大口徑EFP侵徹典型裝甲鋼板過程的數(shù)值仿真與試驗研究

葉 嚴，姚志敏，李金明，劉 波

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大口徑EFP侵徹典型裝甲鋼板過程的數(shù)值仿真與試驗研究

葉 嚴1，姚志敏1，李金明2，劉 波1

(1.軍械工程學院導彈工程系，河北 石家莊，050003；2.軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊，050003）

通過大口徑EFP高速侵徹裝甲靶板試驗，以及利用AUTODYN-3D有限元仿真軟件對整個侵徹過程進行數(shù)值模擬，研究了EFP開坑、穩(wěn)定侵徹、尾翼侵徹和沖塞貫穿形成二次破片的物理過程，模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象和理論分析均吻合較好，并從原理上分析了試驗中各宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。研究結(jié)果不但認識了EFP侵徹裝甲靶板的機理，也可以為聚能裝藥對典型裝甲毀傷評估提供參考。

EFP；侵徹機理；裝甲靶板；數(shù)值仿真

爆炸成型彈丸(EFP)利用聚能原理，通過裝藥的爆轟作用，使高溫高壓的爆轟產(chǎn)物作用于金屬藥型罩上，使藥型罩材料發(fā)生極大的塑性變形而閉合形成具有較高質(zhì)心速度(1 500~3 000m/s)和一定結(jié)構(gòu)形狀的彈丸，利用動能侵徹目標[1]。目前，國內(nèi)外對EFP的成型及其影響因素和侵徹過程研究比較多[2-4]，但從原理上對整個侵徹過程進行細致分析的還比較少[5]。由于EFP在大炸高下能保持完整的彈丸特性來攻擊裝甲目標，其威力可達到在1 000倍裝藥口徑的距離上穿透厚度相當于1倍裝藥口徑的均質(zhì)裝甲[6]，所以抗EFP沖擊是判斷坦克裝甲和混凝土工事防護能力的一個重要依據(jù)，研究EFP對裝甲靶板的高速侵徹效應(yīng)很有意義。

由于EFP高速侵徹裝甲靶板過程十分復雜，僅靠理論分析和實驗很難認識整個過程中所產(chǎn)生的侵徹效應(yīng)。為此，本文在試驗呈現(xiàn)侵徹現(xiàn)象的同時，結(jié)合AUTODYN有限元仿真軟件[7]，采用光滑粒子流體動力（SPH）方法計算，對EFP從形成到侵徹完成的整個過程進行了數(shù)值模擬，并分析了侵徹過程中產(chǎn)生各現(xiàn)象的原因，從機理上研究了EFP對裝甲靶板的高速侵徹效應(yīng)。

1 試驗布置與試驗結(jié)果

1.1 EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

圖1為EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖，EFP裝藥主要由藥型罩、裝藥、殼體和起爆裝置等組成，其中裝藥直徑D為140mm，藥型罩的內(nèi)曲率半徑1為144mm，外曲率半徑2為137mm，罩頂壁厚為6mm。

圖1 EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖

1.2 試驗原理及布置

本文選用裝甲靶板作為侵徹對象，主要是因為國內(nèi)外普遍采用此材料進行EFP的威力考核，具有普遍意義。試驗中，聚能裝藥選用大口徑140mm EFP試驗彈，炸高為1 000mm，裝藥為8701炸藥，裝藥高度102mm，藥型罩材料為紫銅，變壁厚結(jié)構(gòu)。裝甲靶板的尺寸有兩種，一種為300mm×300mm×40mm；另一種為400mm×400mm×45mm。靶板由專用鋼制靶板支架固定，分別有0°、30°和45°的靶板支架（由于后效作用比較大，每做一次實驗換一個靶板支架），置于回收水箱上，后效靶板置于水箱上方，距靶板1 000mm。在靶板上垂直放置一個高為1 000mm的炸高筒，并將EFP戰(zhàn)斗部放在炸高筒上，藥型罩口部朝下，正對靶板。校準完成后，采用制式電雷管起爆。試驗布置情況見圖2。

