组合式成型装药数值模拟与分析*

孙 华，王志军，尹建平

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

0 引言

由于爆炸成型弹丸EFP[1]的密实性较好，动能较高，攻击效果基本不受炸高的影响，从而得到广泛应用;然而环形药型罩在环形装药起爆后，在爆轰波和爆炸产物的作用下，环形药型罩挤压翻转，形成环形侵彻体，由于其开孔大、装药长径比小等特点，常用于为反舰导弹和鱼雷等串联随进战斗部的前级装药[2]。文中提出了一种组合式装药结构，即用一级主装药能够同时形成EFP和环形侵彻体，且二者之间存在一定的速度差，可以实现环形侵彻体先于EFP达到目标完成开孔任务，之后EFP随进对目标进行二次毁伤的目的。该结构能够应用于防空、反导、反武装直升机、反陆军轻型装甲和海军轻型装甲等领域。文中利用ANSYS/LS-DYNA软件对该结构进行了数值模拟，并研究了药型罩材料组合和偏移量d对该结构的影响。

1 组合式成型装药结构设计

该结构主要难点在于，等壁厚环形药型罩形成环形侵彻体的过程中，由于内外罩的质量以及装药量的不对称性[3]，从而环形侵彻体会发生沿轴向的偏移，进而影响其侵彻效果。为了有效降低环形侵彻体发生偏移，文献[4]和文献[5]借鉴的是等冲量设计原则，按一定比例分别对内、外罩的厚度进行调整，内、外罩底至罩顶间的厚度均匀变化，内罩底边厚需增加一定厚度，外罩底边厚需减少一定厚度，但是要使内外罩的质量和分别作用在其上的有效装药相等，从而实现内外罩的冲量相等，在工程实现上以及药型罩加工过程中比较困难。为了能够有效的解决该问题，文中所采用的方式是:中间药型罩和环形药型罩均为球缺型，从而便于药型罩加工，仅仅使环形药型罩的旋转轴与环形装药的旋转轴存在一定的偏移量d，如图1所示，从而有效的减小环形侵彻体的偏转角θ，得到稳定的环形侵彻体。文中提出的组合式成型装药结构如图2所示。

2 数值模拟

2.1 有限元模型与材料

文中采用Truegrid软件建立组合式成型装药的有限元模型，模型中单元均为solid164三维实体单元，并在边界上施加边界条件无反射约束，避免压力在边界上的反射;然后通过与LS-DYNA软件间的接口，将有限元模型导入求解器中进行计算。全文使用的单位制为:mm-ms-kg-GPa。由于该结构为轴对称结构，所以模型采用1/4网格划分，从而减少模型单元数量，以节省计算时间。数值仿真中简化为药型罩、炸药、隔板和空气四部分，其算法均采用Euler算法。

国内外对药型罩材料[6]的研究及应用进行了大量的工作，对紫铜、钽等材料都进行了研究。文中在数值模拟中药型罩材料选其中一种或两种材料组合进行对比，这两种材料均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程来描述其在动力学作用下的响应行为。文献[7]中给出了紫铜和钽的主要参数，紫铜的主要参数有:ρ=8.96g/cm3，A=90MPa，B=292MPa，n=0.31，m=1.09，c=0.025;钽的主要参数有:ρ=16.6 g/cm3，A=245MPa，B=493MPa，n=0.58，m=1.04，c=0.065。

炸药选用8701，用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程来进行描述，其主要参数参照文献[8]:ρ=1.787 g/cm3，D=7.98Km/s，Pcj=29.5GP。

2.2 组合式侵彻体成型过程的数值分析

为了研究组合式侵彻体的成型过程，文中采用装药口径D=140mm，装药高度H=40mm，中间药型罩材料为钽，曲率半径为30mm，壁厚为3mm，偏移量d=2mm，环形药型罩材料为紫铜为例进行数值模拟。图3为该组合装药结构在不同时刻形成侵彻体的过程。

图3 组合式侵彻体的成型过程

由图3可以看出，在炸药起爆条件下，爆轰波首先对中间药型罩和环形药型罩的罩顶进行压垮，随着爆轰波的进一步传播以及爆炸产物的影响，药型罩两侧也开始翻转，在40μs时，中间药型罩和环形药型罩基本完成翻转，组合式侵彻体形态基本稳定，由于所受爆轰波作用时间长短的差异，头、尾部之间有一定的速度梯度，从而在40μs至60μs阶段侵彻体继续被拉伸，直至速度趋于一致。

图4 组合式侵彻体头、尾部速度变化曲线

结合图3和图4，可以看出 60μs 时中间EFP头、尾速度达到一致，80μs时环形侵彻体头、尾速度达到一致，且两者之间存在较大的速度差，环形侵彻体的速度大于中间 EFP的

