刻槽参数对刻槽式MEFP发散角及速度的影响

徐文龙，相升海，李学林，唐恩凌，张 健，魏开新

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；3.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201； 4.北京北方车辆集团有限公司，北京100072)

刻槽参数对刻槽式MEFP发散角及速度的影响

徐文龙1,2，相升海1，李学林3，唐恩凌1，张 健1，魏开新4

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159;2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；3.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201； 4.北京北方车辆集团有限公司，北京100072)

刻槽参数对刻槽式MEFP发散角及速度具有重要影响。基于ANSYS/LS-DYNA软件研究药型罩刻槽参数对刻槽式MEFP发散角及速度的影响。研究结果表明：在刻槽曲率半径相同的情况下，刻槽式MEFP的发散角随刻槽深度增加而增大，速度随刻槽深度的增加先减小后增大再减小；在药型罩顶端刻槽深度相同的情况下，刻槽式MEFP的发散角随刻槽曲率半径增加而增大，速度随曲率半径变化不大。模拟结果与实验结果基本一致。

多爆炸成型弹丸(MEFP)；ANSYS/LS-DYNA；成型；侵彻；发散角

目前，国内外研究和应用的MEFP战斗部主要有网栅切割式、周向组合式、轴向变形罩式、轴向组合式、多层串联式、周向线性式、多用途组合式、刻槽式等结构。李裕春等[4]利用LS-DYNA软件对网栅切割式MEFP的形成过程进行了数值模拟。杨宝良等[5]利用LS-DYNA软件对周向MEFP进行数值模拟，并对不同起爆方式下MEFP战斗部形成的EFP阵列进行了研究。王猛等[6]对刻槽式MEFP进行了实验研究。

本文基于ANSYS/LS-DYNA软件研究刻槽式MEFP的刻槽参数对其发散角、速度及弹丸破碎程度的影响。

1 试验模型和数值计算

1.1 试验模型

试验现场布置如图1所示，主要由MEFP战斗部、测速靶和靶板组成。

图1 试验现场布置

MEFP战斗部由炸药、壳体和药型罩等组成。药型罩如图2所示，药型罩沿圆周120°间隔被V型刻槽均匀地分成三部分，药型罩顶端开有通孔。试验预期结果是：药型罩在翻转过程中沿刻槽处发生断裂形成EFP，炸药爆轰波的径向作用力使EFP飞散，产生3枚独立的EFP，并在靶板上打出三个弹孔，三个弹孔呈等边三角形分布。

图2 刻槽的药型罩

1.2 数值计算

药型罩网格划分如图3所示，药型罩共划分单元约4050个，节点约5184个。药型罩为变壁厚，以药型罩顶端壁厚为基准，相对装药直径为11.64，药型罩中心孔相对直径为0.45，药型罩内面相对曲率半径27.2，外面相对曲率半径25.2。

依据中粮宁夏葡萄酒厂建设方案，中粮宁夏项目区生产高质量的干红、干白葡萄酒，年产量达 2万 t，酿酒生产的供水水源为地下水井。

图3 药型罩网格划分

计算模型主要包括刻槽式MEFP战斗部、空气柱和靶板模型，如图4所示。空气柱长2000cm，靶板为两层厚1.5cm的钢靶。

战斗部的装药类型为8701炸药，材料模型为高能炸药爆轰模型，状态方程选用JWL状态方程。药型罩材料为紫铜，壳体材料为铝，靶板材料为钢。药型罩、壳体与靶板均使用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程。空气柱采用MAT-NULL材料模型，状态方程为线性多项式。Johnson-Cook材料模型等效应力表达式为

药型罩主要参数为：密度ρ=8.96 g/cm3；剪切模量G=46GPa；A=0.09GPa；B=0.29GPa；f=0.31；K=0.025；H=1.09(A、B、f、K、H为材料常数)；熔化温度Tm=1356K；室温Tr=293K。

