沈慧銘,李偉兵,王曉鳴,李文彬,鄭 宇,董曉亮

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094)

多點(diǎn)起爆方式對(duì)EFP侵徹能力增益的研究

沈慧銘,李偉兵,王曉鳴,李文彬,鄭 宇,董曉亮

(南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094)

為了提高爆炸成型彈丸EFP的侵徹能力,選擇環(huán)形多點(diǎn)起爆的方式形成EFP侵徹體。利用有限元程序LS-DYNA模擬不同起爆半徑、藥型罩弧度半徑和藥型罩切邊角對(duì)EFP成型的影響規(guī)律,通過(guò)優(yōu)化得到了2個(gè)成型較好的EFP結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:相比中心點(diǎn)起爆方式,多點(diǎn)起爆方式形成的2個(gè)EFP速度分別提高了14%和11.6%,長(zhǎng)徑比分別提高了100%和13.2%,密實(shí)度分別提高了95.3%和72.1%,侵徹深度分別提高約1.54倍和0.378倍。3個(gè)參數(shù)中,起爆半徑和藥型罩弧度半徑對(duì)EFP的速度、長(zhǎng)徑比影響較大,對(duì)密實(shí)度影響較小;藥型罩切邊角對(duì)EFP的密實(shí)度影響較大。

爆炸成型彈丸;多點(diǎn)起爆;密實(shí)度;長(zhǎng)徑比;數(shù)值計(jì)算

Abstract:In order to improve the penetration ability of EFP,the annular multi-point initiation way was selected to form EFP penetrator.The finite element program LS-DYNA was used to simulate the effects of different initiation radius,radian radius and trimming angle of the liner on the forming of penetrator,and two well-formed EFPs were obtained by optimization.The research results show that:compared with center-point initiation,the speed of the two EFPs formed by annular multi-point initiation increases by 14% and 11.6% respectively;the ratio of length to diameter increases by 100% and 13.2% respectively;the compactness increases by 95.3% and 72.1% respectively;the penetration depth increases by 154% and 37.8% respectively.Among the three parameters,the initiation radius and the radian radius of liner have a great influence on the EFP speed and the ratio of length to diameter;the influence on the compactness is small;the trimming angle of liner has a great influence on the compactness of EFP.

Keywords:explosively formed projectile;multi-point initiation;compactness;the ratio of length to diameter;numerical calculation

在聚能裝藥戰(zhàn)斗部中,當(dāng)藥型罩的錐角范圍在120°～160°時(shí),在爆轟載荷作用下藥型罩不會(huì)壓垮,而是翻轉(zhuǎn)閉合形成一個(gè)短粗形狀的彈丸,稱為爆炸成型彈丸(explosively formed projectile,EFP)[1]。爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部已有幾十年的發(fā)展歷史,國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究工作。為形成成型性能優(yōu)良、侵徹能力優(yōu)異的爆炸成型彈丸,大量的工作主要集中在裝藥[2-3]、藥型罩[4-5]以及殼體[6]的材料選擇和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面;也有研究者提出將聚能成型破甲戰(zhàn)斗部中的隔板法[7]引入到爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)中,也取得了一定的效果。

