EFP侵徹圓柱形帶殼裝藥的數(shù)值模擬

劉道瓊，王復(fù)利，程 春

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EFP侵徹圓柱形帶殼裝藥的數(shù)值模擬

劉道瓊1，王復(fù)利2，*程 春3

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司蚌埠供電公司，安徽，蚌埠 233090；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江，牡丹江 157013；3.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇，南京 210094）

將導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部簡(jiǎn)化成圓柱形帶殼裝藥，利用有限元分析軟件對(duì)不同彈目交匯情況下，對(duì)裝藥口徑65 mm的EFP侵徹圓柱形帶殼裝藥的過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：EFP彈軸和圓柱形帶殼裝藥的軸線在同一個(gè)平面上的情況下，當(dāng)EFP著角為0°和30°時(shí)EFP能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥；EFP彈軸垂直圓柱形帶殼裝藥的軸線的情況下，接觸點(diǎn)在裝藥半徑1/2處時(shí)，EFP能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥。EFP撞擊圓柱形帶殼裝藥的角度和位置，影響EFP對(duì)圓柱形帶殼裝藥的引爆情況；研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)新型防空反導(dǎo)武器戰(zhàn)斗部具有參考意義。

帶殼裝藥；數(shù)值計(jì)算；引爆

0 引言

防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的攔截包括：在破片、沖擊波或誘導(dǎo)彈的作用下使其偏離航道，通過破壞引信及傳爆序列使其成為啞彈，或者通過動(dòng)能沖擊使來(lái)襲目標(biāo)提前爆炸。爆炸成型彈丸(Explosive Formed Projectile,EFP)戰(zhàn)斗部能夠形成速度可達(dá)2000 m/s及以上的高速運(yùn)動(dòng)侵徹體，具有對(duì)炸高不敏感的特點(diǎn)，因此對(duì)于反空反導(dǎo)武器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)不錯(cuò)的戰(zhàn)斗部選擇[1-3]。張先鋒[4]等基于利用EFP引爆精確制導(dǎo)炸彈、鉆地彈等所攜帶的裝藥，使來(lái)襲彈藥失去效能，對(duì)EFP侵徹帶殼裝藥的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明該裝藥結(jié)構(gòu) EFP對(duì)于殼體厚度在15 mm以下的帶殼裝藥可以引爆。顧文彬等[5]以EFP攔截鉆地武器為目的，將鉆地彈等效為厚壁爆炸藥盒，模擬了EFP引爆爆炸藥盒的過程，結(jié)果表明帶尾翼的 EFP能有效侵爆40 mm厚蓋板爆炸藥盒。根據(jù)耿文軍等[6]的研究，周向MEFP戰(zhàn)斗部其圓周方向排布數(shù)個(gè)藥型罩，在爆轟作用下可以形成多個(gè)EFP彈幕，可以從側(cè)向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行高密集度打擊，有利于防空導(dǎo)彈引戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)，是未來(lái)防空反導(dǎo)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部多為圓柱形結(jié)構(gòu)，因此研究彈丸對(duì)圓柱形帶殼裝藥的影響，對(duì)于新型防空反導(dǎo)武器的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。宋浦等[7]開展某型破片式戰(zhàn)斗部對(duì)柱殼裝藥的撞擊毀傷試驗(yàn)研究，得到柱殼裝藥引燃、引爆的閾值范圍；辛建國(guó)[8]等通過破片沖擊柱面薄殼裝藥試驗(yàn)，得到殼體和破片的機(jī)械作用是引爆薄殼裝藥的主要原因。

本文以EFP攔截來(lái)襲導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象，將導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部簡(jiǎn)化成圓柱形帶殼裝藥，利用有限元分析軟件建立不同彈目交匯條件下的侵徹沖擊模型，對(duì)EFP的成型、侵徹裝藥外殼和引爆炸藥的全過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并據(jù)此研究不同彈目交匯條件下EFP的侵徹引爆能力。

1 　算法及數(shù)值模型

EFP侵徹圓柱形帶殼扎裝藥的過程涉及炸藥的高速爆轟，藥型罩、殼體、靶板等的大應(yīng)變率變形，計(jì)算時(shí)采用Lagrange算法，該算法具有大位移、大應(yīng)變和大轉(zhuǎn)動(dòng)性能，通過控制網(wǎng)格尺寸、計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)、沙漏控制使計(jì)算中減少網(wǎng)格畸變和克服零能模式，計(jì)算速度快，儲(chǔ)存量少，精度良好[9]。