图4 计算模型

模型采用拉格朗日算法，单点起爆，起爆点位于装药底部中心；设置药型罩自身单面接触；药型罩与炸药为滑移接触算法；炸药与壳体、药型罩与靶板及两块靶板间采用侵蚀接触算法；在空气柱及靶板边界处施加非反射边界。

2 计算结果及分析

对比分析药型罩刻槽深度、刻槽曲率半径对刻槽式MEFP的发散角、速度及弹丸破碎程度的影响。MEFP发散角的确定如图5所示。

图5 弹丸发散角示意图

图中：α为发散角；H为装药与靶板之间的距离，研究中取2000cm；S为三个弹孔所呈的等边三角形中心到弹着点的距离，假设等边三角形的边长为L，则

(2)

(3)

2.1 刻槽深度对刻槽式MEFP发散角及速度的影响

以药型罩顶端壁厚为基准，相对刻槽曲率半径27.2，药型罩顶端相对刻槽深度为m，m分别取0.316、0.421、0.481、0.526、0.556、0.602、0.631进行研究。

图6为发散角随刻槽深度变化趋势图，当相对刻槽深度m=0.316时弹丸不能分开，发散角为0°。由图6可知随着刻槽深度的增加发散角有逐渐增大的趋势，产生这种变化趋势的主要原因是：聚能爆轰波对药型罩的径向力是其飞散的主要原因，随着刻槽深度的增加即刻槽处剩余厚度的减小，聚能爆轰波径向力用于刻槽处断裂的能量减小，更多的能量用于弹丸的径向飞散，使弹丸具有更大的径向速度，所以发散角随刻槽深度的增加有逐渐增大的趋势。

图6 发散角随刻槽深度变化趋势图

图7为弹丸速度随刻槽深度变化趋势图。由图7可知，随着刻槽深度的增加弹丸轴向速度呈先减小后增大再减小的趋势。产生这种变化趋势的主要原因是：药型罩在炸药爆轰过程中获得的能量主要用于断裂成型、径向飞散和轴向飞行。药型罩刻槽深度较浅时，随着刻槽深度的增加药型罩获得的能量基本不变，因刻槽处厚度变薄，断

图7 弹丸速度随刻槽深度变化趋势图

裂成型所需能量减少，但径向飞散能量增加，且增加量大于断裂成型能量的减小，所以轴向速度呈下降趋势；随着刻槽深度继续增加，断裂成型能量减小，虽然径向飞散能量增加，但由图6可知，在点0.602之前其斜率逐渐减小。这个阶段，断裂能量减小量超过径向飞散能量增加量，所以轴向速度呈上升趋势；当刻槽深度达到一定值，药型罩在炸药爆轰未完成时断裂，导致药型罩获得能量减少，其轴向速度再次下降。

图8为药型罩顶端不同刻槽深度弹丸的飞散图。由图8可见，当相对刻槽深度为0.316时，弹丸不能分裂成型；当相对刻槽深度为0.421时，弹丸破碎严重且成型不规则；当相对刻槽深度大于等于0.526(约为药型罩顶端厚度的一半)时，弹丸成型良好。

图8 不同刻槽深度弹丸飞散图

2.2 刻槽曲率半径对刻槽式MEFP发散角及速度的影响

刻槽曲率半径是指V型刻槽底端线所呈圆弧的曲率半径，以药型罩顶端壁厚为基准，药型罩顶端相对刻槽深度0.602，药型罩相对刻槽曲率半径为n，n分别取23.2、24.2、25.2、26.2、27.2、28.2进行研究。

图9为发散角随刻槽曲率半径变化趋势图。由图9可知，随着刻槽曲率半径的增加发散角有逐渐增大的趋势，产生这种变化趋势的主要原因是：药型罩顶端刻槽深度不变，随着刻槽曲率半径的增加，除顶端以外的刻槽部分刻槽深度逐渐增加，如上2.1所述，刻槽深度增加必然导致发散角增大。

