多点起爆对双层药型罩爆炸成型弹丸成型及侵彻特性的数值模拟研究

龙源， 刘健峰， 纪冲， 钟明寿， 刘影， 周辉

(解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007)

多点起爆对双层药型罩爆炸成型弹丸成型及侵彻特性的数值模拟研究

龙源， 刘健峰， 纪冲， 钟明寿， 刘影， 周辉

(解放军理工大学 野战工程学院， 江苏 南京 210007)

起爆方式对双层药型罩爆炸成型弹丸(EFP)成型特征参数及终点毁伤效应具有重要影响。基于双层药型罩EFP战斗部静爆试验结果，利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元动力学软件研究了起爆点数目对双层药型罩EFP战斗部成型及侵彻特性的影响规律。研究结果表明：当起爆点数目在4～8时，双层药型罩EFP战斗部可起爆成型具有良好空气动力学特性及优良终点毁伤效应的带尾翼大长径比聚能侵彻体；当起爆点数目为6时，双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体终点毁伤效应的最大侵彻深度达到1.07倍的装药口径，较端面单点中心起爆方式获得侵彻体侵彻钢靶的最大深度提高了32%.

兵器科学与技术； 双层药型罩； 多点起爆； 成型； 侵彻

0 引言

随着重装甲、复合装甲以及爆炸反应装甲的出现，传统聚能装药面临着严峻的挑战。同轴爆炸成型弹丸(EFP)是近几年提出的新概念战斗部[1-4]。这种聚能战斗部在一个主装药的基础上，沿同一轴线设置两层药型罩，一次起爆即可生成一个大长径比的侵彻体或两个随进的侵彻体。Tosello等[5]研究了能够有效攻击舰船和潜艇的钽、镍组合双层球缺罩战斗部； Weiman等[6]通过调整药型罩的几何外形和接触面条件，获得了前段材料为钽、尾端材料为铁的长径比约为5.5的侵彻体。然而，目前双层药型罩EFP战斗部的研究多是基于战斗部端面单点中心起爆条件下侵彻体成型特征参数优化设计的大量分散试验、预研结果的分析，针对战斗部成型及终点毁伤效应的一体化考察，缺乏系统而有效的评估方法。

双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体特征参数受战斗部结构、药型罩及装药材料和起爆方式等多种关键因素影响。对于某类确定型号的战斗部，起爆方式成为改变其终点毁伤效应输出的重要影响变量，就起爆方式而言,主要包括单点起爆、多点起爆和环形起爆3种主要形式。针对多点起爆影响战斗部毁伤效应的输出，国内外学者开展了一系列的研究工作。刘建青等[7]针对端面3点起爆模式开展了带尾翼EFP成型机理的研究，通过数值计算和试验验证的手段获得了星形尾翼明显、气动力学参数优良的EFP。李伟兵等[8]通过改变延迟时间和延迟点数研究了6点起爆网络中起爆同步精度对成型侵彻体特征参数影响规律，研究结果认为横向速度梯度是引起成型侵彻体弯曲变形的主要原因。韩克华等[9]采用有限元程序AUTODYN分别进行了冲击片雷管3点、4点、6点、8点同步起爆爆轰波压力值的数值模拟并采用锰铜测压方法测试了多点冲击片雷管的同步起爆爆轰波压力。研究结果表明，4点冲击片雷管爆轰波压力平均值相比3点、6点、8点高。多点起爆在改善聚能装药战斗部成型侵彻体气动稳定性、提高战斗部终点毁伤效应方面具有很高的应用价值，但是针对多点起爆方式下双层药型罩EFP成型特性及终点毁伤效应的考察尚无先例。

本文以具有弧锥结合型双层药型罩的EFP战斗部静爆试验为基础，通过改变起爆点数目研究其对战斗部成型及终点毁伤效应的影响规律，为进一步优化工程设计提供有价值的参考。

1 双层药型罩EFP成型及侵彻过程与分析

1.1 双层药型罩EFP战斗部

设计了具有弧锥结合型药型罩、装药直径60 mm的双层药型罩EFP战斗部，结构示意图如图1所示。该战斗部的两层药型罩紧密贴合在一起且两罩之间存在自由面，即可以自由滑动和碰撞。为了方便对战斗部结构参数的描述，规定靠近炸药的药型罩为内罩，内罩厚度为2.4 mm；远离炸药的药型罩为外罩，外罩厚度为1.1 mm. 内、外药型罩的材料均为紫铜。图2是双层药型罩EFP战斗部试验照片。

