F装药形成包覆式复合侵彻体的仿真研究

刘亚昆，吴国东，伊建亚

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

F装药形成包覆式复合侵彻体的仿真研究

刘亚昆，吴国东，伊建亚

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

利用非线性动力学软件AUTODYN-2D对包覆式复合侵彻体的形成过程进行数值模拟，分析F装药内外药型罩密度和间距对复合侵彻体成型的影响。结果表明：F装药外罩材料为铜时，随着内罩密度的增大，复合侵彻体头部速度增大，对靶板侵彻深度变大，内罩密度小于外罩时，侵彻体性能弱于普通单罩装药；对PTFE/AL系活性材料包覆时，随着内外罩间距的增大，复合侵彻体长度增大，头部速度增大，间距过大时会导致复合侵彻体断裂，成型不稳定。

F装药；包覆；爆炸成型弹丸；数值模拟；活性材料

随着工事防护和装甲技术的发展，以及打击目标的多样性，出现了一些聚能装药新技术，如分离式装药、多功能装药、多药型罩装药和引燃射弹装药等[1-2]。F装药结构类似于分离式装药，两层药型罩之间留有间隙，外罩受到爆轰载荷，高速压垮内罩使之形成侵彻体[3]。传统的金属毁伤元威力不足，为了提高弹药的毁伤威力，国内外积极发展活性毁伤元技术[4-5]。国内，门建兵等人提出一种包覆式爆炸成型复合侵彻体，将活性材料预制在药型罩前，在炸药的爆炸驱动下药型罩包覆活性材料，获得高速飞行的复合侵彻体[6]。国外研究了一种明火燃烧爆炸成型的弹丸，它将引燃介质锆合金放在药型罩前，装药起爆后，药型罩挤压引燃材料使其自燃，并随成型弹丸飞行。实验表明这种明火燃烧弹即使在-18 ℃大风条件下，也能引燃15 m外装有55加仑柴油的油桶[7]。

本文讲述了将F装药技术同活性毁伤元技术相结合，得到一种将活性毁伤元包覆在爆炸成型弹丸尾翼的复合侵彻体，并介绍了F装药下内外药型罩密度和间距对复合侵彻体成型的影响。

1 计算模型

1.1 结构模型

F型聚能装药结构如图1所示，装药直径D=80 mm，装药长度L=100 mm，内外药型罩为等壁厚球缺罩，内罩曲率半径R1=75 mm，壁厚H1=2 mm，外罩曲率半径R2=71 mm，壁厚H2=4 mm，内外药型罩之间空气间隙A=1 mm。中心点起爆，起爆点在装药顶端面。

图1 F装药结构简图

1.2 材料模型

利用非线性动力学软件AUTODYN-2D建立有限元模型，进行二维计算，模型为轴对称型，只需建立1/2模型。炸药和药型罩采用欧拉算法，壳体采用拉格朗日算法。材料选用AUTODYN软件库中材料[8]，其中炸药为octol，密度ρ=1.82 g/cm3，爆速8 480 m/s，爆压34.2 GPa，药型罩为紫铜，密度ρ=8.93 g/cm3，壳体为铝，密度ρ=2.77 g/cm3，所选材料状态方程和强度模型如表1所示。

表1 材料状态方程和强度模型

2 F型装药

F型装药由内外两个药型罩组成，两药型罩之间留有空气间隙，内罩作为驱动体，装药起爆后，爆炸所产生的爆轰波和爆轰产物驱动内罩和外罩向轴线处运动，内罩的压垮速度大于外罩，内罩追上外罩并进行压垮和挤压。研究中内外罩皆采用大曲率的球缺罩，在爆炸载荷作用下将形成向后翻转尾翼型EFP，与射流相比EFP对药型罩利用率更高，且适用于长距离飞行。本文中将内罩作为包覆物研究，在成型的复合侵彻体中，内罩被包覆在外罩形成的EFP尾翼中向前飞行，对F型装药和普通单罩装药形成的侵彻体进行对比。为方便研究这里将内外罩材料都采用铜，如图2所示。