學(xué)者們對(duì)通過(guò)改變起爆方式來(lái)得到高性能EFP的研究較少,現(xiàn)在最常用的起爆方式仍然是端面中心點(diǎn)起爆。曹兵[8]等通過(guò)X光試驗(yàn)分別拍攝了中心點(diǎn)起爆和環(huán)形三點(diǎn)起爆下EFP的成型情況,其中中心點(diǎn)起爆方式形成的EFP成型較好,而三點(diǎn)起爆形成的EFP斷成三段,即使如此,文獻(xiàn)[8]仍預(yù)測(cè)多點(diǎn)起爆對(duì)EFP成型具有良好前景;文獻(xiàn)[9～11]分別對(duì)環(huán)形多點(diǎn)起爆方式形成EFP進(jìn)行了研究,研究主要針對(duì)三點(diǎn)起爆方式形成EFP尾裙和尾翼方面,并得出以下結(jié)論:采用多點(diǎn)起爆方式可以形成帶尾翼的EFP,且尾翼個(gè)數(shù)與起爆點(diǎn)個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng),提高了EFP的飛行穩(wěn)定性和保速能力。前人對(duì)于多點(diǎn)起爆方式下EFP成型的研究主要集中在三點(diǎn)起爆方式且應(yīng)用于EFP尾翼成型。采用多點(diǎn)起爆方式引爆炸藥裝藥在一定條件下可以形成馬赫爆轟波[12],不僅能提高炸藥潛能而且能形成喇叭形爆轟波,改善了爆轟波的結(jié)構(gòu),這兩點(diǎn)對(duì)EFP的成型性能有著有益的影響。

本文研究多點(diǎn)起爆方式對(duì)EFP成型的速度、長(zhǎng)徑比等關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律,同時(shí)通過(guò)優(yōu)化起爆參數(shù)和藥型罩結(jié)構(gòu)得到較傳統(tǒng)起爆方式更優(yōu)良的EFP。

1 有限元模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性,基于文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)結(jié)果,建立了爆炸成型彈丸EFP的有限元模型,將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。爆炸成型彈丸裝藥結(jié)構(gòu)為圓柱形裝藥,裝藥口徑為60 mm,裝藥高度為48 mm,口徑比為0.8,藥型罩為弧錐結(jié)合藥型罩,弧度半徑R=44 mm,錐角為140°,具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。三維有限元建模如圖2所示,數(shù)值模型由炸藥、藥型罩和空氣三部分組成,其中炸藥和空氣材料采用歐拉網(wǎng)格建模,藥型罩材料采用拉格朗日網(wǎng)格建模,藥型罩與炸藥和空氣材料間采用耦合算法CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。炸藥材料為8701,密度為1.715 g/cm3,爆速為8 452 m/s,選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程;藥型罩材料為紫銅,密度為8.96g/cm3,采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程來(lái)描述它在爆轟波作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)行為?？諝獠捎每瘴镔|(zhì)流體模型,狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式。由于EFP炸高大且飛行距離遠(yuǎn),為了縮減計(jì)算量,在100 μs時(shí)刻,添加*DELETE_PART關(guān)鍵字用于刪除炸藥和空氣PART,僅留下藥型罩PART繼續(xù)成型,直至形成頭尾速度一致的爆炸成型彈丸。起爆方式為端面中心點(diǎn)起爆。

在120 μs時(shí)刻,EFP的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與X光圖像以及最終回收到的EFP三者間對(duì)比見(jiàn)圖3。EFP的試驗(yàn)和數(shù)值模擬成型參數(shù)的比較列于表1。表中,L為EFP長(zhǎng)度,D為EFP直徑,v1為頭部速度,v2為尾部速度,L/D為EFP長(zhǎng)徑比。

L/mmD/mmv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)L/D仿真47.220.81481.01452.02.3試驗(yàn)46.819.51530.61516.22.4

由圖3可以看出:三者的成型形狀一致,都形成了短粗形的EFP結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬和X光圖像都存在空腔,且空腔長(zhǎng)度接近;數(shù)值模擬得到的EFP尾部開(kāi)口略大于X光攝影結(jié)果。數(shù)值模擬和回收到的EFP在尾裙處都有明顯外翻現(xiàn)象,這是切邊形藥型罩的切邊在爆轟波作用下向軸線處壓垮成型的結(jié)果。對(duì)比表1中數(shù)值模擬和試驗(yàn)EFP的成型參數(shù),仿真與試驗(yàn)的EFP的長(zhǎng)度相差0.4 mm,誤差0.09%;EFP的直徑相差1.3 mm,誤差6.7%;頭部速度相差49.6 m/s,誤差3.2%;尾部速度相差64.2 m/s,誤差4.2%;長(zhǎng)徑比相差0.1,誤差4.2%。誤差均在5%左右,這表明數(shù)值計(jì)算采用的材料本構(gòu)、狀態(tài)方程等應(yīng)用于模擬EFP成型的結(jié)果是可信的。

