結(jié)構(gòu)參數(shù)對小長徑比裝藥形成EFP的影響

趙飛揚，王志軍，王雪飛

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

主戰(zhàn)坦克的防護能力正在與日俱增，車體和炮塔都是使用了特殊的材料制作而成的堅固殼體。目前的主戰(zhàn)坦克車體和炮塔的前裝甲最厚并且傾角較大，對于有些坦克的前裝甲，彈藥所需穿透的裝甲厚度甚至達到了800 mm以上，可以有效地防御正面的火力威脅。目前各國的主戰(zhàn)坦克基本都會在車體前方、側(cè)面以及炮塔上披掛反應裝甲，這進一步增加了破甲的難度。相對而言，車體頂部、后部、側(cè)面及底部的裝甲比較薄，而且坦克頂甲和底甲也較難裝備反應裝甲。針對坦克的這種結(jié)構(gòu)，對坦克薄弱部分進行打擊的武器應運而生，末敏彈就是這樣一種武器[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由于戰(zhàn)場目標的多樣化，根據(jù)目標特性，針對不同目標使用不同毀傷效果的戰(zhàn)斗部可得到事半功倍的效果。

隨著爆炸成型彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部侵徹能力與作用距離的不斷提高，并且對于大長徑比裝藥形成的EFP有了較為完善的研究[2-6]，末敏彈這種靈巧彈藥的研發(fā)水平已經(jīng)成為了衡量各國反裝甲作戰(zhàn)能力的標準之一。EFP戰(zhàn)斗部是末敏彈的重要組成部分，其作用距離和侵徹能力決定了末敏彈系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的優(yōu)劣，近年來國內(nèi)學者對末敏彈的研究取得了很多成果[7-11]。在末敏彈子彈藥中，EFP戰(zhàn)斗部是占據(jù)彈內(nèi)空間最多的部分，故進一步提高EFP戰(zhàn)斗部的緊湊程度和威力以及減小裝藥長徑比已經(jīng)成為了末敏彈系統(tǒng)相關技術(shù)中的一個研究重點。

通常而言，小長徑比戰(zhàn)斗部是指長徑比小于0.8的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)。本文采用LS-DYNA軟件對100 mm口徑的小長徑比EFP戰(zhàn)斗部進行了數(shù)值模擬，研究了長徑比、藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)、藥型罩的形狀對于EFP成型的影響。

1 小長徑比戰(zhàn)斗部的計算模型

幾何模型采用如圖1所示的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),其中計算裝藥為8701炸藥，裝藥直徑CD=100 mm，裝藥高度為80 mm。藥型罩采用球缺形藥型罩，材料為紫銅，藥型罩直徑為D=90 mm，并附有擋環(huán)。起爆方式為裝藥頂端中心點起爆。

圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)幾何模型

本文運用Truegrid前處理軟件進行網(wǎng)格劃分，建立如圖2所示的小裝藥長徑比爆炸成型彈丸的有限元模型。由于該結(jié)構(gòu)為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以有限元模型采用1/4結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格并添加對稱約束的方式來以減少模型單元數(shù)目，節(jié)約計算時間。為簡化計算，本文模型中不考慮殼體影響，僅考慮藥型罩、炸藥和擋環(huán)。選用Lagrange算法來模擬EFP的形成過程，網(wǎng)格單元選用solid164八節(jié)點六面體單元。藥型罩和擋環(huán)采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程，炸藥采用*MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL狀態(tài)方程。藥型罩、炸藥材料參數(shù)值見文獻[12]。使用的單位制為：mm-ms-kg-GPa。

2 爆炸成形彈丸成型過程

為研究小長徑比戰(zhàn)斗部形成EFP的機理，對裝藥口徑為CD=100 mm，戰(zhàn)斗部長徑比為0.8，曲率半徑R=125 mm，藥型罩壁厚為δ=4 mm的帶擋環(huán)的裝藥結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，起爆方式為裝藥頂端中心點起爆。