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1.1 EFP戰(zhàn)斗部與圓柱形帶殼裝藥設(shè)計(jì)

EFP戰(zhàn)斗部的藥型罩采用等壁厚球缺罩，戰(zhàn)斗部示意圖見圖1，藥型罩內(nèi)曲面半徑72 mm，外曲面半徑75 mm，藥性罩罩頂厚度3.5 mm，裝藥口徑65 mm，裝藥長(zhǎng)徑比1。圓柱形帶殼裝藥殼體厚度10 mm，裝藥半徑17 cm，裝藥長(zhǎng)度50 cm，裝藥示意圖如圖2所示。

圖1 EFP戰(zhàn)斗部示意圖

圖2 圓柱形帶殼裝藥示意圖

1.1.2彈目交匯模型

考慮到EFP對(duì)帶殼裝藥的侵徹和引爆應(yīng)該在EFP完全成型之后，因此設(shè)置炸高500 mm。首先建立彈丸軸線和與圓柱形帶殼裝藥軸線在同一個(gè)平面內(nèi)，彈丸垂直裝藥軸線正對(duì)裝藥軸心的數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示；考慮彈目交匯的不同情況，通過裝藥徑向的平移，得到彈丸撞擊裝藥徑向不同位置的數(shù)值計(jì)算模型，彈丸軸向在圓柱形帶殼裝藥徑向1/2處和2/3處，如圖4所示；通過調(diào)整裝藥軸向上的傾角，得到彈丸在裝藥軸向不同著角(30°、45°、60°)的數(shù)值計(jì)算模型，如圖5所示。

圖3 垂直侵徹模型

圖4 裝藥徑向不同位置模型

圖5 軸向不同著角的侵徹模型

為了便于數(shù)值模擬結(jié)果的描述，對(duì)這幾組數(shù)值模型進(jìn)行編號(hào)，將垂直侵徹模型編號(hào)為1，將30°，45°，60°著角的計(jì)算模型分別編號(hào)為2、3、4，將裝藥半徑1/2處和2/3處數(shù)值模型分別編號(hào)為5、6。

1.2 材料模型和參數(shù)

EFP戰(zhàn)斗部炸藥選用8701炸藥，材料模型采用高能炸藥爆轟材料模型（High-Explosive-Burn）和JWL狀態(tài)方程，炸藥主要參數(shù)參見文獻(xiàn)；藥型罩采用紫銅，選用Steinberg材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程，主要參數(shù)見表1[10]；戰(zhàn)斗部殼體和帶殼裝藥殼體均采用45號(hào)鋼，選用Johnson--Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程；帶殼裝藥炸藥為B炸藥，采用采用點(diǎn)火與增長(zhǎng)模型 MAT_ELASTIC_ PLASTIC_HYDRO和EOS_IGNITION_AND_ GROWTH_OF_REACTION_IN_HE[11]。8701炸藥[12]和B炸藥的主要參數(shù)見表2，其中ρ表示炸藥的密度，D表示炸藥的爆速，Pcj表示炸藥的爆轟壓力。

表1 藥型罩主要參數(shù)

表2 8701炸藥和B炸藥的主要參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

EFP戰(zhàn)斗部在爆轟波的作用下能夠形成形狀較好的成型彈丸，速度可以達(dá)到2104.36 m/s。戰(zhàn)斗部侵徹帶殼裝藥的過程分為四個(gè)階段，分別是EFP的爆炸成型、EFP接觸裝藥外殼階段、侵徹外殼階段和侵徹引爆裝藥階段。EFP戰(zhàn)斗部垂直侵徹圓柱形帶殼裝藥的侵爆過程如圖6所示。

圖6 EFP戰(zhàn)斗部垂直侵徹圓柱形帶殼裝藥的侵爆過程

從圖6中可以看出150 μsEFP已經(jīng)完全成型，240 μsEFP開始接觸殼體，250 μsEFP侵徹入殼體，290 μsEFP成功將圓柱殼內(nèi)的裝藥引爆，310 μs裝藥完全被引爆。

