不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP成型影響的對(duì)比分析*

常變紅，崔志琴，武　勇，臧立偉

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原　030051；2.中國(guó)兵器裝備研究院，北京　102202）

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不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP成型影響的對(duì)比分析*

常變紅1，崔志琴1，武勇1，臧立偉2

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051；2.中國(guó)兵器裝備研究院，北京102202）

摘要：為了研究不同形狀網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)形成的MEFP破片的影響，利用LS-DYNA動(dòng)力有限元程序，采用Lagrangian方法，分別對(duì)十字形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部、星形線形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部、中心圓環(huán)形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部、井字形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部成型過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并對(duì)影響各自破片成型及發(fā)散角的因素進(jìn)行了分析研究。通過(guò)對(duì)不同方案網(wǎng)柵切割式MEFP速度及散布面積對(duì)比分析，結(jié)果表明：采用井字形網(wǎng)柵產(chǎn)生的破片集聚性?xún)?yōu)于十字形、星形線形和中心圓環(huán)形結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)，戰(zhàn)斗部，網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，多爆炸成型彈丸，數(shù)值模擬

0　引言

多模戰(zhàn)斗部是當(dāng)前成型裝藥技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，可使彈藥實(shí)現(xiàn)一彈多用，適時(shí)摧毀戰(zhàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的各類(lèi)目標(biāo)，成為目前戰(zhàn)斗部技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向［1］。其研究的核心內(nèi)容是在同一裝藥結(jié)構(gòu)下形成不同的毀傷元，包括射流（JET）、高速桿式侵徹體（JPC）、爆炸成型彈丸（EFP）及定向破片［2］。

網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部正是在這一背景下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種新型戰(zhàn)斗部，其采用與單EFP裝藥相同的單一藥型罩結(jié)構(gòu)，在藥型罩前加裝一個(gè)可拋擲的切割網(wǎng)柵，用于切割處于變形過(guò)程中的藥型罩［3］。當(dāng)要求戰(zhàn)斗部正常作用形成單一彈丸時(shí)，切割網(wǎng)柵在戰(zhàn)斗部作用前被拋開(kāi)，形成飛行穩(wěn)定的爆炸成型彈丸，用于遠(yuǎn)距離攻擊輕型裝甲目標(biāo)；當(dāng)要求戰(zhàn)斗部形成多個(gè)彈丸時(shí)，切割網(wǎng)柵作用切割形成彈幕，用于近距離攔截和引爆來(lái)襲彈藥［4］、大密度地攻擊集群坦克和武裝直升飛機(jī)，對(duì)目標(biāo)造成大面積的毀傷，有效提高武器系統(tǒng)的毀傷效能。

事實(shí)上，切割網(wǎng)柵的幾何形狀是影響破片的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的一個(gè)重要因素。設(shè)計(jì)切割網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)時(shí)，既要考慮形成的EFP破片形狀具有一定的均勻性和氣動(dòng)性，還要考慮形成的EFP破片要有一定的長(zhǎng)徑比和侵徹能力，以提高其毀傷效率。因此，分析不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP成型性能的影響，對(duì)切割式MEFP戰(zhàn)斗部的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成具有氣動(dòng)性能好、穩(wěn)定性好、穿透能力強(qiáng)的破片，增加其毀傷效能具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1　不同形狀的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)

切割網(wǎng)柵的結(jié)構(gòu)和外形可以根據(jù)實(shí)際需求而設(shè)計(jì)，可以是十字形、中心星形線形、中心圓環(huán)形、井字形等形狀，如圖1所示。切割金屬絲的橫截面可以是圓形、矩形、正方形、三角形、多邊形等形狀，可根據(jù)工藝水平加工所需截面形狀的切割金屬絲；切割金屬絲的材料一般選用鉛銻合金、鋁合金、銅、鋼、鎢等。

