不同网栅结构对MEFP成型影响的对比分析*

常变红，崔志琴，武　勇，臧立伟

（1.中北大学机电工程学院，太原　030051；2.中国兵器装备研究院，北京　102202）



不同网栅结构对MEFP成型影响的对比分析*

常变红1，崔志琴1，武勇1，臧立伟2

（1.中北大学机电工程学院，太原030051；2.中国兵器装备研究院，北京102202）

摘要：为了研究不同形状网栅结构对形成的MEFP破片的影响，利用LS-DYNA动力有限元程序，采用Lagrangian方法，分别对十字形网栅切割式MEFP战斗部、星形线形网栅切割式MEFP战斗部、中心圆环形网栅切割式MEFP战斗部、井字形网栅切割式MEFP战斗部成型过程进行了数值模拟研究，并对影响各自破片成型及发散角的因素进行了分析研究。通过对不同方案网栅切割式MEFP速度及散布面积对比分析，结果表明：采用井字形网栅产生的破片集聚性优于十字形、星形线形和中心圆环形结构方案。

关键词：爆炸力学，战斗部，网栅结构，多爆炸成型弹丸，数值模拟

0　引言

多模战斗部是当前成型装药技术研究的热点之一，可使弹药实现一弹多用，适时摧毁战场中出现的各类目标，成为目前战斗部技术发展的一个重要方向［1］。其研究的核心内容是在同一装药结构下形成不同的毁伤元，包括射流（JET）、高速杆式侵彻体（JPC）、爆炸成型弹丸（EFP）及定向破片［2］。

网栅切割式MEFP战斗部正是在这一背景下应用而设计的一种新型战斗部，其采用与单EFP装药相同的单一药型罩结构，在药型罩前加装一个可抛掷的切割网栅，用于切割处于变形过程中的药型罩［3］。当要求战斗部正常作用形成单一弹丸时，切割网栅在战斗部作用前被抛开，形成飞行稳定的爆炸成型弹丸，用于远距离攻击轻型装甲目标；当要求战斗部形成多个弹丸时，切割网栅作用切割形成弹幕，用于近距离拦截和引爆来袭弹药［4］、大密度地攻击集群坦克和武装直升飞机，对目标造成大面积的毁伤，有效提高武器系统的毁伤效能。

事实上，切割网栅的几何形状是影响破片的战术技术指标的一个重要因素。设计切割网栅结构时，既要考虑形成的EFP破片形状具有一定的均匀性和气动性，还要考虑形成的EFP破片要有一定的长径比和侵彻能力，以提高其毁伤效率。因此，分析不同网栅结构对MEFP成型性能的影响，对切割式MEFP战斗部的网栅结构进行优化设计，形成具有气动性能好、稳定性好、穿透能力强的破片，增加其毁伤效能具有一定的现实意义。

1　不同形状的网栅结构

切割网栅的结构和外形可以根据实际需求而设计，可以是十字形、中心星形线形、中心圆环形、井字形等形状，如图1所示。切割金属丝的横截面可以是圆形、矩形、正方形、三角形、多边形等形状，可根据工艺水平加工所需截面形状的切割金属丝；切割金属丝的材料一般选用铅锑合金、铝合金、铜、钢、钨等。

图1　不同形状网栅切割结构

设计的网栅切割式MEFP战斗部结构参数为：药型罩采用等壁厚球缺罩，口径为90mm，壁厚为4mm，曲率半径为120 mm；装药直径为90 mm，装药高度为90 mm；壳体厚度为2 mm；起爆方式选择中心单点起爆。网栅形状为图1所示的4种结构，网栅与药型罩的间距为6 mm；网栅金属杆的横截面形状为正方形，边长为1.0 mm；截面过大导致药型罩形成破片的质量损失较大，而截面过小，不能将药型罩切开，达不到设计要求。

图2　网栅切割式MEFP战斗部结构示意图

2　MEFP成型数值计算模型

应用Truegrid软件建立网栅切割式MEFP战斗部的有限元计算模型，然后运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同结构的网栅切割式MEFP成型过程进行数值模拟，单元算法采用多物质Euler算法来模拟炸药的爆轰和药型罩的压垮及MEFP成型过程，且Euler网格范围足以覆盖爆轰产物和MEFP飞行空间。网格单元选用Solid164八节点六面体单元，计算中采用的单位制为：mm-ms-kg-Gpa。根据装药结构的对称性，建立1/4模型，以节省计算时间与周期。起爆方式选择单点起爆，起爆点在装药底面圆心处。

在数值模拟中，药型罩材料选用铜、壳体材料选用钢、网栅材料选用钨，使用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程来描述药型罩在爆轰波作用下的动力响应行为，可用来模拟高应变条件下的材料变形问题［5］。Gruneisen状态方程表达式在压缩状态时压力p为

