曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹的影響?

龍 源毛振興②劉健峰紀(jì) 沖鐘明壽姜 楠周 輝

①解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院（江蘇南京，210007）②武漢雷神特種器材有限公司（湖北武漢，430200）

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曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹的影響?

龍 源①毛振興①②劉健峰①紀(jì) 沖①鐘明壽①姜 楠①周 輝①

①解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院（江蘇南京，210007）
②武漢雷神特種器材有限公司（湖北武漢，430200）

［摘 要］利用ANSYS/ LS-DYNA仿真軟件研究了藥型罩曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹特性的影響規(guī)律。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)藥型罩曲率半徑的相對(duì)值在0. 67～0. 93時(shí)，弧錐結(jié)合型雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部可成形具有良好外形的侵徹體；此時(shí)，成形侵徹體的最大侵徹深度約為1倍裝藥口徑。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形侵徹體能夠有效擊穿2層2 cm厚45#鋼靶，成形侵徹體對(duì)鋼靶侵徹的開口形狀近似呈現(xiàn)圓形，是具有相同裝藥結(jié)構(gòu)EFP戰(zhàn)斗部成形侵徹體侵徹深度的2倍左右。研究結(jié)果可以為雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

［關(guān)鍵詞］爆炸力學(xué)；雙層藥型罩；藥型罩曲率半徑；成形；侵徹

［分類號(hào)］ TK421；TD235

引言

多罩殼同軸EFP（explosively formed penetrators，簡(jiǎn)稱EFP）戰(zhàn)斗部是近年來提出的針對(duì)重裝甲、復(fù)合裝甲以及爆炸反應(yīng)裝甲的新概念戰(zhàn)斗部［1］。這種聚能戰(zhàn)斗部在一個(gè)主裝藥基礎(chǔ)上，沿同一軸線設(shè)置多層藥型罩，一次起爆即可生成多個(gè)隨進(jìn)侵徹體［2］。針對(duì)不同打擊目標(biāo)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)聚能裝藥結(jié)構(gòu)，在裝藥總能量及能量密度一定的條件下，使戰(zhàn)斗部的輸出效應(yīng)與打擊目標(biāo)特性相匹配，從而可以有效增加對(duì)目標(biāo)的毀傷效能［3-4］。由于多罩殼EFP戰(zhàn)斗部存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。Tosello等法國(guó)學(xué)者［5］研究了鉭鎳組合雙層球缺罩戰(zhàn)斗部成形侵徹體在水下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，前部彈丸水中開辟出通道，而后部彈丸可以在前部彈丸開辟的通道中運(yùn)動(dòng)，因此后部彈丸有較強(qiáng)的存速能力，能夠有效攻擊艦船和潛艇。隨著進(jìn)一步的研究，Weimann等學(xué)者［6］發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整藥型罩的幾何外形和接觸面條件，可以形成前段材料為鉭、尾端材料為鐵、長(zhǎng)徑比約為5. 5的侵徹體，該侵徹體的重心前移，飛行穩(wěn)定性顯著增大。南京理工大學(xué)鄭宇［7］為研究雙層藥型罩形成串聯(lián)EFP特性，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部，并利用X光攝影技術(shù)獲得了戰(zhàn)斗部毀傷元形成的過程，研究發(fā)現(xiàn)，具有合適結(jié)構(gòu)和藥型罩材料的雙層藥型罩可以形成串聯(lián)聚能侵徹體。然而，目前的研究多是針對(duì)戰(zhàn)斗部起爆成形特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于雙層藥型罩EFP終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的研究相對(duì)較少，特別針對(duì)藥型罩曲率半徑對(duì)戰(zhàn)斗部成形及終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的影響更是缺乏系統(tǒng)的研究。

本文以自行優(yōu)化設(shè)計(jì)的雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象，通過改變藥型罩曲率半徑，研究其對(duì)戰(zhàn)斗部成形及終點(diǎn)毀傷效應(yīng)的影響規(guī)律，并且通過進(jìn)一步的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效應(yīng)。

1 數(shù)值計(jì)算模型及算例

1. 1 有限元計(jì)算模型

本文設(shè)計(jì)了D＝60 mm次口徑雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部。該戰(zhàn)斗部的兩層藥型罩緊密貼合在一起，但是兩罩之間存在自由面，即可以自由滑動(dòng)和碰撞。為了方便對(duì)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)的描述，規(guī)定靠近炸藥的藥型罩為內(nèi)罩，遠(yuǎn)離炸藥的藥型罩為外罩，內(nèi)、外罩頂部厚度分別為δ1、δ2。圖1為雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用ANSYS/ LS-DYNA有限元軟件建立雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部侵徹45#鋼靶的三維有限元計(jì)算模型，如圖2所示。