图1 双层药型罩EFP战斗部结构Fig.1 Geometrical structure of EFP warhead with double-layer liners

图2 双层药型罩EFP战斗部试验照片Fig.2 Experimental photograph of EFP warhead with double-layer liners

1.2 数值计算模型

图3 有限元计算模型(1/2模型)Fig.3 Simulation model (1/2 model)

根据战斗部结构，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立了双层药型罩EFP战斗部及钢靶的三维有限元计算模型，如图3所示。为了能清楚地描述两药型罩的压垮成形及侵彻钢靶的过程，对于壳体、炸药、药型罩和45号钢靶实体部件均采用Lagrange网格和Solid164实体单元。因为聚能装药具有对称性，建立了1/2三维有限元实体模型。该战斗部装药为8701炸药，计算采用高能炸药材料模型[10]，其爆轰产物压力利用Jones-Wilkins-Lee(JWL)状态方程描述，金属药型罩及钢靶的动力响应过程选取Johnson-Cook材料模型[11]和Grüneisen状态方程[11]联合描述，具体材料参数参考文献[10,12-13]。

表1是单层和双层药型罩EFP战斗部的成型过程。从表1中可以看出，炸药起爆后药型罩被加速驱动、翻转成型，单层药型罩翻转成形速度为1 500 m/s、长径比为2.28左右的聚能侵彻体，两层紧密贴合在一起的药型罩逐渐形成两个具有良好外形的侵彻体。数值计算结果表明，在160 μs左右，两侵彻体的平均速度为1 625 m/s.

表1 单层及双层药型罩EFP战斗部成型过程(单点起爆)

Tab.1 Formation processes of EFP warheads with single- and double-layer liners(single point of initiating)

1.3 双层药型罩EFP成型及侵彻

为了考察双层药型罩EFP战斗部毁伤元终点毁伤效应的影响，试验设置如图4所示。试验结果表明，在40 cm炸高范围内两弹丸尚未发生分离，因此此时测得的侵彻体速度可以近似处理为内外药型罩成型侵彻体的平均速度。试验过程中通过在不同炸高处的两块铝箔靶测量成型侵彻体的平均速度为1 579 m/s，这与数值计算结果的误差小于3%，说明了数值计算结果的准确性。

表2是双层药型罩EFP终点毁伤效应计算结果与试验结果对比图形，其中单层药型罩EFP终点毁伤效应作为对照试验。一方面，双层药型罩EFP战斗部成型聚能侵彻体的最大侵彻深度可以达到4.5 cm左右，约为0.75倍装药口径左右，相比于具有相同装药结构EFP战斗部成型侵彻体最大侵彻深度3.4 cm，提高了约32.4%左右。另一方面，两种战斗部成型侵彻体对钢靶毁伤效应的数值计算结果要略大于试验结果，这主要是由于数值计算过程中为简化计算模型，将3层紧密结合在一起的钢靶统一设置为一层尺寸为φ10 cm×8 cm的钢靶，而试验过程中两层靶之间会不可避免地发生一定塑性变形而产生能量损耗。目前研究结果表明[14]，对于高速运动钝头弹丸侵彻多层靶与侵彻等厚度的单层靶时，这种差别可以近似忽略不计。因此，本文利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件针对双层药型罩EFP战斗部进行仿真模拟的数值计算模型及材料参数的选择是可靠的，可以用于拓展工况类型，进行各种参数变化对双层药型罩EFP成型及侵彻特性的研究。

表2 双层药型罩EFP速度及终点毁伤效应计算结果与试验结果Tab.2 Numerical and experimental results of EFP with double-layer liners

图4 双层药型罩EFP战斗部静爆试验设置Fig. 4 Experimental setup of terminal effects

2 起爆点设置

起爆点数目的增减主要会引起炸药起爆后药柱中传播爆轰波形的改变进而影响聚能侵彻体稳定成型后的特征参数，通过调整起爆点数目可以实现提高炸药能量利用率、改善成型侵彻体气动参数[7]等目标，但是由于多点起爆方式在具体试验操作中难以保证精准控制[15]，因此在战斗部结构优化设计中并未得到广泛的实际应用。为了准确表征起爆点数目与双层药型罩EFP战斗部起爆成型聚能侵彻体特征参数之间的关系，本文主要通过数值模拟的方法研究起爆点数目N对成型侵彻体特征参数的影响规律。本文研究的多点起爆模式为在装药端面底部半径为r圆环上均布起爆点，图5为4点起爆时起爆点分布示意图。数值计算中r=1 cm，针对起爆点数目N分别为2、4、6、8和环形起爆5种工况分别进行研究。

