大口径EFP侵彻典型装甲钢板过程的数值仿真与试验研究

叶 严，姚志敏，李金明，刘 波



大口径EFP侵彻典型装甲钢板过程的数值仿真与试验研究

叶 严1，姚志敏1，李金明2，刘 波1

(1.军械工程学院导弹工程系，河北 石家庄，050003；2.军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄，050003）

通过大口径EFP高速侵彻装甲靶板试验，以及利用AUTODYN-3D有限元仿真软件对整个侵彻过程进行数值模拟，研究了EFP开坑、稳定侵彻、尾翼侵彻和冲塞贯穿形成二次破片的物理过程，模拟结果与试验现象和理论分析均吻合较好，并从原理上分析了试验中各宏观现象产生的原因。研究结果不但认识了EFP侵彻装甲靶板的机理，也可以为聚能装药对典型装甲毁伤评估提供参考。

EFP；侵彻机理；装甲靶板；数值仿真

爆炸成型弹丸(EFP)利用聚能原理，通过装药的爆轰作用，使高温高压的爆轰产物作用于金属药型罩上，使药型罩材料发生极大的塑性变形而闭合形成具有较高质心速度(1 500~3 000m/s)和一定结构形状的弹丸，利用动能侵彻目标[1]。目前，国内外对EFP的成型及其影响因素和侵彻过程研究比较多[2-4]，但从原理上对整个侵彻过程进行细致分析的还比较少[5]。由于EFP在大炸高下能保持完整的弹丸特性来攻击装甲目标，其威力可达到在1 000倍装药口径的距离上穿透厚度相当于1倍装药口径的均质装甲[6]，所以抗EFP冲击是判断坦克装甲和混凝土工事防护能力的一个重要依据，研究EFP对装甲靶板的高速侵彻效应很有意义。

由于EFP高速侵彻装甲靶板过程十分复杂，仅靠理论分析和实验很难认识整个过程中所产生的侵彻效应。为此，本文在试验呈现侵彻现象的同时，结合AUTODYN有限元仿真软件[7]，采用光滑粒子流体动力（SPH）方法计算，对EFP从形成到侵彻完成的整个过程进行了数值模拟，并分析了侵彻过程中产生各现象的原因，从机理上研究了EFP对装甲靶板的高速侵彻效应。

1 试验布置与试验结果

1.1 EFP战斗部结构

图1为EFP战斗部结构图，EFP装药主要由药型罩、装药、壳体和起爆装置等组成，其中装药直径D为140mm，药型罩的内曲率半径1为144mm，外曲率半径2为137mm，罩顶壁厚为6mm。

图1 EFP战斗部结构图

1.2 试验原理及布置

本文选用装甲靶板作为侵彻对象，主要是因为国内外普遍采用此材料进行EFP的威力考核，具有普遍意义。试验中，聚能装药选用大口径140mm EFP试验弹，炸高为1 000mm，装药为8701炸药，装药高度102mm，药型罩材料为紫铜，变壁厚结构。装甲靶板的尺寸有两种，一种为300mm×300mm×40mm；另一种为400mm×400mm×45mm。靶板由专用钢制靶板支架固定，分别有0°、30°和45°的靶板支架（由于后效作用比较大，每做一次实验换一个靶板支架），置于回收水箱上，后效靶板置于水箱上方，距靶板1 000mm。在靶板上垂直放置一个高为1 000mm的炸高筒，并将EFP战斗部放在炸高筒上，药型罩口部朝下，正对靶板。校准完成后，采用制式电雷管起爆。试验布置情况见图2。

图2 试验布置情况示意图

1.3 试验结果

试验时对5发试验弹进行编号，并记录每发弹丸侵彻靶板的孔径、出入口直径、前后靶塑性变形区等数据。典型试验结果照片如图3所示，试验数据见表1 。

图3 典型试验结果照片

表1 试验方案与试验结果

如图3和表1所示，5次试验均出现以下现象：靶板入口卷边花瓣状破坏；出口具有明显拉伸断裂特征的外翻花瓣形穿孔；入口直径大于出口直径；前靶出现塑性变形区；从垂直侵彻到斜侵彻，穿孔的形状由圆形变成椭圆形，并且倾斜角度越大椭圆长短半轴比越大。

2 EFP侵彻过程数值模拟

2.1 基本假设

通常情况下，对某一问题的仿真分析必须先做一些假设，将复杂目标简化成可以建立数值仿真模型并保证目标真实特性的简单目标，这就要求对一特定的环境参数、几何条件进行简化，然后再运用数学计算的方法来对目标进行量化计算模拟。采用Backman和Goldsmith对于侵彻的假设如下：（1）靶板的响应集中在几倍于弹体直径的区域中，可忽略远离侵彻点的复杂边界条件；（2）忽略包括摩擦在内的热效应；（3）假定撞击面局部为平面。