為了能清楚地描述兩藥型罩的壓垮成形以及侵徹鋼靶的過程，對(duì)于殼體、藥型罩、炸藥和鋼靶實(shí)體均采用Lagrange網(wǎng)格和Solid 164實(shí)體單元進(jìn)行有限元化。因?yàn)榫勰苎b藥具有對(duì)稱性，建立了1/2三維有限元實(shí)體模型。該戰(zhàn)斗部裝藥為8701炸藥，采用高能炸藥材料模型［8］計(jì)算，其爆轟產(chǎn)物壓力利用Jones Wilkins-Lee（JWL）狀態(tài)方程描述，金屬藥型罩和45#鋼靶動(dòng)力響應(yīng)過程選取Johnson-Cook材料模型［9］和Grüneisen狀態(tài)方程［9］聯(lián)合描述，具體材料參數(shù)參考文獻(xiàn)［7-10］。靶板尺寸為10 cm×8 cm，炸藥起爆采用端部中心單點(diǎn)起爆方式。

1. 2 雙層藥型罩EFP成形及侵徹算例

針對(duì)內(nèi)、外藥型罩的材料均為紫銅，δ1＝2. 4 mm、δ2＝1. 1 mm和R＝46 mm的工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，表1是雙層藥型罩EFP的成形過程。

由表1可見，炸藥起爆后，藥型罩被加速驅(qū)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)成形，兩層緊密貼合在一起的藥型罩逐漸形成兩個(gè)具有良好外形的EFP。在100 μs左右，兩EFP緊密嚙合在一起形成一個(gè)大長(zhǎng)徑比的侵徹體。在160 μs左右，兩EFP呈現(xiàn)分離趨勢(shì)，最終將獲得前后分離的兩個(gè)EFP。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，前部EFP速度約為1 650 m/ s，后部EFP速度約為1 600 m/ s。

圖3是炸高為50 cm時(shí)，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部起爆后成形彈丸與鋼靶的作用過程。從圖3中可以看出，在50 cm炸高范圍內(nèi)，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部形成了前后分離的兩個(gè)EFP，其侵徹鋼靶過程可以等效成前后兩彈丸對(duì)靶板的兩次侵徹效應(yīng)的耦合。內(nèi)罩所形成彈丸對(duì)靶板的侵徹是在外罩所形成彈丸侵徹的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此時(shí)彈丸的侵徹能力與靶板的狀態(tài)密切相關(guān)。這主要是由兩彈丸的距離決定：若兩彈丸之間的距離過大，前罩形成的彈丸侵徹靶板后，靶板恢復(fù)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，此時(shí)后罩形成的彈丸繼續(xù)侵徹鋼靶，相當(dāng)于兩彈丸分別對(duì)鋼靶進(jìn)行侵徹；若前罩形成的彈丸侵徹靶板后靶板尚處于高溫高壓的狀態(tài)，此時(shí)后罩形成的彈丸繼續(xù)侵徹鋼靶，則兩彈丸的聯(lián)合侵徹能力將會(huì)顯著增強(qiáng)。

表1 雙層藥型罩EFP成形過程Tab. 1 EFP forming process of the double layer liner

2 曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP成形及侵徹的影響

2. 1 方案設(shè)計(jì)

為研究藥型罩曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP成形及侵徹規(guī)律特性的影響，設(shè)置藥型罩曲率半徑分別為3. 0、4. 0、4. 6、5. 6 cm 4種不同設(shè)計(jì)方案，其中，內(nèi)、外罩材料為紫銅，δ1＝1. 5 mm，δ2＝2. 0 mm。將曲率半徑與裝藥口徑的比值記作藥型罩曲率半徑的相對(duì)值η，即η＝R/ D。此時(shí)，4種不同工況條件下藥型罩曲率半徑的相對(duì)值η分別為0. 50、0. 67、0. 77和0. 93。其設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表2 不同藥型罩的曲率半徑結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Structural parameters of curvature radius of different liners