图2 侵彻体对比

由图2可知，内罩形成的侵彻体被包覆在外罩中形成复合侵彻体向前飞行。普通单罩装药形成的侵彻体头部速度2 556 m/s，尾部速度1 480 m/s，长度为96 mm；F型装药形成的复合侵彻体头部速度2 856 m/s，尾部速度1 524 m/s，长度为133 mm。受内罩的压垮挤压，复合侵彻体头部较细，头尾速度略有提升，同时由于内罩形成的侵彻体紧随在尾部，又增加了侵彻体的长度。将两种侵彻体对半无限靶进行侵彻模拟，靶板材料取为AUTODYN材料库中4340钢，靶板采用拉格朗日算法，密度为7.83 g/cm3，剪切模量为77 GPa，屈服应力为792 MPa，如图3所示。

图3 侵彻靶板对比

由图3可知，普通单罩装药侵彻靶板开口孔径18 mm，侵彻深度97 mm；F型装药侵彻靶板开口孔径20 mm，侵彻深度127 mm，F型装药在侵彻深度上优于普通单罩装药。在开口孔径上二者相差不大，单罩装药侵彻通道开口窄中间宽，这是由于侵彻体的侵彻能力急剧下降后在此处大量堆积，造成扩孔效应，F型装药形成的侵彻通道更规整。

3 不同材料对成型影响

与分离式装药不同的是，F装药的内罩和外罩之间没有装药，它是利用不同的内外罩材料、厚度和间隔的匹配关系获得不同性能的侵彻体。因此外罩的压垮速度不仅与炸药的爆速有关，还与药型罩几何形状和药型罩材料等因素有关[9-11]。研究中将外罩材料选为铜，内罩材料按密度从小到大依次选为铝、铜、钼和钽，材料参数如表2所示，内外药型罩组合分别为铝-铜、铜-铜、钼-铜和钽-铜，侵彻体成型以及侵彻钢靶结果如图4所示，性能参数如表3所示。

表2 药型罩材料参数

图4 不同材料组合对比

表3 不同材料组合性能参数

分析上述图表可知，药型罩内外罩材料的不同组合，对侵彻体的成型有较大影响。随着内罩密度的提高，侵彻体的长度增加，头部变细且速度提高。当内罩材料为铝时，其形成的侵彻体与单罩装药相比并无优势；当内罩材料为钽时，其侵彻体头部速度与单罩装药相比提高了30.7%。各种侵彻体对靶板侵彻，开口孔径相差不大，内罩密度越高，其侵彻深度越大。当内罩材料为钽时，其对靶板的侵彻深度与单罩装药相比提高了82.5%。分析原因，大曲率的球缺罩形成EFP，其对炸药的能量利用率随着药型罩密度的提高而增大。内罩选用高密度的钽材料，其在爆轰载荷作用形成的侵彻体具有较大的动能。在挤压外罩时，对外罩形成的侵彻体有推进作用，侵彻体成型过程内罩材料动能对比如图5所示。

图5 动能对比

综上分析，当内外罩间隙为1 mm时，F装药形成的爆炸成型弹丸，内外罩密度存在一定的匹配关系。当作为驱动体的内罩密度小于外罩时，F装药形成侵彻体性能弱于普通单罩装药，当内罩密度大于或等于外罩时，F装药形成的侵彻体性能强于普通单罩装药；且内罩密度越大，侵彻体性能越强。实际应用中，可将钽-铜作为内外罩材料考虑。

