基于AUTODYN的串聯(lián)LEFP分離特性分析*

趙子軒，崔 瀚，樊兵凱

（1.沈陽工學院能源與水利學院，遼寧 撫順 113122；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157000）

LEFP又稱為線性爆炸成形彈丸，其成型過程為線性裝藥引爆后，線性藥型罩在爆轟波的作用下翻轉形成狀為“長刀”的V形侵徹體。部分主動防御系統(tǒng)即采用線性裝藥所形成的侵徹體對桿式穿甲彈進行攔截。對于來襲穿甲彈的干擾，從破片的點線接觸到LEFP的線線接觸，提高了攔截概率。

單層LEFP只能形成一個具有影響穿甲能力的切口，若將“雙層藥型罩[1]”與“LEFP[2]”相結合，得出串聯(lián)LEFP戰(zhàn)斗部，通過對串聯(lián)線性裝藥結構設計，采用有限元分析法對戰(zhàn)斗部結構進行優(yōu)化，使所設計的結構能夠形成一種合理間距的串聯(lián)LEFP，以實現(xiàn)對來襲目標進行多次打擊。理論上這種形式的主動防御方法的攔截能力相對傳統(tǒng)的單層LEFP能提高一倍左右，極大地削弱來襲穿甲彈對裝甲目標的毀傷，提高裝甲車輛在戰(zhàn)場的生存概率。分離距離是串聯(lián)LEFP干擾效果的重要因素，本文用AUTODYN二維平面對稱，對串聯(lián)LEFP分離特性相關影響因素進行分析，所得結論能夠對裝甲車輛主動防御系統(tǒng)設計起到一定的參考作用。

1 模型結構及各參數(shù)確定

規(guī)定遠離侵徹目標的藥型罩為后罩（后LEFP），靠近侵徹目標的藥型罩為前罩（前LEFP）。根據(jù)鄭宇等[3]對曲率半徑對雙層球缺罩形成串聯(lián)爆炸成型彈丸的影響以及張萬君等[4]的半球形聚能裝藥射流成型的數(shù)值模擬確定藥型罩參數(shù)。裝藥直徑選用D=50 mm、藥型罩曲率半徑與裝藥直徑比R/D=0.83、裝藥長徑比L/D為1，以上3種參數(shù)固定。T為藥型罩總厚度，其可變。各部件采用ALE算法。由于ALE網(wǎng)格在空間不依附物體節(jié)點,網(wǎng)格可隨意變化，能夠克服網(wǎng)格大變形問題。圖1為50 mm線性裝藥戰(zhàn)斗部結構圖；圖2為AUTODYN建模完成圖。

圖1 50 mm線性裝藥戰(zhàn)斗部結構圖

圖2 AUTODYN建模完成圖

第一組實驗起爆方式[5]分別選用中心單點起爆、兩點距25 mm起爆、兩點距50 mm起爆（或稱為兩端點起爆）以及線起爆4種起爆方式。

第二組實驗藥型罩總厚度與裝藥直徑比T/D選用0.02、0.04、0.06、0.08，即藥型罩總厚度T分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm。前后藥型罩厚度為1∶1，即單層厚度分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm。

第三組實驗以6種藥型罩材料兩兩有序排列，共30個實驗方案。各藥型罩材料在AUTODYN材料庫中的名稱分別為STEEL 1006、CU-OFHC、TUNGSTEN、TANTALUM、NICKEL、MOLYBDENUM，簡稱鋼、銅、鎢、鉭、鎳、鉬。炸藥采用B炸藥，材料庫中的名稱為Comp B。各個藥型罩材料參數(shù)（狀態(tài)方程、強度模型、密度）見表1。

表1 藥型罩材料參數(shù) （g/cm）3

2 仿真實驗

2.1 起爆方式對分離特性的影響

在此組實驗組中，采用材料排列結構為鉬鉭。藥型罩結構形式以鉬鉭結構命名，即后罩為鉬，前罩為鉭。通過對該結構藥型罩的串聯(lián)LEFP成型仿真，來確定能夠形成較好分離效果的起爆方式。

為便于比較且保證各實驗測定的數(shù)據(jù)是LEFP速度穩(wěn)定后的結果，以152 μs作為分離距離的測算時間。分離距離是對來襲穿甲彈形成干擾的重要參數(shù)，因此需考慮兩罩頭部速度差和分離距離。速度數(shù)據(jù)提取采用Examine提取LEFP頭部速度差，分離距離提取采用plots中的Axes測量前后侵徹體頭部距離。

采用的4種起爆方式，即中心單點起爆、兩點距25 mm起爆、兩點距50 mm起爆（或稱為兩端點起爆）以及線起爆，依次為實驗1、實驗2、實驗3、實驗4。多炸點起爆時間都為瞬時同步起爆。其余參數(shù)固定。圖3為4種起爆方式設置起爆點結構示意圖，炸藥模型的紅點以及紅線為起爆點。