2. 2 曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP成形的影響

表3是不同設(shè)計(jì)方案下雙層藥型罩EFP成形過程典型時(shí)刻外形圖。從表3中可以看出，藥型罩曲率半徑直接影響兩穩(wěn)定成形彈丸的長(zhǎng)徑比以及兩彈丸的分離程度。藥型罩曲率半徑太小，彈丸成形過程中，前部彈丸被過度拉伸，聚能侵徹體向著長(zhǎng)桿彈的方向發(fā)展，在遠(yuǎn)距離飛行時(shí)容易被拉斷；后部彈丸頭部被敦粗而且尾翼收縮比例較小，彈丸飛行過程中阻力增加，速度衰減明顯，從而影響成形彈丸的侵徹能力，降低對(duì)目標(biāo)的毀傷效果。因此，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部要形成具有良好外形的侵徹體，藥型罩的相對(duì)曲率半徑應(yīng)該大于0. 67。當(dāng)曲率半徑相對(duì)值大于0. 67時(shí)，雙層藥型罩EFP均能夠形成前后兩個(gè)彈丸，但是隨著藥型罩曲率半徑的增大，兩彈丸分離趨勢(shì)逐漸增加，彈丸的長(zhǎng)徑比減小。

圖4是雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形過程中內(nèi)、外藥型罩所形成兩彈丸之間的速度關(guān)系。由圖4可以看出，當(dāng)藥型罩曲率半徑相對(duì)值小于0. 67時(shí)，由于彈丸過度拉伸而產(chǎn)生斷裂，兩彈丸之間速度差值都較大，達(dá)到了250 m/ s左右。當(dāng)藥型罩的曲率半徑大于0. 67時(shí)，隨著藥型罩曲率半徑的增大，兩彈丸之間的速度差越來越大，彈丸分離的趨勢(shì)越來越明顯。

2. 3 曲率半徑對(duì)雙層藥型罩EFP侵徹的影響

圖5是表2中4種不同曲率半徑雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形侵徹體侵徹45#鋼靶的結(jié)果。當(dāng)藥型罩曲率半徑相對(duì)值小于0. 67時(shí)，在50 cm炸高條件下，成形彈丸發(fā)生斷裂。斷裂的彈丸分成3部分依次侵徹靶板。由于彈丸過早地產(chǎn)生斷裂，尾翼部分未能充分收縮，張開的尾翼侵徹靶板造成靶板入口處開口直徑較大，同時(shí)成形彈丸的侵徹深度下降。當(dāng)藥型罩的相對(duì)曲率半徑達(dá)到0. 93時(shí)，成形兩彈丸的長(zhǎng)徑比下降，其侵徹能力亦產(chǎn)生較大下降。因此要得到侵徹深度較大的雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部，藥型罩曲率半徑的相對(duì)值不宜超過0. 93。

表3 雙層藥型罩EFP的成形過程（0～200 μs）Tab. 3 EFP forming process of the double layer liner（0 -200μs）

圖6是不同曲率半徑時(shí)雙層藥型罩EFP的侵徹深度和開坑直徑。

圖6中的開坑深度為雙層藥型罩EFP的最大侵徹深度，開坑直徑是指彈丸侵徹鋼靶的入口、中間部位以及底部開坑直徑的平均值。從圖6中可以看出，當(dāng)藥型罩相對(duì)曲率半徑小于0. 67時(shí)，雙層藥型罩EFP后部彈丸尾翼收縮性能較差，彈丸侵徹靶板的入口處毀傷直徑較大，但是展開的尾翼能量有限，其入口處侵徹深度較小；當(dāng)藥型罩曲率半徑相對(duì)值大于0. 67時(shí)，雙層藥型罩EFP后部彈丸尾翼收縮性能較好，后部彈丸能夠在前部彈丸侵徹的基礎(chǔ)上繼續(xù)侵徹，彈丸的侵徹深度逐漸增加；當(dāng)藥型罩相對(duì)曲率半徑達(dá)到0. 93時(shí)，由于前后彈丸的長(zhǎng)徑比減小、速度差增大，因此彈丸侵徹能力下降。當(dāng)藥型罩曲率半徑為0. 77時(shí)，穩(wěn)定成型彈丸侵徹深度達(dá)到最大，且開坑形狀比較規(guī)則。此時(shí)，穩(wěn)定成形侵徹體的最大侵徹深度達(dá)5. 91 cm，約為1倍裝藥口徑。因此，藥型罩曲率半徑相對(duì)值保持在0. 67～0. 93之間，可根據(jù)不同打擊目標(biāo)需求（侵徹深度和擴(kuò)孔直徑），選擇與之相應(yīng)藥型罩曲率半徑的雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部，從而獲得對(duì)目標(biāo)的最佳毀傷效果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性并考察雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效能，當(dāng)η＝0. 77時(shí)，設(shè)計(jì)了如圖7所示的雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部并開展了侵徹鋼靶的靜爆試驗(yàn)研究。其具體參數(shù)見表4。