在膨胀状态压力p为

式中：c是声速；μ=1/V-1，V是爆轰产物初始相对体积；s1、s2和s3是流体状态方程系数；E是爆轰产物单位体积的内能；γ0是Gruneisen系数；ρ0是初始密度；a是对γ0的一阶修正。铜的主要材料模型参数分别为：ρ=8.96 g/cm3，G=47.7 GPa，E=137 GPa；钢的主要材料模型参数为：ρ=7.89 g/cm3，G=77 GPa，E= 200 GPa；钨的主要材料模型参数为：ρ=19.3 g/cm3，G=160 GPa，E=1 510 GPa。

计算中使用8701炸药，选用高能炸药材料模型和JWL状态方程。JWL状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性。主要材料模型参数为ρ0=1.71×10-3g/cm3，D=7 980 m/s，pCJ=29.5 GPa，E0=8.35 GPa。空气材料采用MAT_NULL模型，状态方程为线性多项式，用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL来描述，主要参数为：密度ρ0=1.293×10-3g/cm3，声速C=340 m/s，初始相对体积V0=1.0。

3　不同网栅结构对MEFP成型影响分析

本文从十字形、中心星形线形、中心圆环形、井字形网栅结构出发，以切割形成的MEFP破片速度分布和发散角α为指标，对不同网栅结构参数对MEFP成型影响分别进行数值模拟研究。

3.1MEFP破片发散角概念确定

图3　MEFP破片发散角示意图

考虑到不同网栅结构形成的MEFP破片数目和形状不同，为了对MEFP破片发散角统一定义，在此不考虑网栅随药型罩质量损失的影响，以药型罩的初始状态分析，如图3所示。

药型罩经网栅切割后形成的若干个MEFP破片将存在一定的发散角，而发散角的大小将直接影响到MEFP破片束的侵彻威力与毁伤面积，是不容忽视的重要指标。因此，MEFP破片的发散角必须得到控制。

由图3可以看出：经网栅切割后形成的MEFP破片发散角［6］为：

式中：S为战斗部药型罩与MEFP破片飞行位置之间的水平距离，H为MEFP破片的发散半径。

3.2不同网栅结构对MEFP成型的影响分析

主装药起爆后，药型罩在爆炸载荷作用下，翻转、压缩，形成爆炸成型弹丸，所形成的爆炸成型弹丸通过金属网栅，被切割成不同的EFP破片单元，形成新的毁伤元。4种不同网栅结构形成的MEFP数值模拟结果和MEFP性能参数如表1所示。

表1　不同结构方案网栅切割式MEFP速度对比分析

由表1可以看出，在装药结构相同的情况下，结构方案a得到的破片形状不均匀，原因是药型罩的中心部分首先受到爆轰波作用，所以中心部分速度高于周边部分，而且药型罩体除获得较高的质心速度外，罩微元还获得沿轴向近似呈线性分布的轴向及径向速度。由于有径向速度的存在，罩微元必定向中间挤压，如果此时罩的中心部分与切割网栅发生碰撞，即使分割得很好，在随后的过程也必将向中间运动，使其得到的MEFP破片形状不均匀，气动性下降；而b、c、d 3种结构方案都避开了药型罩的中心部分，主要对药型罩靠近罩口部分进行作用，使得其中心部分的速度梯度在一定范围内增大，从而长径比增大，而其他部分的径向速度本来就比较低，因此，分割开后向中间的运动不会很明显，最终形成的MEFP破片形状比较均匀。MEFP战斗部经星形线形网栅结构（b方案）切割后形成的5个破片形状较十字形网栅均匀，故气动性优于十字形网栅切割式MEFP。但星形线形网栅结构造成了药型罩切割时发生更多的质量损失，并且由于星形线4个内角的存在，使得切割后形成的破片在飞行过程中更容易发生边缘崩落。而中心圆环形网栅结构（c方案）较星形线形网栅采用边缘平滑过渡，MEFP破片成型效果优于星形线形网栅切割式MEFP，在设计切割网栅时应尽量避免锐角结构，保证MEFP破片有较少的质量损失，从而提高MEFP破片的侵彻威力。采用井字形网栅结构（d方案）可以在原来的单个EFP装药结构的基础上产生9个具有一定威力和方向性的破片，MEFP破片数量、速度均优于a、b、c方案。从表1中可以看出，4种结构方案所形成的MEFP破片束平均速度基本相同，说明网栅结构对MEFP破片束的速度影响不大。