圖3 4種起爆方式設置起爆點結構示意圖

表2為采用不同起爆方式獲得的LEFP分離距離以及各彈丸頭部速度。由表2可知4組實驗152 μs時刻串聯(lián)LEFP分離情況。

由表2數(shù)據(jù)可知，隨著炸點從中心向兩端移動，分離距離逐漸增加，頭部速度差也逐漸增大，炸點數(shù)越多，串聯(lián)LEFP頭部速度越高。實驗3的串聯(lián)LEFP頭部速度差最大，分離潛力最佳。

表2 152 μs時刻不同起爆方式的LEFP分離距離及頭部速度

為了更好地分析彈丸數(shù)據(jù)，同時列出152 μs時刻4種起爆方式成型圖對比，見圖4。

圖4 152 μs時刻4種起爆方式成型圖對比

由圖4可知，實驗1分離效果最差。是由于前LEFP頭部直徑較大，阻礙了前罩和后罩的分離；實驗2、實驗3藥型罩斷裂嚴重，推測可能與藥型罩厚度太薄有關；實驗4的后罩成型結構異常。綜上可知，實驗3兩端點起爆距離為50.5 mm時，為最佳起爆方式。

2.2 藥型罩厚度T對分離特性的影響

該組實驗起爆方式為兩端點起爆而且距離為50.5 mm，只改變藥型罩厚度，藥型罩材料結構仍舊選用鉬鉭結構，其余參數(shù)固定。總厚度T變化依次為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm?？偤穸萒為2 mm、3 mm、4 mm時，分別為實驗5、實驗6、實驗7。第100頁表3為4種藥型罩厚度的仿真結果數(shù)據(jù)，其中實驗3為之前的實驗數(shù)據(jù)。

由表3可知，隨著藥型罩厚度的增加，LEFP分離距離和兩LEFP頭部速度差先增大后減小，彈丸頭部速度和分離距離逐漸降低。該組方案中，最佳分離距離和最佳頭部速度差值為實驗5，最差分離距離和頭部速度差為實驗7。

表3 152 μs時刻不同藥型罩厚度的LEFP分離距離與頭部速度

與此同時列出實驗3、實驗5、實驗6、實驗7的彈丸成型圖，圖5為4種藥型罩厚度152 μs時刻成型圖對比。

圖5 152 μs時刻4種藥型罩厚度成型圖對比

由圖5可知，隨著藥型罩厚度增加，材料利用率穩(wěn)步上升，成型過程中LEFP斷裂程度逐漸減輕。雖然實驗7分離效果不佳，但藥型罩利用率最高，更適合攔截桿式穿甲彈。

由該組實驗可知，適宜總厚度T應為3～4 mm之間，即總厚度與裝藥直徑比T/D介于0.06～0.08之間。隨著藥型罩總厚度T從1 mm向4 mm增大，串聯(lián)LEFP分離距離呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2.3 材料排列結構對分離特性的影響

該組實驗起爆方式為兩端點起爆，藥型罩總厚度T為4 mm，只改變6種藥型罩材料排列結構方式，共30個實驗方案進行數(shù)值模擬實驗。其余參數(shù)固定。其中實驗7為上一組實驗繼承。在此列舉出分離距離最大的4個方案，即鉬鉭結構、鉬銅結構、鋼銅結構、鎳銅結構，依次為實驗7、實驗8、實驗9、實驗10。所得到的侵徹體實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 152 μs時刻不同藥型罩材料排列結構的LEFP分離距離和頭部速度

由表4數(shù)據(jù)可知，實驗8鉬銅結構具有最大的分離距離為47.9 mm，與此同時兩LEFP頭部速度差為325 m/s；實驗7頭部速度差最?。粚嶒?分離距離為45.4 mm，兩侵徹體頭部速度差最大，若成型時間加長，其將擁有更好的分離特性。

為了更好地分析分離情況，列出152 μs時刻4組藥型罩材料排列結構成型圖對比，見圖6。

圖6 152 μs時刻4組藥型罩材料排列結構成型圖對比

由圖6可知，僅有實驗7的成型情況較好，其余LEFP斷裂嚴重；實驗8、實驗9、實驗10仍然需要結構參數(shù)優(yōu)化以保證其成型效果。

據(jù)此分析可知，4組藥型罩材料排列結構中LEFP分離距離差別不大，但實驗9鋼銅結構LEFP具有最大的頭部速度差，擁有更好的分離特性。

3 結論

串聯(lián)LEFP所采用的材料、藥型罩厚度以及起爆方式對串聯(lián)LEFP分離特性具有一定的影響。通過對各個影響因素進行仿真研究，得到以下結論。

1）串聯(lián)LEFP起爆方式為兩端點起爆時，可獲得最優(yōu)分離距離。

2）隨著材料厚度T的增加，串聯(lián)LEFP分離距離和兩LEFP頭部速度差先增大后減小，彈丸頭部速度和分離距離逐漸降低。其中藥型罩總厚度與裝藥直徑比T/D在0.04左右時分離效果更好。

3）藥型罩材料排列結構中，鋼銅結構分離特性最佳，頭部速度差值可達370 m/s。