图5 起爆点位置示意图Fig.5 Position of initiation point

3 起爆点数目对双层药型罩EFP成型及侵彻特性影响

3.1 起爆点数目对双层药型罩EFP成型特性影响

表3为同一时刻不同起爆点数条件下内外药型罩表面压力分布(时间t=7 μs)。由表3可以看出，起爆点数目主要从药型罩表面压力分布形状及压力大小两个方面影响双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体的特征参数。一方面，随着起爆点数目的增多，沿药型罩表面压力投影的形状分布模式逐渐由两球面波叠加依次变为4球面波叠加、6球面波叠加、8球面波叠加，投影形状逐渐由轴对称模式转近似变为中心对称模式。点起爆点数目N=8时，沿药型罩表面压力分布的形状已经开始接近于环形起爆模式条件下药型罩表面压力分布形状。对于药型罩表面压力按轴对称模式分布的情况(N=2，N=4，N=6)，在对称轴区域出现应力的集中点，其原因为:装药端面多点对称起爆时，由于各起爆点同时发出等强度的C-J爆轰波，爆轰波碰撞使相邻两起爆点的对称平面处出现超压现象。在药型罩边缘处爆轰碰撞区域微元所受的爆轰波冲击能量高于非碰撞区域会促使药型罩自身产生不同步翻转，稳定成型的双层药型罩EFP尾部必然形成对称均布的突起，产生尾翼效应，且尾翼个数与起爆点数相对应。另一方面，当起爆点数目N=2时，内层药型罩表面的局部超压峰值为54.74 GPa，当起爆点数目N=4时，药型罩表面的局部超压峰值为61.68 GPa，同比增长了12.68%. 随着作用于药型罩表面冲击波压力值的增大，药型罩微元获得的压垮速度也会随之提高，形成侵彻体的相应特征参数都随之增大。当起爆点数目超过4时，药型罩表面压力值变化幅值不大。另外，沿药型罩轴向传播的冲击波经过内罩后冲击外罩，由于内罩对冲击波的缓冲吸收效应，外层药型罩的动态响应过程要滞后于内层药型罩并且冲击波沿外罩径向传播发生碰撞时应力集中点的峰值压力也略有衰减。

表3 不同起爆点数药型罩表面压力分布(t=7 μs)

Tab.3 Pressure distribution on the liners at different initiation points

表4是不同起爆点数目成型双层药型罩EFP弹体及尾翼的情况。数值计算结果表明，在t=160 μs时刻不同工况条件下战斗部成型两EFP基本不再发生相互作用，其特征参数(速度、长径比及外形等参量)亦趋于稳定。因此取t=160 μs时刻双层药型罩EFP的不同特征参量作为比较的依据。从表4中可以看出炸药起爆后，双层药型罩EFP战斗部均成型了具有对称性尾翼结构的大长径比聚能侵彻体，其空气动力学特性会得到明显改善，特别针对远距离目标进行攻击时，其终点毁伤效应会显著提高。起爆点数目与稳定成型双层药型罩EFP尾翼数目一一对应。随着起爆点数目N的增大，双层药型罩EFP分别形成了1对、2对、3对和4对对称型尾翼，相较于传统EFP战斗部端面单点中心起爆后成型具有较大空气阻力的尾裙结构，对称型尾翼可以确保侵彻体飞行过程中较高的稳定性和较小的速度降。两点起爆条件下，战斗部成型具有1对偏置尾翼的聚能侵彻体且侵彻体主体部分呈现扁平状，侵彻体在远距离飞行过程中由于流场分布的不对称性亦发生飞行失稳。当起爆点数目N=8时，炸药起爆后成型了4对对称型尾翼，但此时尾翼与侵彻体的主体部分分离程度不明显[16]，尾翼结构与环形起爆成型的尾裙结构类似，侵彻体远距离飞行时空气阻力增大，战斗部终点毁伤效应下降。当起爆点数目N=4或N=6时，双层药型罩EFP战斗部成型了尾翼对数与起爆点数目相等的对称型双层药型罩EFP且此时侵彻体的主体部分亦呈现高度的流线型对称性，确保了侵彻体远距离飞行时的稳定性，这种战斗部更加适合远距离精准攻击目标。

