内嵌结构对末敏弹EFP成型影响研究*

邢柏阳,郭 锐,刘荣忠,陈 亮,杨永亮

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

内嵌结构对末敏弹EFP成型影响研究*

邢柏阳,郭 锐,刘荣忠,陈 亮,杨永亮

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

为提升含有内嵌结构紧凑型EFP的毁伤效能,文中基于AUTODYN,对含有圆柱体型、圆柱体-圆柱体组合型、圆柱体-圆台组合型内嵌结构的EFP战斗部的成型形状及速度进行了模拟及分析。结果表明:在内嵌结构体积恒定的条件下,其参数在适当范围内变化时,对成型EFP的速度影响不大,但对气动外形影响较大。结论:当选用圆柱体-圆台组合型内嵌结构时,可以获得结构紧凑、长径比及速度较大(文中仿真结果分别为5和1 788 m/s)、气动外形合理的成型EFP。

末敏弹;内嵌结构;EFP;AUTODYN

0 引言

对于采用毫米波+红外复合敏感体制这一主流配置的末敏弹,如何将部分毫米波敏感器件与EFP战斗部进行整合以便提高末敏弹的紧凑程度是个较为棘手的工程问题。采用毫米波中间馈电结构,将部分敏感器件嵌入EFP战斗部内部,在整体设计上有利于弹体紧凑程度的提高,但同时对战斗部的设计带来了诸多不利,减少了EFP战斗部内的装药空间,降低了EFP速度,此外内嵌结构改变了药型罩的压合方式,易导致EFP断裂[1-3]。

对于采用毫米波敏感体制的紧凑型末敏弹来说,采用中馈布局的内嵌结构是提高末敏弹紧凑程度的有效措施。基于以上目的,分析内嵌结构对EFP战斗部成型带来的影响,据此改进EFP战斗部的结构设计,得到较高成型速度和较好气动外形的EFP,成为当前工作中急需解决的关键问题[4-6]。

文中优化设计了一种成型效果较好的EFP结构,采用AUTODYN软件研究了EFP战斗部的内嵌结构对EFP成型效果的影响,为紧凑型末敏弹的工程研制提供有效的帮助。

1 战斗部结构

紧凑型末敏弹的EFP战斗部包括药型罩、装药、内嵌结构、波导管以及壳体。其中,药型罩由变壁厚球缺药型罩和大锥角药型罩组成。图1为EFP战斗部在AUTODYN中的模型。

图2给出了圆柱体型、圆柱体-圆柱体组合型和圆柱体-圆台组合型内嵌结构的3种EFP战斗部结构的二分之一模型简图,主要结构参数已在简图中给出,为定值。变量参数已用字母在图中标出,具体含义如图所示。药型罩、波导管等结构参数不是文中的研究内容,取为已经优化过的定值。

图1 EFP战斗部在AUTODYN中的2D模型

图2 3种EFP战斗部结构的二分之一模型简图

2 战斗部成型过程仿真

2.1 仿真模型

利用AUTODYN软件建立有限元模型。药型罩、炸药、壳体、内嵌结构和波导管材料分别取为紫铜、8701、45钢、POLY-CARB和铝。文中先基于模型C拟定EFP战斗部的初始计算方案,如表1。

表1 初始方案

2.2 战斗部成型过程

采用中心点起爆的方式,针对模型C的EFP战斗部进行数值仿真,得到不同时刻的成型情况如图3(a)～图3(d)。

图3 模型C的EFP战斗部成型情况

仿真结果表明:起爆35 μs后,炸药的爆轰作用基本结束,因此可以删除炸药的作用;150 μs后,EFP基本成型结束;300 μs后,EFP首尾没有速度差,形状匀称、结构紧凑、不再改变,结束仿真。李刚等人的研究表明,这样的成型形状是符合要求的EFP形状,可以进行有效打击[6]。

3 内嵌结构变化对EFP成型的影响

3.1 圆柱体型内嵌结构对EFP成型的影响

在表1给出的初始方案的基础上,保持内嵌结构的体积不变,使用如图2(a)所示的圆柱体结构。取值情况如表2所示,其余参数不变,进行仿真。300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图如表2所示,速度折线图如图4所示。

图4 圆柱体型内嵌结构对成型EFP速度的影响

由图4可以发现,随着内嵌结构的半径R增大,EFP的速度变化并不明显。EFP速度的最大值与最小值相差不足1%。因此可以推断:在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的速度影响不大。

由表2可以发现,在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的尾部成型会有较大影响:随着内嵌结构的半径R增大,H减小,内嵌结构不断扁平化,对爆轰波的延迟范围不断扩大,使得爆轰波的传播路径产生更大范围的偏移,因而会对EFP尾部的气动外形产生较大的影响,EFP尾部的底凹结构逐步消失,在取值2和取值4条件下的EFP形状较为理想,有较好的尾部气动外形,能够有效的减小成型EFP的速度降,从而提升攻击效能。

表2 圆柱体型内嵌结构取值、300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图

表3 圆柱体-圆柱体组合型内嵌结构取值、300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图

表4 圆柱体-圆台组合型内嵌结构取值、300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图

3.2 圆柱体-圆柱体组合型内嵌结构对EFP成型的影响

在表1给出的初始方案的基础上,保持内嵌结构的体积不变,使用如图2(b)所示的圆柱体结构。取值情况如表3所示,其余参数不变,进行仿真。300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图如表3所示,速度折线图如图5所示。

