徑向型EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)?

武天宇 朱建生 陳 朋 伍驚濤

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院 合肥 230031）

1 引言

通過在彈丸內(nèi)徑向放置EFP戰(zhàn)斗部，在彈丸掠飛到目標(biāo)上方適當(dāng)距離后，適時(shí)引爆EFP戰(zhàn)斗部，可實(shí)施對(duì)頂裝甲的攻擊。這種掠飛攻頂攻擊方式在反應(yīng)裝甲、復(fù)合裝甲等新型防護(hù)技術(shù)的出現(xiàn)，裝甲武器的前裝甲，側(cè)裝甲防護(hù)顯著加強(qiáng)的情況下，是打擊裝甲武器薄弱之處既頂裝甲的一種有效攻擊方式［1］。

相對(duì)于普通破甲彈而言，掠飛攻頂戰(zhàn)斗部需采用徑向裝藥，其裝藥半徑和長(zhǎng)徑比受到彈丸口徑的限制，戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著EFP的成型，而EFP的速度、長(zhǎng)徑比和比動(dòng)能等［2］是影響侵徹能力的重要指標(biāo)。本文將以徑向型EFP戰(zhàn)斗部作為研究對(duì)象，應(yīng)用LS-DYNA仿真軟件，結(jié)合正交分析方法對(duì)不同裝藥半徑下變壁厚球缺型藥型罩壁頂厚、罩口罩頂厚度比、藥型罩外曲率半徑［3］和裝藥長(zhǎng)徑比［4］對(duì)EFP成型規(guī)律的影響進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)彈丸口徑為93mm的徑向型EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 裝藥半徑的確定

在93mm口徑彈丸內(nèi)徑向放置EFP戰(zhàn)斗部，戰(zhàn)斗部裝藥半徑D/2和裝藥長(zhǎng)徑比h/D都要受到彈丸口徑的制約，如圖1所示，其中D/2為裝藥半徑，R為外切圓半徑，h為裝藥高度，三者需滿足三角函數(shù)關(guān)系，因此裝藥長(zhǎng)徑比不能過大，本文中裝藥長(zhǎng)徑比最大為1。當(dāng)裝藥半徑為31mm時(shí)，最大裝藥高度為62mm，構(gòu)成外切圓半徑為44.63mm，此時(shí)已達(dá)到最大裝藥半徑。同時(shí)綜合考慮彈丸壁厚、戰(zhàn)斗部殼體厚度和相關(guān)元器件所需空間，為了節(jié)省空間，EFP戰(zhàn)斗部采用船尾型裝藥。因此本文中選取29mm、30mm、31mm三個(gè)裝藥半徑分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 徑向EFP戰(zhàn)斗部示意圖

3 EFP戰(zhàn)斗部仿真模型

本文中采用LS-DYNA進(jìn)行仿真分析，藥型罩設(shè)計(jì)為變壁厚球缺型藥型罩，裝藥為船尾型裝藥［5］，由于裝藥為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱問題，采用1/2模型。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，模型中不考慮戰(zhàn)斗部殼體的影響。如圖2所示，其中δ為藥型罩壁頂厚，r為藥型罩外曲率半徑，h為裝藥高度，裝藥半徑為D/2。在計(jì)算時(shí)間達(dá)到30μs時(shí)刪除掉炸藥單元和與藥型罩的接觸，計(jì)算到300μs時(shí)終止計(jì)算，此時(shí)EFP頭尾速度差為0，EFP已成型。計(jì)算模型采用LAGRANGE方法進(jìn)行計(jì)算，炸藥選用8701炸藥，藥型罩材料為紫銅。具體材料參數(shù)見文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］。

圖2 仿真模型示意圖

4 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 正交分析設(shè)計(jì)

本文中裝藥類型和藥型罩材料已經(jīng)選定，裝藥半徑分為29mm、30mm、31mm三種分別進(jìn)行分析討論。為優(yōu)化EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，確定了藥型罩壁頂厚δ，藥型罩罩口與罩頂厚度比λ［8］，藥型罩外曲率半徑r，裝藥長(zhǎng)徑比N四個(gè)設(shè)計(jì)因素，分為四個(gè)水平［9］，具體因素、水平取值見表1。

表1 因素、水平取值表［10］

使用L16（45）正交表對(duì)上述因素水平進(jìn)行正交分析，正交表見表2。

表2 L16（45）正交表

4.2 正交分析結(jié)果對(duì)比

本文選取300μs時(shí)EFP的速度V，比動(dòng)能Es，長(zhǎng)徑比L/D三個(gè)指標(biāo)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)定［11］。計(jì)算結(jié)果使用極差法進(jìn)行分析，具體方法參考文獻(xiàn)［9］，分析結(jié)果見表3。

表3 裝藥半徑為29mm的EFP極差分析

對(duì)裝藥半徑為30mm和31mm時(shí)的計(jì)算方法相同，為了節(jié)省版面，這里不再列出。下面使用曲線圖表示不同裝藥半徑下各因素對(duì)指標(biāo)的影響，如圖3所示。

圖3 各指標(biāo)隨因素變化曲線

根據(jù)圖3可以清晰看出藥型罩壁頂厚δ、罩口罩頂厚度比λ對(duì)EFP速度起反向作用，裝藥長(zhǎng)徑比N對(duì)EFP速度起正向作用；藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r對(duì)EFP長(zhǎng)徑比起反向作用，裝藥長(zhǎng)徑比N對(duì)EFP長(zhǎng)徑比起正向作用；當(dāng)裝藥半徑為31mm時(shí)，EFP長(zhǎng)徑比L/D受藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r和裝藥長(zhǎng)徑比N影響均較大，但不具有方向性。各指標(biāo)受各因素影響大小排序如表4。

