周向MEFP成型规律数值分析*

梁振刚，蒋建伟

(1 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2 沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159)

0 引言

周向MEFP(multiple explosively formed projectile)战斗部爆炸后同时形成多个EFP弹丸，实现了EFP单点毁伤向多点毁伤的飞跃，可用于应对高空目标及轻型装甲目标。

目前国内对 MEFP 的研究很多［1－3］，但对周向MEFP成型的研究较少。Richard Fong等设计了新型的周向聚焦MEFP战斗部，可根据目标的不同，设计不同的装药结构，形成不同速度和形状的MEFP［4］;张利等设计了一种新型多枚爆炸成型弹丸战斗部，为小口径MEFP战斗部设计提供了参考［5］。文中设计了周向MEFP战斗部的仿真模型，仿真分析了在不同药型罩结构参数和战斗部结构参数下EFP成型的特点，总结了药型罩参数和战斗部结构参数对周向MEFP成型规律的影响。

1 周向MEFP战斗部及数值模拟

1.1 周向MEFP战斗部模型及材料参数的选取

1)周向MEFP战斗部模型建立

本周向MEFP战斗部是外表面为棱柱形壳体并分层均匀排列若干个药型罩，共设置了m×n个药型罩，其中m为战斗部轴向药型罩分层层数，n为每层药型罩周向分布数量。文中选用球缺型、等罩厚药型罩进行研究，整个战斗部的结构如图1所示。

2)主要材料的选取

周向 MEFP选取 B炸药或 OCTOL炸药，采用JWL状态方程，材料参数如表1。药型罩的材料选用铜，壳体选用钢4340，两个材料均选用Linear状态方程和Johnson-Cook强度模型。

图1 周向MEFP结构图

表1 炸药参数

1.2 仿真模型的建立

图2 全模型的1/32仿真模型

使用显式动力学分析软件AUTODYN-3D建立的模型，其中内部装药、端盖和药型罩均采用流固耦合的算法来满足爆炸成型过程中大变形的要求。为了获得较好的EFP成型速度与形状，文中选用沿轴向中心线起爆方式［6］。周向MEFP模型较大，根据周向MEFP装药结构上下对称的原则，可将全模型分成1/2模型，再根据药型罩沿周向呈均匀分布的特点，设计出了全模型的1/(4×8)仿真模型(见图2)，该装药侧端面施加了位移约束。同时为了进一步降低计算量，提高计算速度，在不考虑上下端面对罩的稀疏波影响的前提下，根据各层EFP成型速度和形状接近的规律及装药结构的对称性，选用单个药型罩装药仿真模型代替多层药型罩仿真模型的方法，设计了简化后的药型罩仿真模型，并在装药侧端面和上下端面均施加了位移约束(见图3)。为了检验简化后的仿真模型成型效果，同时数值模拟了上述两种仿真模型的成型过程，模拟方案为:中心线起爆，炸药选用B炸药，装药外接圆柱直径92 mm，壳体厚度3 mm，药型罩轴向间距3 mm，药型罩分为10层，每层周向分布8个罩，药型罩口径32 mm，药型罩曲率半径44 mm，药型罩厚度3 mm。

图3 简化后的药型罩仿真模型

1.3 仿真计算结果

两种仿真模型的成型图如图4、图5所示。

图4 全模型的1/32仿真模型成型图

图5 简化后的EFP成型图

从图4可看出，中心线起爆过程中，炸药的爆轰波的传播比较均衡，药型罩沿中心轴线向外飞散同时会受到径向挤压和轴向拉伸，形成密实的压垮式EFP［7］。从图4和图5可见，两种仿真模型的成型形状基本相同。

以靠近上下对称面的药型罩为1号，依次向上为2、3、4、5 号罩，各罩成型速度见表2。

表2 各层EFP成型速度统计

简化仿真模型的EFP成型速度是1 970.1 m/s，由表2比较可知，1/32全模型的EFP成型速度与简化模型的成型速度接近。仿真结果说明，简化后的药型罩仿真模型的成型速度、周向MEFP形状与全模型的接近，所以在不考虑上下端盖对药型罩的稀疏波影响时，可以用简化后的药型罩仿真模型代替全模型进行周向MEFP成型规律的仿真研究。

2 药型罩参数对周向MEFP成型影响

药型罩各项参数中直接影响EFP成型性能的重要因素有药型罩的罩口径、曲率半径、药型罩的厚度，所以在研究周向MEFP成型规律时，研究这三个参数对MEFP成型影响是很必要的。本研究中选取简化后的单个药型罩仿真模型进行计算，周向MEFP战斗部的壳体厚度C是3 mm，炸药选用B炸药，装药外接圆柱直径D为92 mm，药型罩轴向间距为3 mm，周向分布药型罩数量为8个，罩口径为d，EFP成型速度为V，长径比为E，罩厚度为h，罩曲率半径为r。

2.1 罩口径与装药外接圆柱直径比值对周向MEFP成型影响

在研究罩口径d与装药外接圆柱直径D比值对周向MEFP成型影响时，药型罩的厚度设为3 mm，曲率半径为40 mm，药型罩的罩口径与装药外接圆柱直径比值分别选取 0.3、0.312、0.325、0.337 和 0.35，周向MEFP的成型速度V及长径比随d/D变化曲线结果如图6和图7所示。