圖2 戰(zhàn)斗部有限元模型

如圖3所示，主裝藥起爆后大約8 μs，藥型罩受到炸藥爆轟壓力和爆轟產(chǎn)物的沖擊和推動作用，開始被壓垮變形，在22 μs時，罩頂微元首先被壓垮變形，藥型罩了發(fā)生翻轉(zhuǎn)，罩壁微元向?qū)ΨQ中心集中，在對稱中心發(fā)生堆積并且發(fā)生相互擠壓、碰撞，藥型罩被壓合形成彈丸的形狀向前高速運動。由于有速度梯度，EFP會在運動中被逐漸拉長。最終在t=200 μs時，侵徹體頭尾速度趨于一致，速度差小于20 m/s，形成穩(wěn)定的EFP。

圖3 不同時刻形成侵徹體的外形

3 小長徑比戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 戰(zhàn)斗部的藥型罩形狀對EFP成型的影響

為了研究小長徑比戰(zhàn)斗部的藥型罩形狀對EFP成型的影響，對錐角為150°的圓錐形藥型罩與曲率半徑R=125 mm的球缺形藥形罩所形成EFP的形狀進行了對比。藥型罩均為等壁厚藥型罩，厚度δ為4 mm。裝藥直徑CD=100 mm，裝藥高度為80 mm，戰(zhàn)斗部長徑比為0.8。數(shù)值仿真計算結(jié)果如圖4所示。

由計算結(jié)果可知：圓錐形藥型罩的頭部速度為1 754 m/s，球缺形藥型罩的頭部速度為1 363 m/s。速度相差391 m/s。圓錐形藥型罩相比于球缺形藥型罩，形成的EFP長度長，直徑小，而球缺形藥型罩所形成的EFP頭尾速度差小，直徑大，尾部由于藥形罩向后翻轉(zhuǎn)形成了四片尾翼狀褶皺，具有優(yōu)秀的空氣動力學外形，可以使EFP長距離飛行而不失穩(wěn)。

兩種藥形罩結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，鑒于球缺罩的成型較為容易觀察。

圖4 200 μs時不同藥型罩形成侵徹體的外形

3.2 曲率半徑R對EFP成型的影響

在分析藥型罩圓弧段曲率半徑對EFP成型影響時，分別取R在100 mm，125 mm，150 mm，175 mm，200 mm，225 mm(間隔25 mm)時侵徹體性能的變化。數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖5、圖6所示，由于篇幅所限，這里只給出了200 μs時EFP的形態(tài)。

由計算結(jié)果可知：隨著曲率半徑的增加，侵徹體長度逐漸變短，尾裙逐漸變大。形成各侵徹體的長徑比逐漸減小，EFP速度相差在50 m/s以內(nèi)。曲率半徑在R<125 mm時形成具有較高頭尾速度差和較大的長徑比的EFP，氣動性能較為優(yōu)秀。曲率半徑在R=125～225 mm頭部逐漸變粗，侵徹體長徑比減小。但EFP過小的長徑比會使其質(zhì)心前移，并受到更大的空氣阻力，在爆炸成型彈丸難以旋轉(zhuǎn)的條件下極易失穩(wěn)，甚至在空氣中發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進而失去對靶板的侵徹能力。

由圖6可以看出：由于球缺形藥型罩所形成的EFP長徑比在125～175 mm這一階段減小明顯，大于175 mm，長徑比小于1.2時的部分趨于穩(wěn)定，EFP侵徹能力降低。故本文中擬認為曲率半徑125 mm

圖5 200μs時不同曲率半徑R形成侵徹體的外形

圖6 侵徹體參數(shù)隨曲率半徑的變化

3.3 起爆方式對EFP成型的影響

為了分析起爆方式對于小長徑比EFP成型的影響，分別討論了藥柱裝藥頂端中心點起爆、藥柱頂端環(huán)形起爆、藥柱底端逆序起爆3種起爆方式。取藥型罩壁厚為4 mm，曲率半徑R為125 mm。數(shù)值仿真結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 中心起爆時EFP的成型過程