图5 圆柱体-圆柱体组合型内嵌结构对EFP速度的影响

由图5可以发现,随着内嵌结构的半径R2增大,EFP的速度变化并不明显。EFP速度的最大值与最小值相差不足1%。因此可以推断:在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的速度影响不大。

由表3可以发现,在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的尾部成型会有较大影响:随着内嵌结构的半径R1、R2增大,H1、H2减小,内嵌结构不断扁平化,对爆轰波的延迟范围不断扩大,使得爆轰波的传播路径产生更大范围的偏移,因而会对EFP尾部的气动外形产生较大的影响,尾部的凸起先是逐步出现,之后又逐步减小,在取值1条件下的EFP尾部结构较为平滑,形状较为理想,有较好的尾部气动外形,能够有效的减小成型EFP的速度降,从而提升攻击效能。

3.3 圆柱体-圆台组合型内嵌结构对EFP成型的影响

在表1给出的初始方案的基础上,保持内嵌结构的体积不变,使用如图2(c)所示的圆柱体结构。取值情况如表4所示,其余参数不变,进行仿真。300 μs时的速度结果及300 μs时的EFP成型图如表4所示,速度折线图如图6所示。

图6 圆柱体-圆台组合型内嵌结构对EFP速度的影响

由图6可以发现,取值2的条件下EFP的飞行速度取得了最大值,是本组方案中的最大值。但是各组取值的条件下EFP速度的最大值与最小值相差不足1.5%,是误差允许的范围。因此可以推断:在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的速度影响不大。

由表4可以发现,在内嵌结构的形状及体积恒定的条件下,特征参数在适当范围内变化时,对EFP的尾部成型会有较大影响:随着内嵌结构的半径R1、R2增大,H1、H2减小,内嵌结构不断扁平化,对爆轰波的延迟范围不断扩大,使得爆轰波的传播路径产生更大范围的偏移,因而会对EFP尾部的气动外形产生较大的影响,尾部的凹陷先是逐步出现,之后又逐步出现凸起,随后凸起又逐渐减小,取值2的成型较为理想,底凹的形状结构能够有效的减小成型EFP的速度降,从而提升攻击效能。

通过计算可以得出表5数据。

表5 含有不同内嵌结构的EFP速度对比

由表5可以发现,在体积恒定的条件下,选用含有圆柱体型的内嵌结构,可以获得更高的平均速度,但是,选用含有圆柱体-圆台组合型的内嵌结构,可以获得更高的最大速度。

4 结论

通过对含有内嵌结构的紧凑型末敏弹EFP战斗部成型过程的数值仿真,得到以下结论:

1)对于圆柱体型、圆柱体-圆柱体组合型、圆柱体-圆台组合型3种内嵌结构而言,选用含有圆柱体型的内嵌结构,有利于EFP获得较高的平均速度,在加工环境恶略的条件下,选用此种结构有利于提升整批EFP的初始速度。但是,在加工精度较高的条件下,选用圆柱体-圆台组合型内嵌结构及合适的特征参数,可以获得结构密实、形状紧凑、长径比优良、初始速度较大、动能较大、气动外形合理的EFP。

2)在内嵌结构体积恒定的条件下,对于POLY-CARB材质的内嵌结构而言,特征参数和形状结构在适当范围内变化时,由于装药量一定,对EFP的速度影响不大,都在误差范围内。

3)在内嵌结构体积恒定的条件下,对于POLY-CARB材质的内嵌结构而言,特征参数和形状结构在适当范围内变化时,对EFP的尾部成型有较大影响,内嵌结构越扁平,对爆轰波的延迟范围越广,使得爆轰波的传播路径产生更大范围的偏移,因而EFP尾部的气动外形会有较大的改变。

文中为紧凑型末敏弹的战斗部内嵌结构的设计提供了一定的参考。

[1] 孔毓琦, 郭锐. 自锻破片在防空反导中的应用仿真 [J]. 江苏航空, 2010(增刊): 124-126.

[2] 陈亮, 刘荣忠, 郭锐, 等. 综合效应MEFP成型过程的数值仿真 [J]. 弹箭与制导学报, 2015, 35(3): 55-57.

[3] 郭凯. 新一代末敏弹战斗部设计 [D]. 南京: 南京理工大学, 2005.

[4] 李刚, 刘荣忠, 郭锐, 等. 偏心罩在内嵌馈电结构EFP战斗部中的应用 [J]. 高压物理学报, 2015, 29(6): 436-442.

[5] 张兵志, 徐龙堂, 王智慧, 等. 末敏弹EFP成型及侵彻过程仿真分析与试验研究 [J]. 兵器材料科学与工程, 2012, 35(4): 37-40.

[6] 李刚. 紧凑型末敏弹EFP战斗部技术研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

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基金项目:2015年度CAST-BISEE创新基金;南京理工大学毕业设计重点课题资助

邢柏阳(1992-),男,内蒙古呼和浩特人,博士研究生,研究方向:弹药灵巧化与智能化技术。

TJ410.33

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