图6 EFP成型速度随d/D比值变化曲线

图7 EFP长径比随d/D比值变化曲线

由图6可知随着罩口径与装药外接圆柱直径比值的增大，EFP成型速度虽然略有降低，但下降幅度不大。由图7可知，随着罩口径与装药外接圆柱直径比值的加大，长径比略增加，但幅度也不明显，说明飞行中药型罩受到径向挤压和轴向拉伸幅度变化不大。所以调整药型罩口径参数对MEFP成型影响不大。

2.2 罩厚度与装药外接圆柱直径比值对周向MEFP装药成型影响

在研究罩厚度h与装药外接圆柱直径D比值对周向MEFP成型影响时，设计的仿真方案数据如下:药型罩的曲率半径为40 mm，药型罩的口径为29.4 mm，罩厚度与装药外接圆柱直径比值分别为0.023 8、0.026 8、0.029 8、0.032 7 和 0.035 7，周向MEFP成型速度V及长径比随h/D变化曲线如图8和图9所示。

图8 EFP成型速度随h/D比值变化曲线

图9 长径比随h/D比值变化曲线

由图8可看出:h/D值越大，EFP成型速度越慢，而且变化明显。这主要因为随着厚度的增大，药型罩承受爆轰波的能力增强，药型罩的质量也随之增大所致。图9的曲线显示随着罩厚度与装药外接圆柱直径比值的增大，成型过程中径向挤压和轴向拉伸的幅度也降低，最终EFP的长径比也明显下降。

2.3 药型罩曲率半径与装药外接圆柱直径比值对周向MEFP装药成型影响

在研究罩曲率半径与装药外接圆柱直径比值对周向MEFP成型影响时，设计的仿真方案数据如下:药型罩的厚度为3 mm，药型罩的口径为32 mm，药型罩曲率半径r与装药外接圆柱直径D比值分别为0.347 8、0.391 3、0.434 8、0.478 3 和 0.521 7，周向MEFP的成型速度V及长径比随罩r/D比值变化曲线如图10和图11所示。

图10 EFP成型速度随r/D比值变化曲线

图11 EFP长径比随r/D比值变化曲线

由图10可知，r/D比值的增大，对EFP成型速度影响不大。图11显示随着r/D比值的增大，EFP的长径比明显减小，说明药型罩受到径向挤压力增大，而轴向拉伸幅度变化不大，从而使长径比降低。

3 战斗部结构参数对周向MEFP成型影响

3.1 壳体壁厚对周向MEFP成型影响

周向MEFP战斗部壳体壁厚对周向MEFP成型影响的仿真方案如下，装药外接圆柱直径92 mm，药型罩的口径32 mm，药型罩厚度3 mm，药型罩曲率半径36 mm，壳体壁厚分别选取2 mm、3 mm、4 mm和5 mm，仿真结果如图12和图13所示。

图12 EFP成型速度随壳体壁厚变化曲线

由图12和图13可看出壳体越厚，EFP成型速度越快，EFP的长径比也随之增加且增幅明显。这是由于壳体厚度增大，将引起药型罩变形过程中各微元向轴线并拢的速度加大。

图13 EFP长径比随壳体厚度变化曲线

3.2 周向药型罩分布数量对周向MEFP成型影响

在研究周向分布数量对周向MEFP成型影响时，炸药选取B炸药，装药外接圆柱直径92 mm，药型罩的口径27.6 mm，药型罩厚度3 mm，药型罩曲率半径40 mm，壳体壁厚3 mm，周向MEFP战斗部侧面每层药型罩分布数量依次为8个、9个和10个，仿真结果如图14和15所示。

图14 EFP成型速度随周向数量变化曲线

图15 EFP长径比随周向数量变化曲线

由图14和图15可知，在药量一定的情况下，随着周向药型罩分布数量的增加，EFP的成型速度及长径比都降低，但幅度很小。

3.3 两种不同炸药对周向MEFP成型影响

仿真方案为装药外接圆柱直径92 mm，药型罩的口径32 mm，药型罩厚度2.5 mm，药型罩曲率半径36 mm，壳体壁厚3 mm，径向4层药型罩，每层分布8个药型罩，炸药分别选取B炸药和OCTOL炸药，仿真结果如表3。

表3 选用两种炸药的EFP成型数据

因为OCTOL炸药的能量密度大于B炸药，所以形成EFP成型速度也会更快一些，长径比也相应增大。

4 结论

1)在不考虑端面稀疏波影响的前提下，文中设计的周向MEFP简化仿真模型与全模型仿真模型的EFP成型形状一致，速度接近，可以代替全模型仿真模型进行周向MEFP成型规律的研究。

2)在装药结构一定的情况下，调整药型罩的口径和厚度可调整EFP的动能，调整药型罩的曲率半径可调整EFP长径比。

3)随着壳体厚度的增加，EFP成型速度小幅加快，长径比增幅比较明显;周向药型罩数量的分布对EFP成型速度和长径比的影响均很小;高能炸药会使EFP成型速度和长径比均增加，其中长径比增幅较明显。

以上结果可为周向MEFP战斗部结构设计提供参考。

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