圖2 試驗布置情況示意圖

1.3 試驗結(jié)果

試驗時對5發(fā)試驗彈進行編號，并記錄每發(fā)彈丸侵徹靶板的孔徑、出入口直徑、前后靶塑性變形區(qū)等數(shù)據(jù)。典型試驗結(jié)果照片如圖3所示，試驗數(shù)據(jù)見表1 。

圖3 典型試驗結(jié)果照片

表1 試驗方案與試驗結(jié)果

如圖3和表1所示，5次試驗均出現(xiàn)以下現(xiàn)象：靶板入口卷邊花瓣狀破壞；出口具有明顯拉伸斷裂特征的外翻花瓣形穿孔；入口直徑大于出口直徑；前靶出現(xiàn)塑性變形區(qū)；從垂直侵徹到斜侵徹，穿孔的形狀由圓形變成橢圓形，并且傾斜角度越大橢圓長短半軸比越大。

2 EFP侵徹過程數(shù)值模擬

2.1 基本假設(shè)

通常情況下，對某一問題的仿真分析必須先做一些假設(shè)，將復雜目標簡化成可以建立數(shù)值仿真模型并保證目標真實特性的簡單目標，這就要求對一特定的環(huán)境參數(shù)、幾何條件進行簡化，然后再運用數(shù)學計算的方法來對目標進行量化計算模擬。采用Backman和Goldsmith對于侵徹的假設(shè)如下：（1）靶板的響應(yīng)集中在幾倍于彈體直徑的區(qū)域中，可忽略遠離侵徹點的復雜邊界條件；（2）忽略包括摩擦在內(nèi)的熱效應(yīng)；（3）假定撞擊面局部為平面。

2.2 計算模型

由于聚能裝藥結(jié)構(gòu)比較復雜，在AUTODYN中無法對其進行網(wǎng)格剖分，故采用LS-DYNA建立炸藥、藥型罩以及靶板的有限元網(wǎng)格；為降低計算量，充分考慮模型的對稱性，只建立其1/4模型，并生成文件；將LS-DYNA中生成的文件通過接口導入AUTODYN中，再將上述有限元網(wǎng)格通過SPH粒子替換，并賦予對應(yīng)材料，炸藥、藥型罩和靶板分別設(shè)置粒子間距為0.6mm、0.4mm和0.6mm，變光滑長度，總粒子數(shù)為51 600個；EFP戰(zhàn)斗部及靶板SPH模型建立過程如圖4所示。

圖4 EFP戰(zhàn)斗部和靶板有限元模型

設(shè)置侵蝕準則，并保留侵蝕單元節(jié)點的初始慣性運動特性，以此來模擬靶后破片的飛散效果。根據(jù)模擬方案，考慮到SPH方法計算效率偏低，且對計算機要求較高，數(shù)值計算采用配置為Intel Xeon E5-2690 CPU，64 GB內(nèi)存的工作站進行。

2.3 材料模型與參數(shù)

該仿真采用AUTODYN-3D，采用的單位是cm-g-μs，各部分材料參數(shù)大部分來自AUTODYN標準材料庫，數(shù)值模擬中藥型罩為紫銅、靶板材料為裝甲鋼，材料模型如表2所示。

表2 材料模型

藥型罩及靶板材料模型均選用為Johnson-Cook 材料模型，并通過Gruneisen 狀態(tài)方程描述其變形過程；8701 炸藥采用JWL狀態(tài)方程描述。首先對EFP垂直侵徹40mm厚均質(zhì)裝甲靶板進行了數(shù)值模擬，為驗證材料模型、對應(yīng)參數(shù)以及數(shù)值模型的可靠性，將所得結(jié)果與試驗所得結(jié)果進行對比驗證。