表4 不同起爆点数目成型双层药型罩EFP外形(t=160 μs)

Tab.4 Shapes of double layer liners EFP formed at different initiation points(t=160 μs)

图6 起爆点数目对成型侵彻体获得动能的影响(t=160 μs)Fig.6 Influence of initiation points on kinetic energy(t=160 μs)

多点起爆条件下，由相邻两点起爆后产生的爆轰波碰撞在装药局部产生超压，炸药得到充分爆轰后其能量利用效率必然会提高。除此之外，作用于药型罩表面爆轰波压力峰值的增大会使药型罩微元获得的压垮速度提高，形成侵彻体的相应特征参数亦随之增大。图6是起爆点数目对成型侵彻体获得动能的影响，从图6中可以看出，随着起爆点数目的增加，内外药型罩成型的侵彻体获得的动能Ek,i、Ek,o均不断增大，但是当起爆点数目超过4后即便是环形起爆(可以视作在同一起爆半径上均与分布无穷多个起爆点)，各成型侵彻体获得的能量以及两侵彻体的总能量Ek,tot基本保持不变。相较于两点起爆，当起爆点数目达到4点后，侵彻体获得能量增长约7.5%. 可见通过增加起爆点数目只能有限制地提高炸药的能量利用率，当起爆点数目超过4后，成型侵彻体获得动能的总量基本不发生变化。这与Bourne等[17]研究得到的结果一致，即4点以上的多点起爆与环形起爆的效果相差不大。根据侵彻体动能的计算公式Ek=0.5mv2，在忽略侵彻体成型过程中质量的损失条件下，侵彻体动能改变的唯一原因就是其速度发生了相应变化。图7是起爆点数目对双层药型罩EFP速度的影响，从图中可以看出内外药型罩成型侵彻体速度vi、vo的变化与其动能的变化比较接近。当起爆点数目达到4点后，内罩成型侵彻体的速度稳定在1 550 m/s左右，外罩成型侵彻体的速度稳定在1 750 m/s左右。

图7 起爆点数目对双层药型罩EFP速度的影响(t=160 μs)Fig.7 Influence of initiation points on velocity(t=160 μs)

另外，随着起爆点数目的增多，成型侵彻体的长径比η也明显得到提高。图8是t=160 μs时刻起爆点数目对双层药型罩EFP毁伤元长径比的影响规律，其中双层药型罩EFP毁伤元长径比是指内外罩形成前后串联在一起的侵彻体长度与侵彻体平均直径的比值。从图8中可以看出，随着起爆点数目的增多，双层药型罩EFP毁伤元长径比逐渐增大，但是增大的幅度逐渐减弱，在环形起爆的极限条件侵彻体的长径比(η=4.90)比2点起爆时侵彻体的长径比(η=2.76)增长约77.5%，可见起爆点数目能够明显提高成型侵彻体的长径比，进而提高战斗部终点毁伤效应。

图9 起爆点数目对双层药型罩EFP战斗部终点毁伤效果的影响Fig. 9 Influence of initiation points on terminal effect of EFP warhead with double-layer liners

图8 起爆点数目对双层药型罩EFP毁伤元长径比的影响(t=160 μs)Fig.8 Influence of initiation points on length-diameter ratio (t=160 μs)

在工程设计中，起爆点数量的选择还应该考虑其他方面的因素，比如装药物理尺寸较小会在空间上限制起爆点的设置，起爆点数目越多其起爆设置、起爆精度及起爆时差等因素越难以控制等，根据本文的研究结果，建议根据毁伤目标特性将起爆点数目设置为4～8个。

3.2 起爆点数目对双层药型罩EFP侵彻特性影响

图9是不同起爆点数目影响双层药型罩EFP战斗部终点毁伤效应(横截面)示意图。从图9中可以明显看到：当起爆点数目为2点或者4点时，双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体对钢靶的终点毁伤效应效果较差，主要体现在穿孔形状较为不规则，穿孔深度相对较小；当起爆点数目超过4点时，双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体对钢靶的终点毁伤效应效果较好，主要体现在穿孔形状较为规则，其最大穿孔深度保持在1倍装药口径左右，成型侵彻体的终点毁伤效应显著提高；当起爆数目N=6时，双层药型罩EFP战斗部成型毁伤元对钢靶的侵彻深度达到最大值6.42 cm，约为1.07倍装药口径，较端面单点中心起爆方式获得侵彻体侵彻钢靶的最大深度提高了32%.