圖1　不同形狀網(wǎng)柵切割結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)為：藥型罩采用等壁厚球缺罩，口徑為90mm，壁厚為4mm，曲率半徑為120 mm；裝藥直徑為90 mm，裝藥高度為90 mm；殼體厚度為2 mm；起爆方式選擇中心單點(diǎn)起爆。網(wǎng)柵形狀為圖1所示的4種結(jié)構(gòu)，網(wǎng)柵與藥型罩的間距為6 mm；網(wǎng)柵金屬桿的橫截面形狀為正方形，邊長(zhǎng)為1.0 mm；截面過(guò)大導(dǎo)致藥型罩形成破片的質(zhì)量損失較大，而截面過(guò)小，不能將藥型罩切開(kāi)，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

圖2　網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

2　MEFP成型數(shù)值計(jì)算模型

應(yīng)用Truegrid軟件建立網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部的有限元計(jì)算模型，然后運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)柵切割式MEFP成型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，單元算法采用多物質(zhì)Euler算法來(lái)模擬炸藥的爆轟和藥型罩的壓垮及MEFP成型過(guò)程，且Euler網(wǎng)格范圍足以覆蓋爆轟產(chǎn)物和MEFP飛行空間。網(wǎng)格單元選用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元，計(jì)算中采用的單位制為：mm-ms-kg-Gpa。根據(jù)裝藥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，建立1/4模型，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間與周期。起爆方式選擇單點(diǎn)起爆，起爆點(diǎn)在裝藥底面圓心處。

在數(shù)值模擬中，藥型罩材料選用銅、殼體材料選用鋼、網(wǎng)柵材料選用鎢，使用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述藥型罩在爆轟波作用下的動(dòng)力響應(yīng)行為，可用來(lái)模擬高應(yīng)變條件下的材料變形問(wèn)題［5］。Gruneisen狀態(tài)方程表達(dá)式在壓縮狀態(tài)時(shí)壓力p為

在膨脹狀態(tài)壓力p為

式中：c是聲速；μ=1/V-1，V是爆轟產(chǎn)物初始相對(duì)體積；s1、s2和s3是流體狀態(tài)方程系數(shù)；E是爆轟產(chǎn)物單位體積的內(nèi)能；γ0是Gruneisen系數(shù)；ρ0是初始密度；a是對(duì)γ0的一階修正。銅的主要材料模型參數(shù)分別為：ρ=8.96 g/cm3，G=47.7 GPa，E=137 GPa；鋼的主要材料模型參數(shù)為：ρ=7.89 g/cm3，G=77 GPa，E= 200 GPa；鎢的主要材料模型參數(shù)為：ρ=19.3 g/cm3，G=160 GPa，E=1 510 GPa。

計(jì)算中使用8701炸藥，選用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程精確描述了在爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性。主要材料模型參數(shù)為ρ0=1.71×10-3g/cm3，D=7 980 m/s，pCJ=29.5 GPa，E0=8.35 GPa。空氣材料采用MAT_NULL模型，狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式，用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL來(lái)描述，主要參數(shù)為：密度ρ0=1.293×10-3g/cm3，聲速C=340 m/s，初始相對(duì)體積V0=1.0。

3　不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP成型影響分析

本文從十字形、中心星形線形、中心圓環(huán)形、井字形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)出發(fā)，以切割形成的MEFP破片速度分布和發(fā)散角α為指標(biāo)，對(duì)不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)MEFP成型影響分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.1MEFP破片發(fā)散角概念確定

圖3　MEFP破片發(fā)散角示意圖

考慮到不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)形成的MEFP破片數(shù)目和形狀不同，為了對(duì)MEFP破片發(fā)散角統(tǒng)一定義，在此不考慮網(wǎng)柵隨藥型罩質(zhì)量損失的影響，以藥型罩的初始狀態(tài)分析，如圖3所示。

藥型罩經(jīng)網(wǎng)柵切割后形成的若干個(gè)MEFP破片將存在一定的發(fā)散角，而發(fā)散角的大小將直接影響到MEFP破片束的侵徹威力與毀傷面積，是不容忽視的重要指標(biāo)。因此，MEFP破片的發(fā)散角必須得到控制。