2.4 仿真試驗結(jié)果分析

為直觀反映EFP侵徹靶板的整個過程，選取具有代表性的各階段的剖面圖，如圖5所示。

圖5 侵徹過程

由圖5可知，EFP對靶板的侵徹可分為4個階段：

（1）開坑階段(侵徹深度小于等于侵徹體直徑)：此時的碰撞速度最高，產(chǎn)生的碰撞應(yīng)力也最大，遠遠超過了EFP和靶板金屬材料的動態(tài)強度，使靶板材料在碰撞的局部區(qū)域內(nèi)發(fā)生破壞、變形，并向抗力最小的方向飛濺排出，形成了靶前破片。這時EFP上只作用有慣性力和壓縮力，并不斷地破壞、飛濺。同時在靶板表面產(chǎn)生了不斷擴大的彈坑，在靶內(nèi)建立起了相對穩(wěn)定的高壓、高應(yīng)變和高變形率狀態(tài)，使靶板周圍快速形成塑性變形區(qū)和高溫區(qū)，提供了有利于侵徹正常進行的條件，并自碰撞點向靶板中傳入較強的球形沖擊波，同時在靶板表面產(chǎn)生反射波和拉伸波。由于頭部相對較尖，接觸界面形成小面積凹陷，該階段持續(xù)時間非常短暫，約4μs左右。圖5中69~72μs時均屬于開坑階段。

（2）穩(wěn)定侵徹階段（鼓包形成）：在開坑階段完成之后，彈靶材料繼續(xù)不斷地破壞、飛濺，EFP繼續(xù)沖擊靶板，沖擊速度明顯低于EFP速度，在此過程中EFP不斷縮短，質(zhì)點向側(cè)向流動擴孔，使侵徹孔徑明顯大于EFP杵體直徑。同時，杵體由于受到高溫和磨蝕的作用，發(fā)生塑性變形，使其質(zhì)量不斷減少，動能降低，截面積增大，靶板內(nèi)部孔徑也隨之增大，出現(xiàn)新表面。破碎的侵徹體碎片又不斷地撞擊彈坑的新表面，如此重復使彈坑不斷加深。當EFP侵徹到靶板一定深度時，由于穩(wěn)定侵徹及入射波和反射波的共同作用，在靶板的背面產(chǎn)生金屬材料的塑性流動，進而形成鼓包區(qū)，鼓包近似為球缺形。如圖5中72~84μs為穩(wěn)定侵徹階段。

（3）尾翼侵徹階段：在84μs時尾翼開始撞擊靶板，此時，EFP加速度增至最大，速度衰減最快，靶板孔徑也增至最大，由于尾翼對入口的撞擊作用，造成入口直徑的進一步增大。約96μs時，靶板背面出現(xiàn)明顯隆起，該現(xiàn)象對沖擊過程將產(chǎn)生一定的影響，但由于材料沒有出現(xiàn)破壞，又在一定程度上限制了該影響。因此，整個沖擊過程中，靶板背面對侵徹的影響都很小，近似分析中可以不予考慮。

（4）沖塞貫穿階段（鼓包的破裂直至靶后破片的形成）：隨著侵徹的繼續(xù)進行，EFP的磨蝕量增大，其截面積不斷減小，孔徑也隨之減小，在EFP的侵徹和破片反擠的不斷作用下，鼓包的高度不斷增加，并因拉應(yīng)力的持續(xù)增大而開始自外表面破裂。隨后，隨著靶板的抗剪切性能的下降，鼓包的高度繼續(xù)增加，最終彈坑周圍的鼓包區(qū)沿鼓包周邊的應(yīng)力集中及初始裂紋區(qū)域產(chǎn)生拉伸斷裂，鼓包完全破裂。這時剩余EFP從鼓包中沖出，其后面跟隨著侵徹體碎片和靶板材料的崩落碎片，形成具有殺傷力的靶后破片。如圖5中114~168μs為沖塞貫穿階段。

