厚, 藥型罩頂端壁厚為δ(δ/Hc=0.086)，內壁曲率半徑為R0(R0/Hc=2.34)，外壁曲率半徑為R1(R1/Hc=2.16)，中心孔直徑為D0(D0/Hc=0.038)；殼體側面壁厚為δ1(δ1/Hc=0.077),底部厚度為δ2(δ2/Hc=0.129)；空氣長度為L(L/Hc=258.4)；靶板為2層厚1.5cm的鋼靶。

1.2 材料模型及狀態(tài)方程

1.2.1 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

戰(zhàn)斗部的裝藥類型為RDX(黑索今)炸藥，材料模型為高能炸藥爆轟模型(high-explosive-burn)，狀態(tài)方程選用JWL狀態(tài)方程：

(1)

式中：A、B、R1、R2和ω為JWL狀態(tài)方程常數，p為爆轟產物壓力，E為RDX炸藥具有的比內能，其數值參見文獻[6]。炸藥密度ρ0=1.7 g/cm3，炸藥中爆轟波的傳播速度D=8.4 km/s，炸藥爆轟壓力pc=30 GPa。

1.2.2 藥型罩、殼體與靶板材料模型及其狀態(tài)方程

計算中，藥型罩材料為紫銅，殼體材料為鋁，靶板材料為鋼。藥型罩、殼體與靶板均使用Johnson-Cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程。

Johnson-Cook材料模型等效應力表達式為：

(2)

Grüneisen狀態(tài)方程表達式在壓縮狀態(tài)(即μ>0)時為：

(3)

在膨脹狀態(tài)(即μ<0)時為：

(4)

藥型罩、殼體與靶板所用參數的具體值參見文獻[7-9]。

1.2.3 空氣材料模型及其狀態(tài)方程

空氣材料采用MAT_NULL模型；狀態(tài)方程為線性多項式，表達式為：

(5)

1.3 算法設置及邊界條件

模型采用后點起爆方式；設置藥型罩自身單面接觸；藥型罩與炸藥為滑移接觸算法；炸藥與殼體、藥型罩與靶板及兩塊靶板間采用侵蝕接觸算法；空氣與靶板采用自動面面接觸算法；空氣與藥型罩間采用耦合算法；在空氣及靶板邊界處施加非反射邊界。

2 計算結果及分析

2.1 刻槽式MEFP成形過程計算分析

圖3是刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部的成形過程計算結果的三視圖。當裝藥引爆后，在炸藥內將產生球面爆轟波并從起爆點向外傳播，這種爆轟波的聚集可提高局部作用力，藥型罩從爆轟波中獲得能量，裝藥的種類、形狀，殼體的材料、厚度是影響爆轟波能量及波形的主要因素。

藥型罩在炸藥爆轟波作用下發(fā)生翻轉，在翻轉過程中藥型罩頭部首先發(fā)生擠壓破壞，由于刻槽處應力集中，在頭部刻槽處產生擠壓斷裂，如圖3第2列圖片(36μs)所示；在藥型罩繼續(xù)翻轉的過程中沿徑向半徑變大，致使藥型罩尾部及中部沿刻槽處發(fā)生拉伸斷裂，如圖3第3列圖片(66μs)所示。

聚能裝藥在爆轟過程中，爆轟波沿軸向向外傳播，沿徑向向軸心集聚。軸心附近爆轟波密度大于外圍，這就導致了藥型罩頭部所受軸向力大于尾部并產生速度差異發(fā)生翻轉。在爆轟波沿徑向向軸心集聚的過程中，對藥型罩產生指向軸心的徑向作用力，使藥型罩具有指向軸心的徑向速度，因此產生交叉飛散，如圖3第4列圖片(156μs)所示。

藥型罩沿軸向飛行沿徑向分散的過程中，由于頭尾速度差異產生的拉伸變形使每個彈丸整體徑向蜷縮，且蜷縮方向向外(背離原藥型罩軸心為向外)。每個彈丸近似形成一個內部中空、邊緣并未完全封閉的獨立運動的爆炸成形彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部，如圖3第5(280μs)、6(560μs)列圖片所示。

圖3表明刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部的成形過程可以分為翻轉、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個階段。

圖3 MEFP成形過程計算結果Fig.3 Simulated results obtained with formation process of MEFP

2.2 刻槽式MEFP侵徹過程計算分析

圖4 開坑階段Fig.4 Spud in stage

(1)開坑階段。圖4為彈頭開坑階段效果圖，彈頭撞擊靶板時速度迅速降低，撞擊產生高溫與塑性變形區(qū)，并在靶體中產生強烈的沖擊波，撞擊點及周圍靶板的抗侵徹能力迅速下降。

(2)聯(lián)合侵徹階段。圖5為聯(lián)合侵徹階段效果圖，由于開坑階段產生的高溫高壓及沖擊波作用使靶板的抗侵蝕能力下降，此階段的侵徹速度較為穩(wěn)定，主要以彈丸的磨蝕為主，彈丸質量迅速減小。