由圖3可以看出：經(jīng)網(wǎng)柵切割后形成的MEFP破片發(fā)散角［6］為：

式中：S為戰(zhàn)斗部藥型罩與MEFP破片飛行位置之間的水平距離，H為MEFP破片的發(fā)散半徑。

3.2不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP成型的影響分析

主裝藥起爆后，藥型罩在爆炸載荷作用下，翻轉(zhuǎn)、壓縮，形成爆炸成型彈丸，所形成的爆炸成型彈丸通過(guò)金屬網(wǎng)柵，被切割成不同的EFP破片單元，形成新的毀傷元。4種不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)形成的MEFP數(shù)值模擬結(jié)果和MEFP性能參數(shù)如表1所示。

表1　不同結(jié)構(gòu)方案網(wǎng)柵切割式MEFP速度對(duì)比分析

由表1可以看出，在裝藥結(jié)構(gòu)相同的情況下，結(jié)構(gòu)方案a得到的破片形狀不均勻，原因是藥型罩的中心部分首先受到爆轟波作用，所以中心部分速度高于周邊部分，而且藥型罩體除獲得較高的質(zhì)心速度外，罩微元還獲得沿軸向近似呈線性分布的軸向及徑向速度。由于有徑向速度的存在，罩微元必定向中間擠壓，如果此時(shí)罩的中心部分與切割網(wǎng)柵發(fā)生碰撞，即使分割得很好，在隨后的過(guò)程也必將向中間運(yùn)動(dòng)，使其得到的MEFP破片形狀不均勻，氣動(dòng)性下降；而b、c、d 3種結(jié)構(gòu)方案都避開(kāi)了藥型罩的中心部分，主要對(duì)藥型罩靠近罩口部分進(jìn)行作用，使得其中心部分的速度梯度在一定范圍內(nèi)增大，從而長(zhǎng)徑比增大，而其他部分的徑向速度本來(lái)就比較低，因此，分割開(kāi)后向中間的運(yùn)動(dòng)不會(huì)很明顯，最終形成的MEFP破片形狀比較均勻。MEFP戰(zhàn)斗部經(jīng)星形線形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)（b方案）切割后形成的5個(gè)破片形狀較十字形網(wǎng)柵均勻，故氣動(dòng)性?xún)?yōu)于十字形網(wǎng)柵切割式MEFP。但星形線形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)造成了藥型罩切割時(shí)發(fā)生更多的質(zhì)量損失，并且由于星形線4個(gè)內(nèi)角的存在，使得切割后形成的破片在飛行過(guò)程中更容易發(fā)生邊緣崩落。而中心圓環(huán)形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)（c方案）較星形線形網(wǎng)柵采用邊緣平滑過(guò)渡，MEFP破片成型效果優(yōu)于星形線形網(wǎng)柵切割式MEFP，在設(shè)計(jì)切割網(wǎng)柵時(shí)應(yīng)盡量避免銳角結(jié)構(gòu)，保證MEFP破片有較少的質(zhì)量損失，從而提高M(jìn)EFP破片的侵徹威力。采用井字形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)（d方案）可以在原來(lái)的單個(gè)EFP裝藥結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生9個(gè)具有一定威力和方向性的破片，MEFP破片數(shù)量、速度均優(yōu)于a、b、c方案。從表1中可以看出，4種結(jié)構(gòu)方案所形成的MEFP破片束平均速度基本相同，說(shuō)明網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)MEFP破片束的速度影響不大。

