周向整體式MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

鄭燦杰，陳智剛，付建平，張孝中，王維占，蘭宇鵬

(1.中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原 030051)(2.山東特種工業(yè)集團(tuán)，山東 淄博 255200)

MEFP[1](多爆炸成型彈丸)技術(shù)的產(chǎn)生實現(xiàn)了戰(zhàn)斗部一次作用產(chǎn)生多個彈丸的功能，提高了彈丸命中目標(biāo)的概率，大大提升了戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)效能，基于其相比于單個EFP(爆炸成型彈丸)戰(zhàn)斗部更易命中且易摧毀目標(biāo)的優(yōu)勢，現(xiàn)已在國內(nèi)外展開了廣泛研究[2-5]，MEFP戰(zhàn)斗部的技術(shù)也越來越成熟。目前，MEFP的常見模式[6]有組合式、變形罩式、切割式、整體多罩式。

本文設(shè)計了一種周向整體式MEFP戰(zhàn)斗部，即在戰(zhàn)斗部外殼面沿圓周方向分層均勻布置藥型罩，在爆炸載荷作用下藥型罩翻轉(zhuǎn)形成多束EFP，對周圍空間目標(biāo)進(jìn)行毀傷。為了保證在空間形成均勻的殺傷場，周向整體式MEFP戰(zhàn)斗部在殼體結(jié)構(gòu)上可做一定改進(jìn)。本文采用上一層藥型罩與下一層藥型罩位置互相交錯、每一層藥型罩?jǐn)?shù)量相等的方案，可提高多束EFP在空間分布上的均勻性。采用這種MEFP戰(zhàn)斗部，可以增大彈藥有效殺傷半徑，在較大范圍內(nèi)重點打擊威脅目標(biāo)，提高戰(zhàn)斗部毀傷效能。實踐證明，這種戰(zhàn)斗部對付艦船和空中目標(biāo)等輕型裝甲是非常有效的[7]。

1 仿真計算模型

1.1 初步方案設(shè)計

圖1 藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 有限元模型與算法

本文利用TrueGrid軟件構(gòu)建有限元模型，通過其與LS-DYNA軟件的接口，將TrueGrid軟件生成的模型文件導(dǎo)入LS-DYNA軟件中進(jìn)行計算。由于結(jié)構(gòu)的幾何形狀關(guān)于XOZ平面和YOZ平面對稱，所以在施加對稱約束的情況下可利用TrueGrid軟件建立戰(zhàn)斗部的1/4有限元模型，如圖2所示。

在數(shù)值模擬計算中，材料參數(shù)的選取直接影響到計算結(jié)果的精確性，不同材料模型對材料的描述是不同的，這些區(qū)別都會影響仿真計算的結(jié)果。因此，選擇合理的本構(gòu)模型及材料參數(shù)是保證計算結(jié)果準(zhǔn)確的必要前提。本文所討論的MEFP戰(zhàn)斗部主要包括炸藥和藥型罩，爆炸作用介質(zhì)為空氣。

圖2 戰(zhàn)斗部1/4有限元模型

1)炸藥。

主裝藥采用8701炸藥，其密度為1.717g/cm3，爆速為8 425m/s，采用* Mat_High_Explosive_Burn模型和JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程進(jìn)行數(shù)值模擬計算。8701炸藥的JWL狀態(tài)方程各項參數(shù)[8]見表1。

表1 8701炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

其中A,B,R1,R2為輸入?yún)?shù)；E0為單位體積爆轟產(chǎn)物的內(nèi)能。

2)藥型罩。

藥型罩對成型聚能侵徹體的質(zhì)量好壞起決定作用，直接決定了其毀傷性能的優(yōu)劣。目前采用最多的藥型罩材料是紫銅，其密度高，塑性優(yōu)良，形成的侵徹體破甲效果優(yōu)異。因此，本文藥型罩材料選取紫銅，材料模型為MAT_JOHNSON_COOK，它在考慮了金屬材料承受大應(yīng)力、高應(yīng)變率以及高溫的情況下，用來描述動態(tài)響應(yīng)過程和材料變形問題。紫銅的模型參數(shù)見表2。