圖8 環(huán)形起爆時EFP的成型過程

圖9 逆序起爆時EFP的成型過程

由計算結(jié)果可知：當使用逆序起爆時，形成的EFP長徑比為1.27，但是速度偏低，頭部只有1 000 m/s；當使用環(huán)狀起爆時，形成的EFP速度高，頭部可以達到1 896 m/s。EFP尾翼形狀好，氣動性能良好[13]。但是EFP被長徑比為3.89，向桿式射流發(fā)展，頭部出現(xiàn)頸縮，有可能會斷裂，不利于EFP在空中進行長距離的飛行；中心起爆方式產(chǎn)生的EFP速度是1 363 m/s，介于逆序起爆與中心起爆之間。外形好，長徑比為3.40，能產(chǎn)生氣動外形良好的尾裙結(jié)構(gòu)。

3.4 藥型罩厚度δ對EFP成型的影響

為分析藥型罩厚度δ對EFP成型的影響。選取藥型罩圓弧段曲率半徑R=125 mm,壁厚δ分別取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm(間隔1 mm)。計算結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 200 μs時不同藥型罩壁厚H成型效果圖

圖11 侵徹體參數(shù)隨藥型罩壁厚的變化

由計算結(jié)果可知：隨著藥型罩厚度的增加，形成侵徹體的頭部質(zhì)量逐漸增加，尾裙變大。形成侵徹體的頭部速度、頭尾速度差、長度和長徑比都減小。藥型罩壁厚較小時，罩材在受到爆轟波沖擊變形后，速度梯度過大，EFP被拉得非常長，必然會引發(fā)斷裂和失穩(wěn)，不能形成穩(wěn)定的EFP。隨著壁厚的增加，EFP速度逐漸降低，長度變短。由于彈丸的動能與EFP速度的二次方成正比，與整體質(zhì)量的一次方成正比，即速度對EFP的整體動能影響比質(zhì)量的影響要大。所以彈丸的動能會隨著壁厚的增加而減小，侵徹能力相對減弱。因此在一定的范圍內(nèi)，可以通過減小藥型罩壁厚來提高其侵徹性能。厚度δ<4 mm 時，形成的EFP出現(xiàn)了徑縮，進而可能會引發(fā)斷裂。4 mm<δ< 6 mm時，能夠形成穩(wěn)定的EFP。

3.5 長徑比對EFP成型的影響

為進一步分析長徑比對于EFP成型的影響，選取藥型罩壁厚δ=4 mm，曲率半徑R為125 mm，起爆方式為頂端中心起爆。在口徑不變的情況下分別取藥柱高度為40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm，所以戰(zhàn)斗部長徑比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0。(間隔0.1)。數(shù)值仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 200 μs時不同長徑比成型效果圖

圖13 侵徹體參數(shù)隨裝藥長徑比的變化

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著長徑比的增加，EFP頭部質(zhì)量減小，速度會變高，尾裙變小。對于小長徑比彈丸來說，減小長徑比使裝藥減少，結(jié)構(gòu)緊湊。普遍認為，戰(zhàn)斗部長徑比小于0.8的聚能裝藥為小長徑比聚能裝藥，因此設置0.9與1.0兩個非小長徑比的對比組。由仿真結(jié)果可以看出，較小的長徑比同樣可以形成較大直徑的EFP。但是由仿真結(jié)果可以看出來，裝藥長徑比越小，EFP的長徑比就越小，尾裙形狀變差，這將會導致EFP在飛行中具有較差的飛行穩(wěn)定性，容易在飛行過程中偏離彈道，甚至斷裂和翻滾。

4 結(jié)論

1) 藥型罩圓弧部曲率半徑125 mm

2) 起爆方式對于小長徑比結(jié)構(gòu)形成的EFP影響大，環(huán)形起爆速度高，逆序起爆成型好。在將來的研究中可以考慮使用環(huán)形起爆與逆序起爆來提高小長徑比結(jié)構(gòu)的形成EFP的性能；

3) 球缺罩形成的EFP直徑大，速度差小，可以達到更深的穿孔和更大的孔徑。本文研究的是等壁厚球缺形藥型罩，在將來的研究中可以嘗試變壁厚藥型罩，可以防止前后速度差過大而斷裂。