邢柏陽(yáng),郭 銳,劉榮忠,陳 亮,楊永亮

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)末敏彈EFP成型影響研究*

邢柏陽(yáng),郭 銳,劉榮忠,陳 亮,楊永亮

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

為提升含有內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)緊湊型EFP的毀傷效能,文中基于AUTODYN,對(duì)含有圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型、圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的EFP戰(zhàn)斗部的成型形狀及速度進(jìn)行了模擬及分析。結(jié)果表明:在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)體積恒定的條件下,其參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)成型EFP的速度影響不大,但對(duì)氣動(dòng)外形影響較大。結(jié)論:當(dāng)選用圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)時(shí),可以獲得結(jié)構(gòu)緊湊、長(zhǎng)徑比及速度較大(文中仿真結(jié)果分別為5和1 788 m/s)、氣動(dòng)外形合理的成型EFP。

末敏彈;內(nèi)嵌結(jié)構(gòu);EFP;AUTODYN

0 引言

對(duì)于采用毫米波+紅外復(fù)合敏感體制這一主流配置的末敏彈,如何將部分毫米波敏感器件與EFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行整合以便提高末敏彈的緊湊程度是個(gè)較為棘手的工程問(wèn)題。采用毫米波中間饋電結(jié)構(gòu),將部分敏感器件嵌入EFP戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部,在整體設(shè)計(jì)上有利于彈體緊湊程度的提高,但同時(shí)對(duì)戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多不利,減少了EFP戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)的裝藥空間,降低了EFP速度,此外內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)改變了藥型罩的壓合方式,易導(dǎo)致EFP斷裂[1-3]。

對(duì)于采用毫米波敏感體制的緊湊型末敏彈來(lái)說(shuō),采用中饋布局的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)是提高末敏彈緊湊程度的有效措施。基于以上目的,分析內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP戰(zhàn)斗部成型帶來(lái)的影響,據(jù)此改進(jìn)EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到較高成型速度和較好氣動(dòng)外形的EFP,成為當(dāng)前工作中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4-6]。

文中優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種成型效果較好的EFP結(jié)構(gòu),采用AUTODYN軟件研究了EFP戰(zhàn)斗部的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型效果的影響,為緊湊型末敏彈的工程研制提供有效的幫助。

1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

緊湊型末敏彈的EFP戰(zhàn)斗部包括藥型罩、裝藥、內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)管以及殼體。其中,藥型罩由變壁厚球缺藥型罩和大錐角藥型罩組成。圖1為EFP戰(zhàn)斗部在AUTODYN中的模型。

圖2給出了圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型和圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的3種EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的二分之一模型簡(jiǎn)圖,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已在簡(jiǎn)圖中給出,為定值。變量參數(shù)已用字母在圖中標(biāo)出,具體含義如圖所示。藥型罩、波導(dǎo)管等結(jié)構(gòu)參數(shù)不是文中的研究?jī)?nèi)容,取為已經(jīng)優(yōu)化過(guò)的定值。

圖1 EFP戰(zhàn)斗部在AUTODYN中的2D模型

圖2 3種EFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的二分之一模型簡(jiǎn)圖

2 戰(zhàn)斗部成型過(guò)程仿真

2.1 仿真模型

利用AUTODYN軟件建立有限元模型。藥型罩、炸藥、殼體、內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)管材料分別取為紫銅、8701、45鋼、POLY-CARB和鋁。文中先基于模型C擬定EFP戰(zhàn)斗部的初始計(jì)算方案,如表1。

表1 初始方案

2.2 戰(zhàn)斗部成型過(guò)程

采用中心點(diǎn)起爆的方式,針對(duì)模型C的EFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行數(shù)值仿真,得到不同時(shí)刻的成型情況如圖3(a)～圖3(d)。