速度，即可以实现环形侵彻体先于中间EFP达到目标完成开孔任务，之后中间EFP随进对目标进行二次毁伤的目的。

2.2.1 药型罩材料选取对结构形成组合式侵彻体的影响

为了研究药型罩材料对结构形成组合式侵彻体的影响，文中分别对:方案1，中间药型罩和环形药型罩均为铜;方案2，中间药型罩和环形药型罩均为钽;方案3，中间药型罩为钽环形药型罩为铜;方案4，中间药型罩为铜环形药型罩为钽进行了数值模拟。

图5 不同材料组合下侵彻体成型

表1 不同方案结果对比

结合图5和表1可以看出:当材料组合为中间药型罩为钽，环形药型罩为紫铜时环形侵彻与中间EFP的速度差达到703m/s，EFP和环形侵彻体均有较高的长径比，且环形侵彻体未发生轴向偏移;当两者材料一样时，中间EFP的速度大于环形侵彻体的速度，是因为环形炸药起爆后，爆轰波虽然受到隔板的作用，但是有一部分爆轰波通过透射，在中心轴上形成透射波叠加，如图6所示，使中间药型罩受到爆轰时间延长，从而中间EFP的速度大于环形侵彻体的速度;当中间药型罩为铜环形药型罩为钽，中间EFP的速度远远大于环形侵彻体的速度，且环形侵彻体发生了沿轴向向外的偏移。

综上所述:要想实现环形侵彻体先于EFP达到目标完成开孔任务，之后EFP随进继续销毁目标的目的，合理选择两者材料是一种有效的方式。在同一结构中，当中间药型罩材料密度大于环形药型罩材料密度时，能够使环形侵彻体的速度大于中间EFP的速度。

2.2.2 偏移量d对结构形成组合式侵彻体的影响

图6 各时刻爆轰波云图

为了研究偏移量d对结构形成组合式侵彻体的影响，文中分别对 d=0mm、d=1mm、d=2mm、d=3mm、d=4mm这5种情况进行了数值模拟。

图7 不同偏移量时组合侵彻体成型

图8 不同偏移量下环形侵彻体头部偏转角曲线

从图7可以看出，当偏移量d在0～1mm之间时，环形药型罩外壁出现了大量的“崩落环”，材料利用率较低，侵彻能力将受到影响。从图8可以看出，当偏移量 d在 0～1mm之间时，环形侵彻体头部偏转角θ为正，且随着偏移量d的增大，偏转角逐渐减小;当偏移量d在3～4mm之间时，环形侵彻体头部偏转角θ为负，且随着偏移量d的增大，偏转角θ绝对值逐渐增大;当偏移量d=2mm时，环形侵彻体头部偏转角θ几乎为0°。从图9可以看出，随着偏移量 d的增大，环形侵彻体的速度逐渐增大，中间 EFP的速度几乎不变。综合图7、图8和图9可以得出:当偏移量 d=2mm时，环形药型罩内外罩所受到的有效装药相等，实现了等冲量原则，所以偏转角θ几乎为0°;当偏移量d在0～1mm之间时，环形药型罩内罩受到的有效装药多于外罩，所以环形侵彻体发生了远离中心轴的偏转;当偏移量d在3～4mm之间时，环形药型罩内罩受到的有效装药少于外罩，所以环形侵彻体发生了靠近中心轴的偏转。

图9 不同偏移量下组合侵彻体的速度曲线

3 结论

通过数值模拟表明，该组合式成型装药结构设计是可行的，能够按照预先方案在炸药爆轰以及爆轰反应物的作用下形成中间EFP和环形侵彻体两者组合式毁伤元素。并对其影响因素进行了分析，得出以下结论:

1)当中间药型罩材料密度大于环形药型罩材料密度时，能够使环形侵彻体的速度大于中间EFP的速度，从而实现环形侵彻体先于中间EFP达到目标完成开孔任务，之后EFP随进对目标进行二次毁伤的目的;

2)当偏移量d=2mm时，环形药型罩内外罩所受到的有效装药相等，环形侵彻体头部偏转角θ几乎为0°，其形态较好，侵彻能力较强。

[1]宁俊生.成型装药和爆炸成型弹丸的研究进展[J].兵器材料科学与工程，2004，27(6):65 －67.

[2]黄群涛，李铁鹏，钱建平，等.环形EFP成型及侵彻过程的数值模拟[J].火炸药学报，2009，32(5):50－53.

[3]黄群涛.环形EFP成型机理研究[D].南京:南京理工大学，2008.

[4]李永胜，王伟力，姜涛.用于串联战斗部的环形切割器优化设计[J].弹箭与制导学报，2010，30(2):93 －94.

[5]吴成，曾艳春，张向荣，等.环型聚能药型罩的设计新方法与实验[J].北京理工大学学报，2007，27(4):291－294.

[6]胡忠武，李中奎，张廷杰，等.药型罩材料的发展[J].稀有金属材料与工程，2004，33(10):1010 －1013.

[7]宋梅利，李伟兵，王晓鸣，等.药型罩材料影响EFP成型的数值计算研究[J].火工品，2009(4):16－19.

[8]高靖，王志军，范晨阳，等.中心孔对聚能装药成型的影响[J].弹箭与制导学报，2011，31(1):110－112.