2.2 计算模型

由于聚能装药结构比较复杂，在AUTODYN中无法对其进行网格剖分，故采用LS-DYNA建立炸药、药型罩以及靶板的有限元网格；为降低计算量，充分考虑模型的对称性，只建立其1/4模型，并生成文件；将LS-DYNA中生成的文件通过接口导入AUTODYN中，再将上述有限元网格通过SPH粒子替换，并赋予对应材料，炸药、药型罩和靶板分别设置粒子间距为0.6mm、0.4mm和0.6mm，变光滑长度，总粒子数为51 600个；EFP战斗部及靶板SPH模型建立过程如图4所示。

图4 EFP战斗部和靶板有限元模型

设置侵蚀准则，并保留侵蚀单元节点的初始惯性运动特性，以此来模拟靶后破片的飞散效果。根据模拟方案，考虑到SPH方法计算效率偏低，且对计算机要求较高，数值计算采用配置为Intel Xeon E5-2690 CPU，64 GB内存的工作站进行。

2.3 材料模型与参数

该仿真采用AUTODYN-3D，采用的单位是cm-g-μs，各部分材料参数大部分来自AUTODYN标准材料库，数值模拟中药型罩为紫铜、靶板材料为装甲钢，材料模型如表2所示。

表2 材料模型

药型罩及靶板材料模型均选用为Johnson-Cook 材料模型，并通过Gruneisen 状态方程描述其变形过程；8701 炸药采用JWL状态方程描述。首先对EFP垂直侵彻40mm厚均质装甲靶板进行了数值模拟，为验证材料模型、对应参数以及数值模型的可靠性，将所得结果与试验所得结果进行对比验证。

2.4 仿真试验结果分析

为直观反映EFP侵彻靶板的整个过程，选取具有代表性的各阶段的剖面图，如图5所示。

图5 侵彻过程

由图5可知，EFP对靶板的侵彻可分为4个阶段：

（1）开坑阶段(侵彻深度小于等于侵彻体直径)：此时的碰撞速度最高，产生的碰撞应力也最大，远远超过了EFP和靶板金属材料的动态强度，使靶板材料在碰撞的局部区域内发生破坏、变形，并向抗力最小的方向飞溅排出，形成了靶前破片。这时EFP上只作用有惯性力和压缩力，并不断地破坏、飞溅。同时在靶板表面产生了不断扩大的弹坑，在靶内建立起了相对稳定的高压、高应变和高变形率状态，使靶板周围快速形成塑性变形区和高温区，提供了有利于侵彻正常进行的条件，并自碰撞点向靶板中传入较强的球形冲击波，同时在靶板表面产生反射波和拉伸波。由于头部相对较尖，接触界面形成小面积凹陷，该阶段持续时间非常短暂，约4μs左右。图5中69~72μs时均属于开坑阶段。

（2）稳定侵彻阶段（鼓包形成）：在开坑阶段完成之后，弹靶材料继续不断地破坏、飞溅，EFP继续冲击靶板，冲击速度明显低于EFP速度，在此过程中EFP不断缩短，质点向侧向流动扩孔，使侵彻孔径明显大于EFP杵体直径。同时，杵体由于受到高温和磨蚀的作用，发生塑性变形，使其质量不断减少，动能降低，截面积增大，靶板内部孔径也随之增大，出现新表面。破碎的侵彻体碎片又不断地撞击弹坑的新表面，如此重复使弹坑不断加深。当EFP侵彻到靶板一定深度时，由于稳定侵彻及入射波和反射波的共同作用，在靶板的背面产生金属材料的塑性流动，进而形成鼓包区，鼓包近似为球缺形。如图5中72~84μs为稳定侵彻阶段。

（3）尾翼侵彻阶段：在84μs时尾翼开始撞击靶板，此时，EFP加速度增至最大，速度衰减最快，靶板孔径也增至最大，由于尾翼对入口的撞击作用，造成入口直径的进一步增大。约96μs时，靶板背面出现明显隆起，该现象对冲击过程将产生一定的影响，但由于材料没有出现破坏，又在一定程度上限制了该影响。因此，整个冲击过程中，靶板背面对侵彻的影响都很小，近似分析中可以不予考虑。