從正常發(fā)酵大頭菜醬液(標(biāo)號為N)中和長膜大頭菜醬液(標(biāo)號為M)中共20株酵母菌株培養(yǎng)于YPD液體培養(yǎng)基，在28 ℃培養(yǎng)1天，肉眼觀察菌落形態(tài)為：部分試管內(nèi)溶液澄清，表面無膜生成，底部沒有沉淀；部分試管液體表面有膜形成，底部有沉淀存在，溶液有一定程度的渾濁。將20株酵母菌劃線在PDA瓊脂培養(yǎng)基上，28 ℃培養(yǎng)1天，菌落形態(tài)為：菌落顏色呈乳白色；菌落從側(cè)面觀察有凸起也有扁平，表面粗糙有褶皺，也有表面光滑；菌落邊緣有長出毛邊，也有呈現(xiàn)鋸齒狀，或者整齊無邊。分離菌株菌落形態(tài)觀察結(jié)果匯總?cè)氡?，菌落形態(tài)見圖1。

表2 藥型罩紫銅狀態(tài)方程參數(shù)

其中:ρ為材料密度；G為材料剪切模量；c為沖擊波速度；S1,S2,S3為曲線斜率系數(shù)；γ0為Gruneisen系數(shù)；α是γ0的一階體積修正系數(shù)。

3)空氣。

對于Euler算法和多物質(zhì)ALE流固耦合算法[9]來說，建模還需要在侵徹體飛行的整個區(qū)域范圍內(nèi)添加空氣域，并在邊界點上施加壓力流出的邊界條件，避免邊界效應(yīng)對計算精度的影響?？諝庥蛩玫牟牧夏Ｐ蜑镸AT_NULL，采用的線性多項式狀態(tài)方程為EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。表3是進(jìn)行數(shù)值計算時空氣所用的材料參數(shù)。

表3 空氣的材料參數(shù)

其中RO為質(zhì)量密度；PC為壓力切斷系數(shù)；MU為動態(tài)粘度系數(shù)；TEROD和TEROD為張力侵蝕和壓縮侵蝕的相對量，為0時不起作用；YM為楊氏模量；PR為泊松比。

本文采用多物質(zhì)耦合ALE算法[9]來模擬聚能裝藥作用的藥型罩成型過程，并建立足以覆蓋整個射流范圍的空氣域。為避免壓力在邊界上的反射，在模型的邊界節(jié)點上施加壓力透射邊界條件。

為節(jié)約計算時間，根據(jù)對稱性可取戰(zhàn)斗部模型的1/4結(jié)構(gòu)來建立三維模型進(jìn)行運算，并在模型的對稱面上施加對稱約束條件。計算網(wǎng)格[10]均采用六面體實體單元，炸藥、藥型罩、空氣采用ALE算法，戰(zhàn)斗部殼體、靶板采用Lagrange算法，它們之間的相互作用采用流固耦合算法。計算模型幾何參數(shù)如下：裝藥口徑為55.0mm，裝藥高度為51.6mm，藥型罩口徑為51.6mm，藥型罩高度為17.2mm。

2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

2.1 排列方式對成型過程的影響

在研究藥型罩的排列方式對周向MEFP成型影響時，本文設(shè)計了兩種排列方案。方案1是藥型罩每層平行排列在戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)上；方案2是藥型罩每層交錯排列在戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)上，計算模型如圖3所示，在裝藥結(jié)構(gòu)與藥型罩參數(shù)不變的情況下，只改變藥型罩分布方式。設(shè)計的仿真方案數(shù)據(jù)如下：裝藥外接圓柱直徑130mm，藥型罩軸向間距10mm，藥型罩分為3層，每層分布8個罩，藥型罩口徑40mm，藥型罩外曲率半徑30mm，藥型罩厚度3mm，無戰(zhàn)斗部殼體，采用中心軸三點起爆方式。2種方案的子EFP成型對比見表4。

圖3 計算模型

表4 2種方案成型過程

從表4可以看出，在炸藥起爆后0μs時刻為初始狀態(tài)，藥型罩在0～20μs之間受炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波沖擊作用，壓垮變形，向前高速運動；在20μs時，藥型罩開始翻轉(zhuǎn)，中間形成凸起；在40μs時，形成了24個成型完整的、具有一定發(fā)散角的子EFP。對比可知，方案2比方案1所形成的子EFP散布更密集，可提高命中率。此外，二者所形成的上下層子EFP都發(fā)生偏轉(zhuǎn)，中間層未偏轉(zhuǎn)。