2 多點(diǎn)起爆EFP的形成

多點(diǎn)起爆爆轟波相互碰撞會(huì)在藥型罩頂部形成馬赫爆轟波,因?yàn)轳R赫波陣面的壓力遠(yuǎn)高于C-J爆轟波陣面的壓力(約為C-J爆壓的3.45倍[14]),且馬赫波形成了喇叭形爆轟形,減少了爆轟波與藥型罩的壓垮角,增大了藥型罩的壓垮速度,所以理論上多點(diǎn)起爆方式對(duì)EFP的成型性能有較大增益。然而,先期的研究發(fā)現(xiàn),由于馬赫波陣面壓力過(guò)高導(dǎo)致藥型罩頂部微元的軸向速度遠(yuǎn)高于其他微元的軸向速度,在EFP成型過(guò)程中頭部速度梯度過(guò)大,這導(dǎo)致EFP頭部斷裂,頭尾速度不一致且EFP長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

本節(jié)采用和第1節(jié)相同的裝藥結(jié)構(gòu),建立多點(diǎn)起爆下裝藥爆轟作用簡(jiǎn)化模型,圓柱形裝藥環(huán)形多點(diǎn)起爆可簡(jiǎn)化為過(guò)裝藥軸線兩點(diǎn)對(duì)稱起爆結(jié)構(gòu),如圖4所示。圖中,r為起爆半徑;R1,R2分別為弧錐結(jié)合藥型罩內(nèi)、外半徑,α為藥型罩切邊角。對(duì)稱兩點(diǎn)起爆形成的爆轟波在對(duì)稱面上經(jīng)歷正碰撞、正規(guī)斜碰撞和非正規(guī)斜碰撞過(guò)程。起爆點(diǎn)O1和O2同時(shí)起爆后,爆轟波將以相同爆速向炸藥內(nèi)部傳播,爆轟波最先在A點(diǎn)處發(fā)生正碰撞,隨著爆轟波在炸藥中的傳播,爆轟波之間將產(chǎn)生一夾角,碰撞點(diǎn)逐漸向下移動(dòng),AB之間即為正規(guī)斜碰撞。當(dāng)碰撞點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn),爆轟波碰撞后形成馬赫波,產(chǎn)生馬赫桿,從圖4中可以看出馬赫桿兩端沿著B(niǎo)C1和BC2移動(dòng),最終作用于藥型罩上。

環(huán)形多點(diǎn)起爆方式改變了爆轟波對(duì)藥型罩的壓垮過(guò)程,中心點(diǎn)起爆方式采用的藥型罩結(jié)構(gòu)必然不再適合多點(diǎn)起爆方式。參考馬赫波陣面壓力和波形的變化情況,采用優(yōu)化起爆半徑r、藥型罩外弧度半徑R2和藥型罩切邊角α(見(jiàn)圖4),以期得到成型良好的EFP侵徹體。

2.1 起爆半徑

多點(diǎn)起爆方式起爆半徑r的變化不僅改變爆轟波形狀同時(shí)也影響爆轟波對(duì)藥型罩的載荷分布,最終將影響爆炸成型彈丸的成型形態(tài)。數(shù)值計(jì)算模擬選取7種起爆半徑方案:r=5 mm,8 mm,10 mm,15 mm,20 mm,25 mm,30 mm。成型參數(shù)見(jiàn)表2,由于篇幅有限只選取部分成型結(jié)果。EFP的成型見(jiàn)圖5。

表2 不同r時(shí)EFP成型參數(shù)