由表1可以看出，在裝藥結(jié)構(gòu)相同的情況下，不同結(jié)構(gòu)方案的網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角有較大差別。a、b、c、d 4種結(jié)構(gòu)方案形成的MEFP破片發(fā)散角由小到大依次為：a方案＜b方案＜c方案＜d方案。原因是：切割網(wǎng)柵形狀決定了藥型罩與網(wǎng)柵碰撞時(shí)接觸面積的大小，從而決定了由此引起的藥型罩質(zhì)量損失多少。4種結(jié)構(gòu)方案中，十字形網(wǎng)柵與藥型罩的接觸面積最小，因而藥型罩質(zhì)量損失最小，導(dǎo)致形成的破片質(zhì)量最大；而井字形網(wǎng)柵與藥型罩的接觸面積最大，因而藥型罩質(zhì)量損失最大，導(dǎo)致形成的破片質(zhì)量最小。根據(jù)能量守恒定律，MEFP破片的質(zhì)量減小，其軸向和徑向速度也會(huì)相應(yīng)增大，最終造成切割形成的MEFP發(fā)散角逐漸增大。所以，4種結(jié)構(gòu)方案中，十字形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角最小，而井字形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角最大。相比b、c兩種結(jié)構(gòu)方案，藥型罩與網(wǎng)柵碰撞時(shí)接觸面積相同，但相對(duì)于中心圓環(huán)形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角，星形線形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角較大。因?yàn)樾切尉€形網(wǎng)柵中4個(gè)內(nèi)角結(jié)構(gòu)造成了藥型罩在切割后形成的破片在飛行過(guò)程中發(fā)生了較多的邊緣崩落，即質(zhì)量損失。根據(jù)能量守恒定律：破片的質(zhì)量減小，其軸向和徑向速度也會(huì)相應(yīng)增大，最終導(dǎo)致MEFP發(fā)散角逐漸增大。所以星形線形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角略大于中心圓環(huán)形網(wǎng)柵切割式MEFP發(fā)散角。對(duì)比4種結(jié)構(gòu)方案，采用井字形網(wǎng)柵（d方案）產(chǎn)生的MEFP破片集聚性?xún)?yōu)于a、b、c方案。

4　結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)十字形、中心星形線形、中心圓環(huán)形、井字形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部成型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并以切割形成的MEFP破片速度分布和發(fā)散角α為指標(biāo)，對(duì)不同網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)MEFP成型影響進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

①設(shè)計(jì)的4種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部，在爆炸載荷作用下，通過(guò)切割網(wǎng)柵的作用，可以將一個(gè)爆炸成型彈丸切割成多個(gè)MEFP破片，形成MEFP彈幕，可用于近距離攔截和引爆來(lái)襲彈藥，大密度地攻擊集群坦克和武裝直升飛機(jī)，大大提高彈藥的命中概率和毀傷概率。

②對(duì)于同一裝藥，在4種網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)切割作用下，所形成的MEFP破片束的平均速度相差不大，說(shuō)明網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)形成的MEFP破片束速度影響較小。

③網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)對(duì)切割形成的MEFP破片束的發(fā)散角影響較大，發(fā)散角由小到大為：十字形、中心星形線形、中心圓環(huán)形、井字形網(wǎng)柵切割式MEFP戰(zhàn)斗部。綜合分析，采用井字形網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)斗部產(chǎn)生的MEFP破片集聚性?xún)?yōu)于采用其他結(jié)構(gòu)方案戰(zhàn)斗部。

參考文獻(xiàn)：

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Comparative Analysis on Different Bar- Cutting of Structure for MEFP Formation

CHANG Bian-hong1，CUI Zhi-qin1，WU Yong1，ZANG Li-wei2
（1. School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. China Ordnance Equipment Research Institute，Beijing 102202，China）

Abstract：In order to study the effects of different shapes mesh structure on the MEFP fragments formed，Numerical simulation of the shaping process of cross-cutting type mesh MEFP warhead，star linear mesh Cutting MEFP warhead，center cut circular mesh type MEFP warhead，well-shaped mesh cutting MEFP warhead is carried out respectively with the Lagrangian method using LS-DYNA，and the impact of each fragment and the divergence angle forming factors are analyzed. In this paper，the different program network speed and compare MEFP gate cutting style spread area of analysis. The results indicate that using well-shaped mesh generates fragments agglomeration resistance than by cross，star linear and circular center structure program.

Key words：explosive mechanics，warhead，bar-cutting structure，multiple linear explosively formed penetrator，numerical simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：TJ413.+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0640（2016）05-0076-04

收稿日期：2015-05-05修回日期：2015-06-07

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11572291）

作者簡(jiǎn)介：常變紅（1978-），女，山西壽陽(yáng)人，講師。研究方向：彈箭數(shù)值仿真技術(shù)。