侵徹結(jié)束時裝甲靶板的破壞特征主要有以下3種：一是入口呈現(xiàn)卷邊花瓣狀破壞，造成該現(xiàn)象主要是由于侵徹過程中靶板和EFP均呈明顯的流體動力特性，在高速侵徹時質(zhì)點流動產(chǎn)生的離心力和應(yīng)力波反射產(chǎn)生的強拉伸應(yīng)力共同作用，推動入口邊緣外翻，使入口呈現(xiàn)花瓣狀卷邊破壞，這與試驗現(xiàn)象基本一致；二是出口呈現(xiàn)外翻花瓣形穿孔且具有明顯的拉伸斷裂特征，主要是因為EFP在靶板內(nèi)運動推動靶板背面出現(xiàn)隆起，隆起部分在侵徹過程后期受到EFP的推動進一步變形，最后拉伸應(yīng)力超過材料的拉伸強度，在EFP四周產(chǎn)生星形裂縫，EFP貫穿靶板后，靶板的拉伸應(yīng)力會把已產(chǎn)生裂縫的邊緣拉住，并在強度較弱的地方斷裂，形成出口處的外翻花瓣形破壞；三是靶板入口直徑明顯大于出口直徑，且出現(xiàn)兩頭直徑大中間孔徑小的現(xiàn)象。分析侵徹過程可知，EFP尾翼對入口的擴孔作用是造成入口直徑較大的主要原因，而侵徹過程中因磨蝕使得EFP直徑和質(zhì)量減少造成了靶板孔徑縮小，隨著EFP速度的降低，材料的主要變形破壞機制雖然仍是流體動力特征，但其塑性逐漸呈現(xiàn)，EFP出現(xiàn)一定的蘑菇頭形狀，造成侵徹孔徑又有一定的擴大。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬、試驗研究和理論分析等方法得出以下結(jié)論：（1）從原理上給出了靶板出入口呈現(xiàn)不同花瓣狀破壞、沖塞和入口直徑明顯大于出口直徑等現(xiàn)象的物理原因。（2）從垂直侵徹到傾斜侵徹，穿孔的形狀由圓形變成橢圓形，并且傾斜角度越大橢圓長短半軸比越大。（3）分析整個侵徹過程，可以得到一些提高裝甲防護能力的措施，即采用爆炸反應(yīng)裝甲(ERA)來破壞或防止EFP開坑等。同時也可以發(fā)現(xiàn)EFP侵徹靶板除了需要較高的速度外，還需有足夠的長度消耗在侵徹過程中，為此可通過適當方法(如改變藥型罩結(jié)構(gòu))來增加EFP的長徑比，從而提高其侵徹能力。

[1] 李向東,錢建平,曹兵等.彈藥概論[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.

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[7] Century Dynamics Inc. Autodyn user manual[M].Century Dynamics Inc, San Ramon, 2005

Numerical Simulation and Experimental Research on the Process of Large Caliber EFP Penetrating the Typical Armor Plate

YE Yan1, YAO Zhi-min1, LI Jin-ming2, LIU Bo1

（1. Missile Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003；2.Ammunition Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003）

Through the test of large caliber EFP penetrating into the armor target plate speedy, as well as the numerical simulation of the whole penetration process using the finite element simulation software AUTODYN 3D, the EFP open pit, steady penetration, tail penetration and plugging formed through a secondary fragment of the physical process, were studied. Simulation results with the experimental phenomenon and theoretical analysis are in good agreement, and the reasons of the macroscopic phenomena generation were analyzed in principle. The research results not only show the mechanism of EFP penetrating armour target board, but also provide a reference for shaped charge of typical armored damage assessment.

EFP；Penetration mechanism；Armor target；Numerical simulation

1003-1480（2016）02-0017-04

TJ410.3

A

2015-12-22

葉嚴（1991 -），男，在讀碩士研究生，主要從事導彈裝備仿真與控制研究。