*注:v1=v2。

由表2和圖5可以看出,r增加,EFP速度和長(zhǎng)徑比都增加。以r=25 mm的EFP成型結(jié)果為例分析,相比中心點(diǎn)起爆方式,EFP速度提高11.5%,長(zhǎng)徑比提高約55倍。一般來(lái)說(shuō),彈桿質(zhì)量一定時(shí),長(zhǎng)徑比越大,其在一定速度下的比動(dòng)能越大,侵徹效果也就越明顯。但是,在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中EFP戰(zhàn)斗部多用于大炸高攻擊坦克裝甲,正是由于其長(zhǎng)度較短,彈徑較粗,反應(yīng)裝甲對(duì)其干擾較小,對(duì)裝甲目標(biāo)后效大,且大炸高下不易斷裂。所以,多點(diǎn)起爆方式形成的EFP戰(zhàn)斗部在長(zhǎng)徑比得到極大增加的同時(shí)必須保證EFP直徑不能太細(xì)。圖5中r=25 mm形成的EFP顯然不能滿足要求。

綜合分析EFP成型參數(shù),多點(diǎn)起爆的起爆半徑r控制在0.25Dc～0.33Dc(Dc為裝藥直徑)之間,既保證了EFP速度和長(zhǎng)徑比增加,同時(shí)其直徑不至于太小。由表2可以看出,僅僅通過(guò)優(yōu)化起爆半徑r得到的EFP的直徑仍較細(xì),實(shí)際飛行中EFP很容易拉斷,嚴(yán)重影響其侵徹能力。下面取起爆半徑r=15 mm,20 mm 2個(gè)方案進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.2 外弧度半徑

多點(diǎn)起爆爆轟波碰撞在藥型罩頂部區(qū)域形成超壓,超壓載荷作用于罩頂,提高了藥型罩頂部材料的壓垮速度,增加EFP頭尾的速度差,在工程實(shí)際中由于材料及加工工藝等因素,馬赫超壓可能沖破藥型罩頂部,導(dǎo)致EFP無(wú)法成型。由于頭尾速度差過(guò)大,即使罩頂未被沖破,頭尾也極易斷裂分離?？梢酝ㄟ^(guò)增加藥型罩頂部壁厚,減緩多點(diǎn)起爆下藥型罩壓垮的速度梯度。因?yàn)榛″F結(jié)合藥型罩內(nèi)、外弧度半徑R1和R2決定藥型罩的壁厚,所以可調(diào)節(jié)弧度半徑適當(dāng)增大罩頂壁厚,降低藥型罩頂部的壓垮速度,從而達(dá)到減小EFP長(zhǎng)度、增加EFP直徑的目的,同時(shí)也保證EFP成型和飛行過(guò)程中不易斷裂。數(shù)值計(jì)算方案:內(nèi)弧度半徑R1=40 mm并保持不變,選取外弧度半徑R2=50 mm,60 mm,70 mm 3種方案。數(shù)值模擬藥型罩弧度半徑對(duì)EFP成型的影響,成型參數(shù)見(jiàn)表3,EFP仿真成型見(jiàn)圖6。

表3 不同R2時(shí)EFP成型參數(shù)

*注:v1=v2。

分析表3和圖6,隨著R2增加,EFP直徑顯著增加,長(zhǎng)徑比顯著減小,EFP趨于短粗形。同時(shí),由于藥型罩壁厚增加,藥型罩質(zhì)量增加,所以EFP速度降低但下降不多。R2對(duì)EFP長(zhǎng)徑比影響很大,而對(duì)速度影響不大。分析表3的結(jié)果,R2取值范圍應(yīng)控制在40～50 mm之間,既適當(dāng)增加了EFP的直徑,同時(shí)也保證EFP速度下降不多。