(3)貫穿階段。圖6為貫穿階段效果圖，靶板背面有明顯花瓣形穿孔，穿孔口徑大于彈丸半徑。

圖5 聯(lián)合侵徹階段Fig.5 United penetration stage

圖6 貫穿階段Fig.6 Breakthrough stage

3 實驗驗證

圖7(b)中計算出的彈孔為橢圓形，3孔呈等邊三角形，與實驗彈孔(圖7(a)相似，計算出的等邊三角形邊長為47 cm，實驗為46 cm，誤差2%；第2靶板背面計算出的花瓣破壞與實驗鋼板破壞形式相似，彈孔為圓形，實驗彈孔直徑為100 mm，計算值為97 mm,誤差3%，如圖8所示。計算結果與實驗結果對比，兩者基本相符。

圖7 第1板正面Fig.7 The first target’s front

圖8 第2板背面Fig.8 The second target’s back

4 結 論

基于LS-DYNA軟件對刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹模式進行研究，主要結論為：

(1)刻槽式MEFP成形過程主要經過翻轉、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個階段, 裝藥的種類、形狀，殼體的材料、厚度是影響爆轟波能量及波形的主要因素，聚能爆轟波對藥型罩的徑向力是刻槽式MEFP交叉飛散的主要原因。

(2)刻槽式MEFP侵徹雙層無間隔靶板主要經過開坑、聯(lián)合侵徹、貫穿3個階段。

(3)計算結果與實驗結果對比，兩者基本相符。

[1] 付璐,尹建平,王志軍,等.MEFP戰(zhàn)斗部結構的正交優(yōu)化設計[J].火力與指揮控制,2012,37(3):184-187. Fu Lu, Yin Jian-ping, Wang Zhi-jun, et al. Orthogonal optimization design on a MEFP warhead structure[J]. Fire Control & Command Control, 2012,37(3):184-187.

[2] Fong R, Ng W, Rice B, et al. Multiple explosively formed penetrator(MEFP) warhead technology development[C]∥19th International Symposium on Ballistics. Switzerland, 2001.

[3] 周翔,龍源,余道強.多彈頭爆炸成形彈丸數值仿真及發(fā)散角影響因素[J].兵工學報,2006,27(1):23-26. Zhou Xiang, Long Yuan, Yu Dao-qiang. Numerical simulation and effect analysis for radial dispersion of MEFP[J]. Aata Armamentarii, 2006,27(1):23-26.

[4] 李裕春,唐朝斌,楊萬江,等.切割式多爆炸成型彈丸成形的數值模擬[J].火工品,2009(6):35-38. Li Yu-chun, Tang Chao-bin, Yang Wan-jiang, et al. Numerical simulation of incised MEFP formation[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2009(6):35-38.

[5] 王猛，黃德武，羅榮梅.整體多枚爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部試驗研究及數值模擬[J].兵工學報，2010,31(4):453-457. Wang Meng, Huang De-wu, Luo Rong-mei. Experiment and numerical simulation of integral multi-explosive formed warhead[J]. Aata Armamentarii, 2010,31(4):453-457.

[6] 紀沖，龍源，于道強，等.切割式雙模戰(zhàn)斗部毀傷元成型及侵徹鋼靶特性研究[J].高壓物理學報，2012,26(5):508-516. Ji Chong, Long Yuan, Yu Dao-qiang, et al. Experimental and numerical study on the formation and penetration properties of Dual-mode warhead[J]. Chinese Jounarl of High Pressure Physics, 2012,26(5):508-516.

[7] 范斌，王志軍，王輝.多爆炸成型彈丸成型過程的數值模擬[J].彈箭與制導學報,2010,30(1):124-126. Fan Bin, Wang Zhi-jun, Wang Hui. The numerical simulation of formation process of MEFP[J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance, 2010,30(1):124-126.

[8] 林加劍.EFP成型及其終點效應研究[D].合肥:中國科技大學，2009.

[9] 李偉兵.多模式EFP成型及侵徹機理研究[D].南京：南京理工大學，2010.

(責任編輯 曾月蓉)

Groove type MEFP formation and penetrating steel target’s pattern

Xiang Sheng-hai, Xu Wen-long, Zhang Jian, Wang Meng, Huang De-wu, Wang Di

(SchoolofEquipmentEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,Liaoning,China)

Multiple explosively formed projectile (MEFP) can effectively raise the utilization rate of explosive and the hit rate. The forming process of groove type MEFP and the process of penetrating double nonseptate steel target based on LS-DYNA are studied. The results show that the forming process of groove type MEFP should pass through five stages: overturn, the head extrusion fracture, the rear tensile fracture, cross flying and stable flying. The cross flying is caused by the radial force which comes from detonation wave. Penetration process should pass through three stages: Spud in, united penetration and breakthrough stage. The simulated results are consistent with the experimental results.

mechanics of explosion; formation; LS-DYNA; multiple explosively formed projectile (MEFP)

10.11883/1001-1455(2015)01-0135-05

2013-05-21；

2013-09-11

遼寧省重點實驗室科研基金項目(LS2010139)

相升海(1960— )，男，教授;通訊作者： 徐文龍,18660843770@163.com。

O389；TJ414.2 國標學科代碼： 13035

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