4 包覆式复合侵彻体

将内罩作为包覆物，内罩材料为活性材料，内外罩都采用大曲率的球缺罩。复合侵彻体成型时，由内罩形成的含能侵彻体依附在由外罩形成的向后翻转型EFP尾翼中飞行。其毁伤机理与文献[7]的明火燃烧破甲弹类似。与文献[7]不同的是，将引燃材料作为内罩，装药起爆后其尾随爆炸成型弹丸，对油类和能源类目标造成毁伤。侵彻体对目标的侵彻深度与药型罩的密度和声速密切相关。密度和声速越高，其穿透深度越大。但活性材料密度和声速大都很低，侵彻深度不够理想。采用包覆式复合侵彻体，在保证侵彻体穿深的同时又能发挥活性材料的含能特性。与将活性材料压垮成射流相比，内罩翻转形成的爆炸成型弹丸，其内部压力相对较低，活性材料不易破裂，使其含能特性得到最大程度的发挥。研究中外罩材料为铜，内罩采用PTFE/AL体系活性材料[12]，其参数如表4所示。

表4 活性材料参数

作者还研究了F装药内外罩间距对包覆式复合侵彻体成型的影响。其他参数不变，内外罩间距分别为0、1 mm、2 mm和3 mm，复合侵彻体和包覆物形态如图6所示。

图6 间距对复合侵彻体成型影响

由图6可知，随着内外罩间距的增大，复合侵彻的长度增大。当间距为2 mm时，侵彻体尾部开始出现空腔，爆炸成型弹丸不再密实；当间距为3 mm时侵彻体头部出现颈缩，有被拉断的趋势。分析原因，随着内外罩间距的增大，内罩向外罩压垮时所获得的加速越充分，对外罩的压垮速度越大，使侵彻体整体拉长。当间距为0时，包覆物头部挤入侵彻体内，使得包覆物头部局部压力过大，不利于保证包覆物的稳定性；同时内外罩之间无间隙，相当于在外罩与炸药之间加入一层介质，与外罩接触时内罩得不到充分加速，导致外罩压垮速度小于单罩装药，造成复合侵彻体的头部速度偏低。当间距为1 mm时，文中所设计的F装药对PTFE/AL系活性材料具有较好的包覆效果，在实际应用中可将此种包覆式复合侵彻体用于打击油类和能源类目标。

5 结论

1) F装药内外罩密度存在一定的匹配关系，外罩材料为铜时，内罩密度越大，侵彻体头部速度越大，对靶板的侵彻深度越大。内外罩材料组合为钽-铜时，相比普通单罩装药，头部速度提高30.7%，侵彻深度提高82.5%。当内罩材料密度小于外罩时，其侵彻体性能弱于普通单罩装药。

2) 随着内外罩间距的增大，复合侵彻体长度增大，头部速度增大，间距存在最优取值范围。间距过大导致复合侵彻体头部断裂，成型不稳定；间距过小复合侵彻体头部速度偏低。

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(责任编辑周江川)

SimulationstudyontheFormationofCladCompositePenetratorwithFCharge

LIU Yakun, WU Guodong， YI Jianya

(School of Mechatronics Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China)

Numerical simulation of the forming process of the coated composite projectile by using nonlinear dynamics software AUTODYN-2D is processed to analyze the effect of F in charge of liner density and spacing the composite penetrator forming. The results show that the F charge cover material for copper, with the cover of the increase of the density, compound penetrator head velocity change of penetration depth, and when the inner cover density is less than the cover, penetrator forming is weaker than ordinary single cover charge; and on line coated PTFE/AL active material, with the external cover spacing increases, the composite penetrator length increases, the head speed increases, and the spacing is too large, and it will lead to composite penetrator forming unstable fracture.

F charging; cladding; explosively formed projectile; numerical simulation; active material

2017-07-20；

2017-08-10

国家自然科学基金资助项目(11572291);山西省研究生联合培养基地人才培养资助项目(20160033)

刘亚昆(1993—)，男，硕士研究生，主要从事弹药毁伤技术研究。

装备理论与装备技术

10.11809/scbgxb2017.11.011

本文引用格式：刘亚昆，吴国东，伊建亚.F装药形成包覆式复合侵彻体的仿真研究[J].兵器装备工程学报，2017(11):51-54.

formatLIU Yakun, WU Guodong， YI Jianya.Simulation study on the Formation of Clad Composite Penetrator with F Charge[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):51-54.

TJ413

A

2096-2304(2017)11-0051-04