圖3 模型C的EFP戰(zhàn)斗部成型情況

仿真結(jié)果表明:起爆35 μs后,炸藥的爆轟作用基本結(jié)束,因此可以刪除炸藥的作用;150 μs后,EFP基本成型結(jié)束;300 μs后,EFP首尾沒(méi)有速度差,形狀勻稱(chēng)、結(jié)構(gòu)緊湊、不再改變,結(jié)束仿真。李剛等人的研究表明,這樣的成型形狀是符合要求的EFP形狀,可以進(jìn)行有效打擊[6]。

3 內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)變化對(duì)EFP成型的影響

3.1 圓柱體型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎(chǔ)上,保持內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的體積不變,使用如圖2(a)所示的圓柱體結(jié)構(gòu)。取值情況如表2所示,其余參數(shù)不變,進(jìn)行仿真。300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖如表2所示,速度折線圖如圖4所示。

圖4 圓柱體型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)成型EFP速度的影響

由圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的半徑R增大,EFP的速度變化并不明顯。EFP速度的最大值與最小值相差不足1%。因此可以推斷:在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的速度影響不大。

由表2可以發(fā)現(xiàn),在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的尾部成型會(huì)有較大影響:隨著內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的半徑R增大,H減小,內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)不斷扁平化,對(duì)爆轟波的延遲范圍不斷擴(kuò)大,使得爆轟波的傳播路徑產(chǎn)生更大范圍的偏移,因而會(huì)對(duì)EFP尾部的氣動(dòng)外形產(chǎn)生較大的影響,EFP尾部的底凹結(jié)構(gòu)逐步消失,在取值2和取值4條件下的EFP形狀較為理想,有較好的尾部氣動(dòng)外形,能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

表2 圓柱體型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)取值、300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖

表3 圓柱體-圓柱體組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)取值、300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖

表4 圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)取值、300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖

3.2 圓柱體-圓柱體組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎(chǔ)上,保持內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的體積不變,使用如圖2(b)所示的圓柱體結(jié)構(gòu)。取值情況如表3所示,其余參數(shù)不變,進(jìn)行仿真。300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖如表3所示,速度折線圖如圖5所示。

圖5 圓柱體-圓柱體組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP速度的影響

由圖5可以發(fā)現(xiàn),隨著內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的半徑R2增大,EFP的速度變化并不明顯。EFP速度的最大值與最小值相差不足1%。因此可以推斷:在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的速度影響不大。

由表3可以發(fā)現(xiàn),在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的尾部成型會(huì)有較大影響:隨著內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的半徑R1、R2增大,H1、H2減小,內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)不斷扁平化,對(duì)爆轟波的延遲范圍不斷擴(kuò)大,使得爆轟波的傳播路徑產(chǎn)生更大范圍的偏移,因而會(huì)對(duì)EFP尾部的氣動(dòng)外形產(chǎn)生較大的影響,尾部的凸起先是逐步出現(xiàn),之后又逐步減小,在取值1條件下的EFP尾部結(jié)構(gòu)較為平滑,形狀較為理想,有較好的尾部氣動(dòng)外形,能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

3.3 圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎(chǔ)上,保持內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的體積不變,使用如圖2(c)所示的圓柱體結(jié)構(gòu)。取值情況如表4所示,其余參數(shù)不變,進(jìn)行仿真。300 μs時(shí)的速度結(jié)果及300 μs時(shí)的EFP成型圖如表4所示,速度折線圖如圖6所示。

圖6 圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)對(duì)EFP速度的影響

由圖6可以發(fā)現(xiàn),取值2的條件下EFP的飛行速度取得了最大值,是本組方案中的最大值。但是各組取值的條件下EFP速度的最大值與最小值相差不足1.5%,是誤差允許的范圍。因此可以推斷:在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的速度影響不大。