表4 裝藥半徑29mm時(shí)各指標(biāo)受因素影響排序

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)綜合分析可得裝藥半徑為29mm的EFP戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

由表5中可以看出EFP長(zhǎng)徑比L/D已基本符合要求，如果長(zhǎng)徑比過大，EFP容易發(fā)生斷裂，因此在影響程度相同時(shí)可先考慮速度V和比動(dòng)能Es，結(jié)合表5數(shù)據(jù)綜合分析可得裝藥半徑為30mm的EFP戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（49mm），N（1）。

表5 裝藥半徑30mm時(shí)各指標(biāo)受因素影響排序

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)綜合分析可得裝藥半徑為31mm的EFP戰(zhàn)斗部?jī)?yōu)化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

表6 裝藥半徑31mm時(shí)各指標(biāo)受因素影響排序

4.3 優(yōu)化方案仿真分析

將優(yōu)化方案使用LS-DYNA分別進(jìn)行建模仿真，再進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果如下。

如圖4所示，裝藥半徑為29mmEFP戰(zhàn)斗部仿真時(shí)間為300μs時(shí)，EFP頭尾速度差為0，EFP成型過程已結(jié)束。采用優(yōu)化方案的EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)在300μs速 度 V 為 2230m/s，比 動(dòng)能 Es為 158.77J·mm-2，長(zhǎng)徑比L/D為4.92。

圖4 裝藥半徑為29mm時(shí)優(yōu)化方案EFP成型過程

裝藥半徑為30mm的EFP戰(zhàn)斗部成型過程如圖5所示，在300μs時(shí)EFP速度V為2280m/s，比動(dòng)能Es為168.79J·mm-2，長(zhǎng)徑比L/D為5.58。

圖5 裝藥半徑為30mm時(shí)優(yōu)化方案EFP成型過程

裝藥半徑為31mm的EFP戰(zhàn)斗部成型過程如圖6所示，在300μs時(shí)EFP速度V為2270m/s，比動(dòng)能 Es為 176.34J·mm-2，長(zhǎng)徑比 L/D 為 8.72。此方案下EFP長(zhǎng)徑比過長(zhǎng)，且由圖6可以看出最終成型的EFP腰部過細(xì)，在侵徹過程中很容易發(fā)生斷裂［12］，且半徑較小，導(dǎo)致侵徹半徑小。由表6可以看出藥型罩曲率半徑r對(duì)速度V和比動(dòng)能Es影響最小，但對(duì)長(zhǎng)徑比L/D影響較大，可通過調(diào)整藥型罩曲率半徑r減小長(zhǎng)徑比。其他因素仍使用優(yōu)化方案，藥型罩曲率半徑r不同時(shí)EFP戰(zhàn)斗部在300μs的成型結(jié)果如圖7所示。

圖6 裝藥半徑為31mm時(shí)優(yōu)化方案EFP成型過程

圖7 不同藥型罩曲率半徑下的EFP成型結(jié)果

當(dāng)藥型罩曲率半徑r為48mm時(shí)，EFP戰(zhàn)斗部在300μS時(shí)速度V為2290m/s，比動(dòng)能Es為175.58J·mm-2，長(zhǎng)徑比L/D為7.28。當(dāng)藥型罩曲率半徑r為49mm時(shí)，EFP戰(zhàn)斗部在300μs時(shí)速度V為2300m/s，比動(dòng)能 Es為 178.17J·mm-2，長(zhǎng)徑比 L/D為 6.38。當(dāng)藥型罩曲率半徑r為50mm時(shí)，EFP戰(zhàn)斗部在300μs時(shí)速度V為2320m/s，比動(dòng)能Es為 180.16J·mm-2，長(zhǎng)徑比L/D為5.56?？梢悦黠@看出藥型罩曲率半徑r為50mm時(shí)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)最優(yōu)，且通過圖7可以看出r=50mm時(shí)，EFP戰(zhàn)斗部腰部明顯改善，且半徑增大，因此當(dāng)裝藥半徑為31mm時(shí)δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）為最優(yōu)方案。

通過比較29mm，30mm，31mm三個(gè)裝藥半徑下的優(yōu)化方案可以得出最終設(shè)計(jì)方案為裝藥半徑31mm，藥型罩壁頂厚δ=21mm，藥型罩罩口與罩頂厚度比λ=0.6，藥型罩外曲率半徑r=47mm，裝藥長(zhǎng)徑比N=1。

5 結(jié)語(yǔ)

利用通過LS-DYNA仿真軟件，結(jié)合正交分析方法對(duì)不同裝藥半徑下變壁厚球缺型藥型罩壁頂厚、罩口罩頂厚度比、藥型罩曲率半徑和裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)EFP成型規(guī)律的影響進(jìn)行研究。得出結(jié)論如下。

1）藥型罩壁頂厚δ、罩口罩頂厚度比λ對(duì)EFP速度起反向作用，裝藥長(zhǎng)徑比N對(duì)EFP速度起正向作用；藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r對(duì)EFP長(zhǎng)徑比起反向作用，裝藥長(zhǎng)徑比N對(duì)EFP長(zhǎng)徑比起正向作用。

2）EFP結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)EFP速度、比動(dòng)能和長(zhǎng)徑比的影響大小順序并不是固定的，是裝藥半徑和結(jié)構(gòu)參數(shù)的共同作用結(jié)果。

3）裝藥半徑的增大，會(huì)不同程度地提高EFP的速度、比動(dòng)能和長(zhǎng)徑比。

4）得到了彈丸口徑為93mm的徑向型EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)設(shè)計(jì)方案，EFP速度V為2320m/s，比動(dòng)能Es為180.16J·mm-2，長(zhǎng)徑比L/D為5.56，各項(xiàng)指標(biāo)均較好。