2.3 切邊角

通常EFP為前部密實(shí)后部中空的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),為了表征EFP的密實(shí)性,引入“密實(shí)度”[15]的概念,定義“密實(shí)度”為EFP實(shí)心部分長(zhǎng)度與EFP總長(zhǎng)度的比值,記為μ。觀察圖5、圖6各方案中的EFP成型,雖然與中心起爆方式相比EFP的長(zhǎng)徑比得到較大提高,但是EFP的密實(shí)度較低,EFP的尾部被拉得很長(zhǎng),易斷裂,影響飛行穩(wěn)定且不能提供侵徹能力。爆炸成型彈丸的尾部是由藥型罩邊緣材料形成的,為減小空腔部分的長(zhǎng)度,可以通過(guò)增加藥型罩的切邊角α,降低罩邊緣部分的質(zhì)量,從而達(dá)到縮短EFP尾部的目的。同時(shí),藥型罩邊緣質(zhì)量減小必然導(dǎo)致藥型罩尾部的壓垮速度提高,最終提高EFP的速度。

前面的研究中切邊角α=45°,本節(jié)以45°為基準(zhǔn),增大切邊角,分別模擬切邊角α=50°,55°,60°時(shí)EFP的成型,成型參數(shù)見(jiàn)表4,仿真成型結(jié)果見(jiàn)圖7。

表4 不同切邊角下各方案EFP的成型參數(shù)

*注:v1=v2。

α改變,EFP成型形態(tài)各異,但是其成型參數(shù)的規(guī)律保持一致。選取方案1、方案2、方案3進(jìn)行分析,可以看出,隨著α增加,EFP的尾部空腔明顯減小,當(dāng)切邊角為60°時(shí),藥型罩邊緣沒(méi)有翻轉(zhuǎn)成型。因?yàn)榍羞吔禽^大,藥型罩邊緣壁厚較薄,頂部和邊緣的壁厚不匹配,壓垮過(guò)程中藥型罩邊緣沒(méi)有完全翻轉(zhuǎn)即達(dá)到頭尾速度相同。雖然α=60°時(shí)EFP密實(shí)度為1,但是其成型形狀較差,無(wú)法滿足戰(zhàn)斗部的成型要求。

下面僅分析α從45°增加到55°的情況下EFP成型參數(shù)的變化規(guī)律。EFP速度從1 548 m/s增加到1 687 m/s,增加了9.0%;長(zhǎng)徑比L/D從7.92減小到4.63,降低了41.5%;密實(shí)度μ從0.44增加到0.84,增加了90.9%。α增加,EFP速度和密實(shí)度增加,對(duì)EFP的侵徹性能是增益的,但是長(zhǎng)徑比減小對(duì)EFP侵徹能力是減損的。然而,實(shí)際情況并非如此。實(shí)際上,α從45°增加到55°,EFP總長(zhǎng)度從115.7 mm減小到69.0 mm,總長(zhǎng)減小了40.4%,但EFP實(shí)心部分長(zhǎng)度幾乎保持不變。α=45°,EFP實(shí)心部長(zhǎng)度為55 mm;α=55°,EFP實(shí)心部長(zhǎng)度為58 mm。同時(shí),EFP的直徑從14.6 mm增加到14.9 mm,基本保持不變,所以EFP的長(zhǎng)徑比減小,減小的是非實(shí)心部的長(zhǎng)度,而非實(shí)心部是沒(méi)有侵徹能力的,且非實(shí)心部過(guò)長(zhǎng),在飛行過(guò)程中極易斷裂。所以,此時(shí)EFP長(zhǎng)徑比減小對(duì)EFP的侵徹能力沒(méi)有減損,切邊角α的合理范圍為50°～55°。

3 侵徹能力對(duì)比

綜合考慮速度、長(zhǎng)徑比和密實(shí)度,選出圖7中方案2、方案11這2個(gè)成型較優(yōu)的EFP,與中心點(diǎn)起爆方式形成的EFP進(jìn)行對(duì)比,圖8為三者的成型形狀的比較。