方案1與方案2所形成的中間層子EFP軸向速度對比曲線如圖4所示，上下層子EFP的速度對比曲線如圖5所示。

圖4 中間層子EFP軸向速度對比曲線

從圖4可以看出，時間從0μs增加到30μs，方案1與方案2的中間層子EFP速度都呈先增大后減小的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。在40μs時，方案1的子EFP速度為2 260m/s，方案2的子EFP速度為2 490m/s。

圖5 上下層子EFP軸向速度對比曲線

從圖5可以看出，時間從0μs增加到30μs，方案1與方案2所形成的上下層子EFP速度都呈先增大后減小的趨勢，最后趨于穩(wěn)定。在40μs時，方案1的子EFP速度為2 160m/s ，方案2的子EFP速度為2 280m/s。

綜上所述，方案2比方案1所形成的子EFP散布密集更好，在彈目交匯時，更易擊中目標(biāo)。無論是中間層還是上下層所形成的子EFP的速度，方案2都優(yōu)于方案1。因此，交錯式周向結(jié)構(gòu)所形成子EFP的綜合性能更好。

2.2 層數(shù)對成型過程的影響

在研究藥型罩的分布層數(shù)對周向MEFP成型影響時，本文設(shè)計了3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。單層結(jié)構(gòu)是在裝藥結(jié)構(gòu)上周向分布一層藥型罩；雙層結(jié)構(gòu)是在裝藥結(jié)構(gòu)上周向交錯式分布兩層藥型罩；三層結(jié)構(gòu)是在裝藥結(jié)構(gòu)上周向交錯式分布三層藥型罩。單層結(jié)構(gòu)采用中心軸點起爆，雙層結(jié)構(gòu)采用中心軸兩點起爆，三層結(jié)構(gòu)采用中心軸三點起爆。3種結(jié)構(gòu)所形成的子EFP形態(tài)對比見表5，所形成的子EFP軸向速度曲線對比如圖6所示。

表5 3種結(jié)構(gòu)子EFP形態(tài)圖

從表5可以看出，單層結(jié)構(gòu)形成的子EFP形態(tài)最佳；雙層結(jié)構(gòu)在爆轟波的疊加作用下，所形成的兩層子EFP都發(fā)生偏轉(zhuǎn)；而三層結(jié)構(gòu)在爆轟波的疊加作用下，所形成的上下層子EFP都發(fā)生偏轉(zhuǎn)，中間層子EFP未偏轉(zhuǎn)。

圖6 3種結(jié)構(gòu)子EFP軸向速度曲線對比圖

從圖6可知，在接近20μs時，3種結(jié)構(gòu)所形成的子EFP速度都增大至最大值，隨后開始逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。但單層結(jié)構(gòu)在40μs時所形成的子EFP速度最小?？傊S著層數(shù)的增加，所形成的子EFP速度就越大。

2.3 起爆方式對成型過程的影響

在研究起爆方式對周向MEFP成型影響時，本文采用了兩種起爆方式，分別為裝藥中心軸線起爆和中心軸三點起爆。采用這兩種起爆方式對三層周向交錯式MEFP進(jìn)行數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果對比如圖7所示，子EFP軸向速度對比曲線如圖8所示。

圖7 子EFP形態(tài)對比圖

從圖7可以看出，線起爆所形成的子EFP的長徑比更大。由圖8可知，無論是中間層還是上下層，形成的子EFP軸向速度都隨時間的增加先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定，而線起爆方式形成的各層子EFP軸向速度比三點起爆方式所形成的子EFP軸向速度都大。

3 結(jié)論

本文通過建立MEFP戰(zhàn)斗部數(shù)值模型，分析了藥型罩排布方式、排列層數(shù)、起爆方式對侵徹體成型的影響，主要得到以下結(jié)論：

1)藥型罩交錯式排列比平行式排列所形成的子EFP散布密集更好，在彈目交匯時，更易擊中目標(biāo)。無論是中間層還是上下層所形成的子EFP的速度，交錯式都優(yōu)于平行式。

2)從MEFP排列層數(shù)看，在接近20μs時，3種排列層數(shù)戰(zhàn)斗部所形成的子EFP速度都增大至最大值，隨后開始逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。隨著層數(shù)的增加，所形成的子EFP速度也越大。

3)從起爆方式來看，線起爆方式比三點起爆方式所形成的子EFP的長徑比大且軸向速度也高。

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