图9 发散角随刻槽曲率半径变化趋势图

图10为不同刻槽曲率半径弹丸的飞散图。由图10可见，当刻槽相对曲率半径小于25.2时弹丸破碎严重。

图10 不同刻槽曲率半径弹丸飞散图

当刻槽相对曲率半径大于等于外面相对曲率半径时，弹丸速度基本保持不变，均能穿透两层厚1.5cm的钢靶。图11展示了相对刻槽曲率半径为26.2的穿靶图。

3 试验验证

以药型罩顶端壁厚为基准，取药型罩顶端相对刻槽深度0.602，药型罩相对刻槽曲率半径26.2，进行试验验证，得到的穿靶结果如图12所示。实验测得弹丸速度为1850m/s，计算值为1920m/s(MEFP在两块测速靶位置计算速度的平均值)，误差3.8%；试验测出弹孔间距离46cm，对应发散角0.76°,计算值为48cm(如图11)，对应发散角0.79°,误差4%；计算结果与实验结果对比，两者基本相符。

图11 相对刻槽曲率半径26.2时的穿靶图

图12 试验穿靶图

4 结论

(1)在刻槽曲率半径相同的情况下，刻槽式MEFP的发散角随刻槽深度增加而增大，速度随刻槽深度增加先减小后增大再减小。

(2)在药型罩顶端刻槽深度相同的情况下，刻槽式MEFP的发散角随曲率半径增加而增大，速度随曲率半径变化不大；当刻槽相对曲率半径小于25.2时弹丸破碎严重。

[1]尹建平,姚志华，王志军.药型罩参数对周向MEFP成型的影响[J].火炸药学报,2011,34(6):53-57.

[2]Fong R,Ng W,Rice B,et al.Multiple explosively formed penetrator(MEFP) Warhead technology development [C]. 19thInternational Symposium on Ballistics,Interlaken:International Ballistics Committee,2001.

[3]周翔,龙源，余道强.多弹头爆炸成形弹丸数值仿真及发散角影响因素[J].兵工学报,2006,27(1):23-26.

[4]李裕春,唐朝斌,杨万江,等.切割式多爆炸成型弹丸成形的数值模拟[J].火工品,2009,(6):35-38.

[5]杨宝良,陈秀文,申孝立,等.不同起爆方式下MEFP战斗部的数值模拟[J].弹箭与制导学报,2006,26(3):108-110.

[6]王猛，黄德武，罗荣梅.整体多枚爆炸成型弹丸战斗部试验研究及数值模拟[J].兵工学报，2010,31(4):453-457.

(责任编辑：赵丽琴)

Influence of Groove Parameter on the Dispersion Angle and Velocity of Groove Type MEFP

XU Wenlong1,2,XIANG Shenghai1,LI Xuelin3,TANG Enling1,ZHANG Jian1,WEI Kaixin4

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159， China;2.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology，Beijing 100081， China;3.Shandong Special Industry Group Co.Ltd， Zibo 255201，China;4.Beijing North Vehicle Group Corporation,Beijing 100072，China)

The influence of groove parameter on the dispersion angle and velocity of groove type MEFP is significant.This paper studied the influence of liner’s groove parameter on the dispersion angle and velocity of groove type MEFP based on ANSYS/LS-DYNA.The results show that in the case of same groove curvature radius of groove type MEFP,the dispersion angle increases with groove depth,the speed decreases first,then increases,and then decreases;same top groove depth of groove type MEFP,the dispersion angle increases with curvature radius,the speed changes little.The simulation results are consistent with experimental results.

multiple explosively formed projectile (MEFP)；ANSYS/LS-DYNA；formation；penetration；radial dispersion

2014-04-01

辽宁省高校优秀人才支持计划资助项目(LR2013008)

徐文龙(1988—)，男，硕士研究生；通讯作者：相升海(1960—)，男，教授，研究方向：爆炸成型弹丸的毁伤机理.

1003-1251(2015)06-0051-05

TJ414+.2

A