表4 雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部參數(shù)Tab. 4 EFP warhead parameters of the double layer liner

圖8是雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部靜爆試驗(yàn)設(shè)置示意圖。炸高設(shè)置為50 cm，目標(biāo)靶選擇厚度尺寸為2 cm厚的2塊45#鋼板。為了減少地面對(duì)雙層藥型罩EFP高速?zèng)_擊鋼板能量的吸收，兩層鋼板底部墊高度為5 cm支撐架。

表5 不同設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Results of the penetration property test for different projects

表5是不同設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果。從表5中可以看出，EFP及雙層藥型罩EFP高速?zèng)_擊45#鋼靶的破壞模式相近：彈體穿過鋼靶，對(duì)靶板造成充塞式破壞。靶板被擠壓和充塞，從靶板坑壁可明顯觀察到紫銅材質(zhì)彈丸擠鑿靶板留下的痕跡，在靶板背面還觀察到拉伸撕裂破壞。與EFP戰(zhàn)斗部相比，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形彈丸能夠有效擊穿2層2 cm厚的45#鋼靶，其侵徹能力達(dá)到了0. 67倍裝藥口徑以上，而具有相同裝藥結(jié)構(gòu)的EFP戰(zhàn)斗部成形彈丸的侵徹深度僅為其一半左右。另一方面，EFP的開坑直徑較大且均勻，而雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形彈丸侵徹鋼板的開口形狀近似呈現(xiàn)圓形。

4 結(jié)論

1）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)藥型罩的相對(duì)曲率半徑η為0. 67～0. 93時(shí)，弧錐結(jié)合型雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部可成形具有良好外形的侵徹體。此時(shí)，成形侵徹體的最大侵徹深度約為1倍裝藥口徑。

2）藥型罩相對(duì)曲率半徑為0. 77時(shí)，雙層藥型罩EFP戰(zhàn)斗部成形侵徹體可以有效擊穿2層2 cm厚的45#鋼靶，是具有相同裝藥結(jié)構(gòu)EFP戰(zhàn)斗部成形侵徹體侵徹深度的兩倍左右。

3）通過對(duì)藥型罩曲率半徑的選擇，可以針對(duì)不同裝甲目標(biāo)進(jìn)行戰(zhàn)斗部參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在裝藥總能量及能量密度一定的條件下，使戰(zhàn)斗部的輸出效應(yīng)與打擊目標(biāo)特性相匹配，從而可以有效增加對(duì)目標(biāo)的毀傷效能。

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Influence of Curvature Radius on the Formation and Penetration of Explosively Formed Penetrator Warhead of the Double Layer Liner

LONG Yuan①，MAO Zhenxing①②，LIU Jianfeng①，JI Chong①，ZHONG Mingshou①，JIANG Nan①，ZHOU Hui①

①College of Filed Engineering，PLA University of Science and Technology（Jiangsu Nanjing，210007）②Wuhan Leishen Special Device Co.，Ltd.（Hubei Wuhan，430200）

［ABSTRACT］ Influence of curvature radius on the formation and penetration of explosively formed penetrator（EFP）warhead of the double layer liner was researched by LS-DYNA software. Simulation results show that the penetrator has a good shape and the maximum penetration depth is about 1 time charge caliber when the relative value of liner curvature radius is located in 0. 67-0. 93. Experimental results also show that the penetrator could effectively breakdown two 2 cm thickness 45#steel targets and the entrance of the target is approximate in a circle shape. It is about twice penetration depth compared with EFP in the same shape charge structure. The conclusions can supply references for optimization of EFP warhead of the double layer liner.

［KEY WORDS］ explosion mechanics；double layer liners；curvature radius of the liner；formation；penetration

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 002

收稿日期：?2016-01-26

基金項(xiàng)目：解放軍理工大學(xué)預(yù)先研究基金項(xiàng)目（201417）；解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院青年基金項(xiàng)目（2015-7）

作者簡(jiǎn)介：龍?jiān)矗?958 -），男，博導(dǎo)，主要從事火炮、自動(dòng)武器與彈藥工程研究。E-mail：long_yuan@ sohu. com

通信作者：劉健峰（1988 -），男，博士研究生，主要從事戰(zhàn)斗部高效毀傷研究。E-mail：ljflccc@163. com