中心點(diǎn)起爆方式形成的EFP的成型參數(shù):v1=1 481 m/s,v2=1 452 m/s,L/D=2.3,μ=0.43;方案2形成的EFP的成型參數(shù):v1=1 687 m/s,v2=1 687 m/s,L/D=4.63,μ=0.84;方案11形成的EFP的成型參數(shù):v1=v2=1 653 m/s,L/D=2.57,μ=0.75。可以發(fā)現(xiàn),較中心點(diǎn)起爆方式,方案2形成的EFP速度提高了206 m/s,提高了14%,長(zhǎng)徑比提高約1倍,密實(shí)度提高約95.3%;方案11的EFP速度提高了172 m/s,提高了11.6%,長(zhǎng)徑比提高約13.2%,密實(shí)度提高約72.1%?？梢?jiàn),多點(diǎn)起爆方式對(duì)EFP的速度、長(zhǎng)徑比和密實(shí)度提升明顯。

為了直觀地比較三者的侵徹能力,利用經(jīng)驗(yàn)公式分別計(jì)算其侵徹深度并進(jìn)行對(duì)比。EFP一般速度在1 500～2 000 m/s之間,EFP對(duì)靶的侵徹可以按破碎穿孔模式進(jìn)行,其侵徹深度δp的工程計(jì)算公式為[16]

(1)

式中:v0為EFP速度;ρp,ρt分別表示EFP材料和靶材料的密度;p為EFP和靶之間的破壞強(qiáng)度差。

取紫銅與45#鋼的破壞強(qiáng)度差p=400 MPa,v0取EFP頭部速度,即v0=v1。代入式(1)易得EFP侵徹45#鋼的侵徹深度δp分別為0.37Dc,0.94Dc和0.51Dc。同等的裝藥量下,多點(diǎn)起爆方式形成的EFP侵徹深度分別提高了154%和37.8%。

4 結(jié)束語(yǔ)

模擬了中心點(diǎn)起爆方式下EFP的成型,并與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明本文數(shù)值計(jì)算采用的算法、材料參數(shù)及狀態(tài)方程等用于EFP模擬是可信的。

多點(diǎn)起爆形成EFP,起爆半徑r增加,EFP的速度和長(zhǎng)徑比增加,直徑減小。對(duì)于本文結(jié)構(gòu),多點(diǎn)起爆半徑r的合理范圍為0.25Dc～0.33Dc,即在EFP速度和長(zhǎng)徑比增加的同時(shí)其直徑不過(guò)細(xì);藥型罩外弧度半徑R2增加,可以適當(dāng)增加EFP的直徑,使得EFP趨于短粗形,長(zhǎng)徑比減小明顯,而對(duì)速度影響不大。藥型罩切邊角α對(duì)EFP空腔部的長(zhǎng)度影響較大,α增加,EFP空腔部的長(zhǎng)度減小,實(shí)心部分長(zhǎng)度基本不變,EFP的密實(shí)度增加。切邊角α不能過(guò)大,否則藥型罩頂部和邊緣厚度不匹配將導(dǎo)致罩邊緣材料無(wú)法翻轉(zhuǎn)成型,對(duì)于本文的結(jié)構(gòu),合理的切邊角范圍為50°～55°。

多點(diǎn)起爆方式可以大大提高EFP的侵徹能力。本文優(yōu)化得到了2種EFP結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:r=15 mm,R2=40 mm,α=55°;r=20 mm,R2=50 mm,α=55°。多點(diǎn)起爆方式較中心點(diǎn)起爆方式侵徹深度分別增加了154%和37.8%。

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StudyonthePenetrationAbilityofEFPbyAnnularMulti-pointInitiation

SHEN Hui-ming,LI Wei-bing,WANG Xiao-ming,LI Wen-bin,ZHENG Yu,DONG Xiao-liang

(ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2017-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11202103)

沈慧銘(1988- ),男,博士研究生,研究方向?yàn)橹悄軓椝?、?zhàn)斗部高效毀傷。E-mail:shenhuiming202@163.com。

TJ414.2

A

1004-499X(2017)03-0049-07