（4）冲塞贯穿阶段（鼓包的破裂直至靶后破片的形成）：随着侵彻的继续进行，EFP的磨蚀量增大，其截面积不断减小，孔径也随之减小，在EFP的侵彻和破片反挤的不断作用下，鼓包的高度不断增加，并因拉应力的持续增大而开始自外表面破裂。随后，随着靶板的抗剪切性能的下降，鼓包的高度继续增加，最终弹坑周围的鼓包区沿鼓包周边的应力集中及初始裂纹区域产生拉伸断裂，鼓包完全破裂。这时剩余EFP从鼓包中冲出，其后面跟随着侵彻体碎片和靶板材料的崩落碎片，形成具有杀伤力的靶后破片。如图5中114~168μs为冲塞贯穿阶段。

侵彻结束时装甲靶板的破坏特征主要有以下3种：一是入口呈现卷边花瓣状破坏，造成该现象主要是由于侵彻过程中靶板和EFP均呈明显的流体动力特性，在高速侵彻时质点流动产生的离心力和应力波反射产生的强拉伸应力共同作用，推动入口边缘外翻，使入口呈现花瓣状卷边破坏，这与试验现象基本一致；二是出口呈现外翻花瓣形穿孔且具有明显的拉伸断裂特征，主要是因为EFP在靶板内运动推动靶板背面出现隆起，隆起部分在侵彻过程后期受到EFP的推动进一步变形，最后拉伸应力超过材料的拉伸强度，在EFP四周产生星形裂缝，EFP贯穿靶板后，靶板的拉伸应力会把已产生裂缝的边缘拉住，并在强度较弱的地方断裂，形成出口处的外翻花瓣形破坏；三是靶板入口直径明显大于出口直径，且出现两头直径大中间孔径小的现象。分析侵彻过程可知，EFP尾翼对入口的扩孔作用是造成入口直径较大的主要原因，而侵彻过程中因磨蚀使得EFP直径和质量减少造成了靶板孔径缩小，随着EFP速度的降低，材料的主要变形破坏机制虽然仍是流体动力特征，但其塑性逐渐呈现，EFP出现一定的蘑菇头形状，造成侵彻孔径又有一定的扩大。

3 结论

本文通过数值模拟、试验研究和理论分析等方法得出以下结论：（1）从原理上给出了靶板出入口呈现不同花瓣状破坏、冲塞和入口直径明显大于出口直径等现象的物理原因。（2）从垂直侵彻到倾斜侵彻，穿孔的形状由圆形变成椭圆形，并且倾斜角度越大椭圆长短半轴比越大。（3）分析整个侵彻过程，可以得到一些提高装甲防护能力的措施，即采用爆炸反应装甲(ERA)来破坏或防止EFP开坑等。同时也可以发现EFP侵彻靶板除了需要较高的速度外，还需有足够的长度消耗在侵彻过程中，为此可通过适当方法(如改变药型罩结构)来增加EFP的长径比，从而提高其侵彻能力。

[1] 李向东,钱建平,曹兵等.弹药概论[M].北京:国防工业出版社,2004.

[2] 周翔,龙源,岳小兵.76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究[J]. 弹道学报, 2003,15( 2): 59-63.

[3] 魏涛,黄德武,吕国皓,等.药型罩厚度和炸药性能参数对爆炸成型弹丸的影响[J]. 沈阳理工大学学报, 2007, 26(6): 54-57.

[4] 高永宏,刘天生,王旭.小口径双金属药型罩EFP的侵彻效应研究[J].弹箭与制导学报, 2013 (04):83-86.

[5] 李传增,王树山,荣竹.爆炸成型弹丸对装甲靶板的高速冲击效应研究[J].振动与冲击,2011(04):91-94.

[6] 王儒策.弹药工程[M].北京:北京理上大学出版社,2002.

[7] Century Dynamics Inc. Autodyn user manual[M].Century Dynamics Inc, San Ramon, 2005

Numerical Simulation and Experimental Research on the Process of Large Caliber EFP Penetrating the Typical Armor Plate

YE Yan1, YAO Zhi-min1, LI Jin-ming2, LIU Bo1

（1. Missile Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003；2.Ammunition Engineering Department, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003）

Through the test of large caliber EFP penetrating into the armor target plate speedy, as well as the numerical simulation of the whole penetration process using the finite element simulation software AUTODYN 3D, the EFP open pit, steady penetration, tail penetration and plugging formed through a secondary fragment of the physical process, were studied. Simulation results with the experimental phenomenon and theoretical analysis are in good agreement, and the reasons of the macroscopic phenomena generation were analyzed in principle. The research results not only show the mechanism of EFP penetrating armour target board, but also provide a reference for shaped charge of typical armored damage assessment.

EFP；Penetration mechanism；Armor target；Numerical simulation

1003-1480（2016）02-0017-04

TJ410.3

A

2015-12-22

叶严（1991 -），男，在读硕士研究生，主要从事导弹装备仿真与控制研究。