由表1可以看出，在装药结构相同的情况下，不同结构方案的网栅切割式MEFP发散角有较大差别。a、b、c、d 4种结构方案形成的MEFP破片发散角由小到大依次为：a方案＜b方案＜c方案＜d方案。原因是：切割网栅形状决定了药型罩与网栅碰撞时接触面积的大小，从而决定了由此引起的药型罩质量损失多少。4种结构方案中，十字形网栅与药型罩的接触面积最小，因而药型罩质量损失最小，导致形成的破片质量最大；而井字形网栅与药型罩的接触面积最大，因而药型罩质量损失最大，导致形成的破片质量最小。根据能量守恒定律，MEFP破片的质量减小，其轴向和径向速度也会相应增大，最终造成切割形成的MEFP发散角逐渐增大。所以，4种结构方案中，十字形网栅切割式MEFP发散角最小，而井字形网栅切割式MEFP发散角最大。相比b、c两种结构方案，药型罩与网栅碰撞时接触面积相同，但相对于中心圆环形网栅切割式MEFP发散角，星形线形网栅切割式MEFP发散角较大。因为星形线形网栅中4个内角结构造成了药型罩在切割后形成的破片在飞行过程中发生了较多的边缘崩落，即质量损失。根据能量守恒定律：破片的质量减小，其轴向和径向速度也会相应增大，最终导致MEFP发散角逐渐增大。所以星形线形网栅切割式MEFP发散角略大于中心圆环形网栅切割式MEFP发散角。对比4种结构方案，采用井字形网栅（d方案）产生的MEFP破片集聚性优于a、b、c方案。

4　结论

本文运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对十字形、中心星形线形、中心圆环形、井字形网栅切割式MEFP战斗部成型进行了数值模拟研究，并以切割形成的MEFP破片速度分布和发散角α为指标，对不同网栅结构参数对MEFP成型影响进行了分析，结果表明：

①设计的4种结构的网栅切割式MEFP战斗部，在爆炸载荷作用下，通过切割网栅的作用，可以将一个爆炸成型弹丸切割成多个MEFP破片，形成MEFP弹幕，可用于近距离拦截和引爆来袭弹药，大密度地攻击集群坦克和武装直升飞机，大大提高弹药的命中概率和毁伤概率。

②对于同一装药，在4种网栅结构切割作用下，所形成的MEFP破片束的平均速度相差不大，说明网栅结构对形成的MEFP破片束速度影响较小。

③网栅结构对切割形成的MEFP破片束的发散角影响较大，发散角由小到大为：十字形、中心星形线形、中心圆环形、井字形网栅切割式MEFP战斗部。综合分析，采用井字形网栅结构的战斗部产生的MEFP破片集聚性优于采用其他结构方案战斗部。

参考文献：

［1］张洋溢，龙源，余道强，等.多模战斗部中定向破片的发散角分析［J］.解放军理工大学学报（自然科学版），2010，11 （4）：468-472.

［2］李伟兵，王晓鸣，李文彬，等.隔栅对EFP破片成型及侵彻的影响［J］.南京理工大学学报（自然科学版），2009，33 （5）：586-591.

［3］尹建平.多爆炸成型弹丸战斗部技术［M］.北京：国防工业出版社，2013.

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［5］尹建平，付璐，王志军.网栅切割式多爆炸成型弹丸战斗部正交优化设计［J］.弹箭与制导学报，2012，32（2）：69-72.

［6］CHANG B H，YIN J P，CUI Z Q，et al. Numerical simulation of modified low-density jet penetrating shell charge［J］. International journal of simulation modelling，2015，14（3）：426-437.

Comparative Analysis on Different Bar- Cutting of Structure for MEFP Formation

CHANG Bian-hong1，CUI Zhi-qin1，WU Yong1，ZANG Li-wei2
（1. School of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2. China Ordnance Equipment Research Institute，Beijing 102202，China）

Abstract：In order to study the effects of different shapes mesh structure on the MEFP fragments formed，Numerical simulation of the shaping process of cross-cutting type mesh MEFP warhead，star linear mesh Cutting MEFP warhead，center cut circular mesh type MEFP warhead，well-shaped mesh cutting MEFP warhead is carried out respectively with the Lagrangian method using LS-DYNA，and the impact of each fragment and the divergence angle forming factors are analyzed. In this paper，the different program network speed and compare MEFP gate cutting style spread area of analysis. The results indicate that using well-shaped mesh generates fragments agglomeration resistance than by cross，star linear and circular center structure program.

Key words：explosive mechanics，warhead，bar-cutting structure，multiple linear explosively formed penetrator，numerical simulation

中图分类号：TJ413.+2

文献标识码：A

文章编号：1002-0640（2016）05-0076-04

收稿日期：2015-05-05修回日期：2015-06-07

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（11572291）

作者简介：常变红（1978-），女，山西寿阳人，讲师。研究方向：弹箭数值仿真技术。