6組數(shù)值計(jì)算中圓柱形帶殼裝藥是否被引爆的結(jié)果見表3。

表3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出，當(dāng)著角在0°（垂直侵徹）、30°和彈丸垂直侵徹裝藥半徑1/2處都能引爆圓柱殼內(nèi)的裝藥，如圖7所示。

圖7 引爆裝藥圖

Eric N. Ferm[13]通過大量實(shí)驗(yàn)得出 , B炸藥在直徑為 13 mm鋼破片沖擊條件下的起爆閾值 (比動(dòng)能 )為 109.5 MJ/m2。由此可知炸藥能否被引爆取決于EFP穿透圓柱殼后的剩余動(dòng)能能不能達(dá)到B炸藥的沖擊起爆閥值。EFP在不同著角下侵徹靶板的侵徹和毀傷能力不同，隨著著角的增大，彈丸的侵徹毀傷能力逐漸下降[14]，又由于穿靶過程中彈丸質(zhì)量消蝕，穿靶后的剩余動(dòng)能逐漸減小。彈丸與裝藥軸向垂直的情況下，接觸點(diǎn)離軸心越遠(yuǎn)相當(dāng)于著角越大，因此距離軸心越遠(yuǎn)彈丸穿透殼體后的剩余動(dòng)能越小。當(dāng)著角為45°、60°以及接觸點(diǎn)在裝藥半徑2/3處時(shí)，EFP侵徹靶板后的剩余動(dòng)能沒有達(dá)到B炸藥的沖擊起爆閥值，沒能將圓柱殼里的裝藥引爆。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于本文材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的EFP，彈軸和圓柱形帶殼裝藥的軸線在同一個(gè)平面上的情況下，當(dāng)EFP著角為0°和30°時(shí)EFP能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥，當(dāng)EFP著角為45°和60°時(shí)EFP不能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥；彈軸垂直圓柱形帶殼裝藥的軸線的情況下，接觸點(diǎn)在裝藥半徑1/2處時(shí)，EFP能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥，接觸點(diǎn)在裝藥半徑2/3處時(shí)，EFP不能引爆圓柱殼內(nèi)的B炸藥。

（2）EFP撞擊圓柱形帶殼裝藥的角度和位置，影響EFP對(duì)圓柱形帶殼裝藥的引爆情況。

（3）本文研究結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)新型防空反導(dǎo)武器戰(zhàn)斗部具有參考意義。

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NUMERICAL STUDY OF EFP PENETRATION OF CYLINDRICAL CHARGE WITH SHELL

LIU Dao-qiong1，WANG Fu-li2，*CHENG Chun3

(1. State Grid Bengbu Power Supply Company, Bengbu, Anhui 233090, China; 2.Heilongjiang North Tools Co.Ltd, Mudanjiang, Heilongjiang 157013, China; 3.School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing, Jingsu 210094, China)

The missile warhead is simplified into a cylindrical charge with shell. The process of EFP with 65mm charge caliber penetrating into cylindrical charge with shell is numerical calculated by the finite element analysis software for different intersection conditions between projectile and target. The results show that the B explosives in the in a cylindrical shell can be detonated by EFP if entry angle of EFP is 0° and 30° when the EFP projectile axis and the axis of the cylindrical charge with shell are on the same plane. The results also show that the B explosives in the in a cylindrical shell can be detonated by EFP if contact point is at the charge radius 1/2 when the axis of the EFP projectile verticals the axis of the cylindrical charge with shell. The angle and position of EFP impacting cylindrical shell charge affect the detonation of EFP to cylindrical shell charge. The research results have reference significance for the design of a new type of air defense and anti missile warhead.

the cylindrical charge with shell; numerical calculate; detonate

1674-8085(2018)01-0078-04

TJ761.6

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.01.016

2017-02-21；

2017-09-25

劉道瓊(1990-)，男，河南永城人，工程師，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化研究(Email:1277545694@qq.com);王復(fù)利(1990-), 男，黑龍江佳木斯人，工程師，主要從事中小口徑彈丸設(shè)計(jì)研究(Email:26545584@qq.com);*程 春(1989-)，男，河南永城人，博士生，主要從事彈藥終點(diǎn)毀傷研究(Email:xiangchun893@163.com).