图10是起爆点数目对双层药型罩EFP平均侵彻直径da和最大侵彻深度Lmax的影响，其中平均侵彻直径是指双层药型罩EFP侵彻钢靶后在钢靶入口、中间以及底部不同位置侵彻直径的平均值。从图10中可以看出：双层药型罩EFP对钢靶侵彻的平均侵彻直径与最大侵彻深度呈现负相关的基本关系，其最大侵彻深度随着起爆点数目的增大先增加、后减小；当起爆点数目达到6点时，战斗部成型侵彻体对钢靶的侵彻深度达到最大值6.42 cm，此时的平均侵彻直径约为2.11 cm.

图10 起爆环半径对双层药型罩EFP侵彻特性的影响Fig.10 Influence of initiation points on penetration effect

数值计算结果表明当起爆点数目N在4～8区间内取值时，通过改变起爆点数目获得了能够成行具有良好外形的大长径比双层药型罩EFP且此时毁伤元具有优良的终点毁伤效能，毁伤元的最大侵彻深度基本能够达到1倍装药口径左右。在此区间范围内，通过对起爆点数目的选择可以针对不同装甲目标进行战斗部参数的优化设计，在装药总能量及能量密度一定的条件下，使战斗部的输出效应与打击目标特性相匹配，从而可以有效增加对目标的毁伤效能。针对本战斗部装药结构设计，综合考虑战斗部成型、飞行以及终点毁伤效应，当起爆数目为6时，战斗部成型具有良好空气动力学特性及优良终点毁伤效应的双层药型罩EFP.

4 结论

1)双层药型罩EFP战斗部成型聚能侵彻体的最大侵彻深度可以达到4.5 cm左右，约为0.75倍装药口径左右，相比于具有相同装药结构EFP战斗部成型侵彻体最大侵彻深度3.4 cm，提高了约32.4%左右。

2)随着起爆点数目的增多，炸药能量利用率和侵彻体获得的动能不断增大，当起爆点数目超过4时，稳定成型侵彻体的特征参数基本保持不变；起爆点数目与成型侵彻体尾翼数目一一对应，当起爆点数目达到8时，成型尾翼形状与环形起爆成型尾裙形状接近，成型侵彻体远距离攻击目标时空气阻力增大，终点毁伤效应显著下降。因此，起爆点数目N的最佳取值范围是4～8.

3)数值计算结果表明，当起爆点数目N为6时，双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体终点毁伤效应的最大侵彻深度达到6.42 cm，约为1.07倍的装药口径，较端面单点中心起爆方式获得侵彻体侵彻钢靶的最大深度提高了32%.

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Numerical Simulation on Formation and Penetration of Double-layer Liners EFP Warhead Influenced by Multi-point Initiation

LONG Yuan, LIU Jian-feng, JI Chong, ZHONG Ming-shou, LIU Ying, ZHOU Hui

(College of Filed Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

Initiation modes have important influence on formation and penetration of double-layer liners explosively-formed projectile (EFP). Based on the experimental study of double-layer liners EFP warhead, the effect of multi-point initiation on the formation and penetration of EFP warhead with double-layer liners is analyzed by using ANSYS/LS-DYNA software. Results show that the EFP warhead with double-layer liners can form a large aspect ratio ofL/D(the length/diameter) penetrator with good flight characteristics and terminal effects when the number of initiation points are between 4 and 8. As the number of initiation points reach 6, the maximum penetration depth is about 1.07 times of the charge diameter which is increased by 32% compared with an initiation point in the same shape charge structure. The conclusions can supply a theoretical reference for choosing the appropriate initiation point parameters of the double-layer liners EFP warhead.

ordnance science and technology; double-layer liner; multi-point initiation; formation; penetration

2016-04-22

解放军理工大学预先研究基金项目(201417)；解放军理工大学野战工程学院青年基金项目(2015-7)

龙源(1958—)，男，教授，博士生导师； 刘健峰(1988—)，男，博士研究生。E-mail：ljflccc@163.com

TJ410.3+33

A

1000-1093(2016)12-2226-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.007