壳体对串联EFP成型影响的数值模拟

山西中北大学机电工程学院　姜弛　王义磊

壳体对串联EFP成型影响的数值模拟

山西中北大学机电工程学院姜弛王义磊

本文运用LS-dyna数值模拟软件对钢外壳双层药型罩串联EFP成型过程进行数值仿真，采用理论分析和数值仿真结合的方法对EFP外壳厚度变化与药型罩成型规律之间的关系进行研究。结果显示，在0.03≤δ/Dk≤0.04的情况下，铜铁药型罩EFP的成型效果更好。

药型罩；串联EFP；结构参数；双层

引言

现代战争中，为了应对聚能射流的高穿射能力，反应装甲的大规模配装已成为主流。为了应对反应装甲，爆炸成型弹丸（EFP）应运而生。EFP基本原理是：药型罩在爆轰波的作用下，形成高速“弹丸”，撞击目标实现对目标的侵彻，其特点是“弹丸”具有穿孔直径以及后效作用大、抗旋转，因此在军事上得到了广泛应用。本文所要研究的是串联EFP的外壳厚度对其成型与速度的影响。对钢壳体的EFP战斗部的结构设计研究人员已经做了大量的研究，并得到了指导性的言论［1］。设计合理的壳体结构不仅可以使EFP更加有效地侵彻反应装甲，也可以为后续的研究工作做下铺垫。

1　计算模型

1.1爆炸成型弹丸几何模型建立

计算模型采用如图1所示的典型球缺药型罩EFP战斗部装药，装药为B炸药，药型罩为双层药型罩串联结构，壳体的材料为钢，起爆模式为中心起爆。图1中各参数的物理意义如下：R为外罩曲率半径；δ为壳体厚度，L为装药长度，Dk为装药直径。

1.2有限元模型的建立及网格划分

本文采用LS-dyna进行EFP数值模拟，为减少运算量建模采用轴对称1/2建模，因此采用LS-DYNA-2D来模拟EFP成型过程。图2为网络模型。采用Lagrange算法，炸药和金属罩之间的接触使用*CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接触算法，计算过程中使用小型重启动分析。50μs后炸药基本爆轰完毕，对药型罩影响很小，因此将删除炸药PART和接触。计算时间为500μs。

图1

图2

1.3材料模型

1.3.1炸药

此次采用B炸药，该炸药的主要参数见表1。

表1　B炸药参数

JWL状态方程精确地描述了在爆炸过程中爆轰气体的压力、体积、能量特性，JWL状态方程的表达式为：

式中：A、B、R1、R2和ω为输入参数，E0为初始比内能，参数如表2所示。

表2　输入参数

1.3.2药型罩和壳体

药性罩［2］材料分别采用紫铜和铁，壳体采用钢材料。材料模型采用Johnson-cook，材料参数见表3。状态方程采用Gruneisen状态方程，式中参数见表4，其表达式为：

表3　材料参数

表4　状态方程参数

2　数值模拟

2.1壳体对EFP成型的影响

为了研究EFP钢外壳厚度对双层药型罩成型的影响，设置了δ/Dk分别等于0、0.02、0.03、0.04、0.05时成型EFP的长径比，按照外罩为铜、内罩为铁的结构模拟EFP长径比与外壳厚度和装药直径的比值的变化规律，如图3所示。EFP速度与外壳厚度和装药直径的比值的变化规律，如图4所示。结果显示，随着δ/Dk的增大，内外罩对应的EFP的速度都在增大。在δ/Dk＜0.03时内外罩的速度相差不大，随着壳体厚度增加内外罩对应的EFP速度才逐渐分开并逐渐拉大。内罩EFP的长径比随着δ/Dk的增大变化不大，维持在3～5.5，而外罩的长径比却随δ/Dk的增大逐步减小，并且在δ/Dk=0.04之后发生交汇并从此大小发生逆转。

图3

图4

3　结论

在δ/Dk≥0.03时铜铁药型罩形成的EFP的速度才发生分离，然而前后EFP必须拥有一定的速度差才能在飞行一段时间后形成接触反应装甲的时间差，从而达到更优的侵彻效果。

在模拟过程中发现不同壁厚下的炸药爆轰应力分布也不同，其原因可总结为不同壁厚反射回来的二次波的传播方向和幅值都不同，幅值是随着壁厚的增大而增大，所以作用在药型罩上，产生的结果也不同，从而会产生不同长径比的EFP。

研究员［3、4］对EFP单层药型罩成型后EFP长径比随外壳厚度变化趋势的研究结果表明，EFP长径比的变化趋势是随着δ/Dk的增大而减小，与双层药型罩中外罩形成的EFP的变化规律相同。然而随着壳体厚度增大，内外罩形成的EFP的长径比大小出现逆转，在δ/Dk=0.04之后，外罩的长径比将小于内罩的长径比。从靶板侵彻［5］的角度来讲，内罩先接触靶板，而外罩后接触靶板。从前人得到的规律得知，随着EFP长径比逐渐减小，其侵彻深度也是逐渐减小，但孔径却是逐渐变大的，所以作为开孔打穿为优先选项的EFP，推荐EFP长径比较小；而作为扩孔为主要功能的EFP则推荐EFP的长径比较大。

综上所述，在铜铁药型罩0.03≤δ/Dk≤0.04时内罩长径比要小于外罩长径比，会有更优的成型效果。

［1］周翔，龙源，岳小兵.76毫米口径EFP成型过程数值模拟及影响因素研究［J］.弹道学报，15（2），2003：59～63.

［2］范斌，王志军，王辉.多爆炸成型弹丸成型的数值模拟［J］.弹箭与制导学报，30（1），2010：124～126.

［3］蒋建伟，杨军，门建兵，罗建.结构参数对EFP成型影响的数值模拟［J］.北京理工大学学报，24（11），2004：939～941.

［4］门建兵，蒋建伟，杨军.串联EFP成型与侵彻的数值模拟及实验研究研究［J］.北京理工大学学报，30（4），2010：383～386.

［5］王建，曹红根，周剪隆.EFP侵彻爆炸反应装甲过程研究［J］.南京理工大学学报（自然科学版），32（1），2008：9～12.