由表4可以發(fā)現(xiàn),在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的形狀及體積恒定的條件下,特征參數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的尾部成型會(huì)有較大影響:隨著內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的半徑R1、R2增大,H1、H2減小,內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)不斷扁平化,對(duì)爆轟波的延遲范圍不斷擴(kuò)大,使得爆轟波的傳播路徑產(chǎn)生更大范圍的偏移,因而會(huì)對(duì)EFP尾部的氣動(dòng)外形產(chǎn)生較大的影響,尾部的凹陷先是逐步出現(xiàn),之后又逐步出現(xiàn)凸起,隨后凸起又逐漸減小,取值2的成型較為理想,底凹的形狀結(jié)構(gòu)能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

通過(guò)計(jì)算可以得出表5數(shù)據(jù)。

表5 含有不同內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的EFP速度對(duì)比

由表5可以發(fā)現(xiàn),在體積恒定的條件下,選用含有圓柱體型的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu),可以獲得更高的平均速度,但是,選用含有圓柱體-圓臺(tái)組合型的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu),可以獲得更高的最大速度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)含有內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)的緊湊型末敏彈EFP戰(zhàn)斗部成型過(guò)程的數(shù)值仿真,得到以下結(jié)論:

1)對(duì)于圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型、圓柱體-圓臺(tái)組合型3種內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)而言,選用含有圓柱體型的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu),有利于EFP獲得較高的平均速度,在加工環(huán)境惡略的條件下,選用此種結(jié)構(gòu)有利于提升整批EFP的初始速度。但是,在加工精度較高的條件下,選用圓柱體-圓臺(tái)組合型內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)及合適的特征參數(shù),可以獲得結(jié)構(gòu)密實(shí)、形狀緊湊、長(zhǎng)徑比優(yōu)良、初始速度較大、動(dòng)能較大、氣動(dòng)外形合理的EFP。

2)在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)體積恒定的條件下,對(duì)于POLY-CARB材質(zhì)的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)而言,特征參數(shù)和形狀結(jié)構(gòu)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),由于裝藥量一定,對(duì)EFP的速度影響不大,都在誤差范圍內(nèi)。

3)在內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)體積恒定的條件下,對(duì)于POLY-CARB材質(zhì)的內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)而言,特征參數(shù)和形狀結(jié)構(gòu)在適當(dāng)范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)EFP的尾部成型有較大影響,內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)越扁平,對(duì)爆轟波的延遲范圍越廣,使得爆轟波的傳播路徑產(chǎn)生更大范圍的偏移,因而EFP尾部的氣動(dòng)外形會(huì)有較大的改變。

文中為緊湊型末敏彈的戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)嵌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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[2] 陳亮, 劉榮忠, 郭銳, 等. 綜合效應(yīng)MEFP成型過(guò)程的數(shù)值仿真 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 55-57.

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Study on Influence of Embedded Structure on Terminal Sensitive Projectile EFP Forming

XING Boyang,GUO Rui,LIU Rongzhong,CHEN Liang,YANG Yongliang

(Shool of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

For improving damage effectiveness of EFP with embedded structure, based on the AUTODYN, simulation and analysis on forming shape and velocity of EFP warheads with embedded structures containing single cylinder, double cylinders, combined cylinder and circular truncated cone were performed respectively. The results indicate that when embedded structure volume keeps constant, and structural parameters change in suitable ranges, three types of embedded structures above may influence a little on EFP velocity but significant influence on aerodynamic shape. Conclusion:the embedded structure containing combined cylinder and circular truncated cone with reasonable characteristic parameters can bring EFP with a compact structure, relatively good aspect ratio and velocity (5 and 1 788 m/s respectively obtained in this paper), reasonable aerodynamic shape.

terminal sensitive projectile; embedded structure; EFP; AUTODYN

2015-10-29基金項(xiàng)目:2015年度CAST-BISEE創(chuàng)新基金;南京理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)課題資助

邢柏陽(yáng)(1992-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特人,博士研究生,研究方向:彈藥?kù)`巧化與智能化技術(shù)。

TJ410.33

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