EFP侵彻圆柱形带壳装药的数值模拟

刘道琼，王复利，程 春



EFP侵彻圆柱形带壳装药的数值模拟

刘道琼1，王复利2，*程 春3

（1.国网安徽省电力公司蚌埠供电公司，安徽，蚌埠 233090；2.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江，牡丹江 157013；3.南京理工大学机械工程学院，江苏，南京 210094）

将导弹战斗部简化成圆柱形带壳装药，利用有限元分析软件对不同弹目交汇情况下，对装药口径65 mm的EFP侵彻圆柱形带壳装药的过程进行数值模拟。模拟结果表明：EFP弹轴和圆柱形带壳装药的轴线在同一个平面上的情况下，当EFP着角为0°和30°时EFP能引爆圆柱壳内的B炸药；EFP弹轴垂直圆柱形带壳装药的轴线的情况下，接触点在装药半径1/2处时，EFP能引爆圆柱壳内的B炸药。EFP撞击圆柱形带壳装药的角度和位置，影响EFP对圆柱形带壳装药的引爆情况；研究结果对于设计新型防空反导武器战斗部具有参考意义。

带壳装药；数值计算；引爆

0 引言

防空反导武器系统对目标的拦截包括：在破片、冲击波或诱导弹的作用下使其偏离航道，通过破坏引信及传爆序列使其成为哑弹，或者通过动能冲击使来袭目标提前爆炸。爆炸成型弹丸(Explosive Formed Projectile,EFP)战斗部能够形成速度可达2000 m/s及以上的高速运动侵彻体，具有对炸高不敏感的特点，因此对于反空反导武器系统来说是一个不错的战斗部选择[1-3]。张先锋[4]等基于利用EFP引爆精确制导炸弹、钻地弹等所携带的装药，使来袭弹药失去效能，对EFP侵彻带壳装药的过程进行了数值模拟，结果表明该装药结构 EFP对于壳体厚度在15 mm以下的带壳装药可以引爆。顾文彬等[5]以EFP拦截钻地武器为目的，将钻地弹等效为厚壁爆炸药盒，模拟了EFP引爆爆炸药盒的过程，结果表明带尾翼的 EFP能有效侵爆40 mm厚盖板爆炸药盒。根据耿文军等[6]的研究，周向MEFP战斗部其圆周方向排布数个药型罩，在爆轰作用下可以形成多个EFP弹幕，可以从侧向对目标进行高密集度打击，有利于防空导弹引战系统设计与工程实现，是未来防空反导技术的重要发展趋势。导弹战斗部多为圆柱形结构，因此研究弹丸对圆柱形带壳装药的影响，对于新型防空反导武器的设计有指导意义。宋浦等[7]开展某型破片式战斗部对柱壳装药的撞击毁伤试验研究，得到柱壳装药引燃、引爆的阈值范围；辛建国[8]等通过破片冲击柱面薄壳装药试验，得到壳体和破片的机械作用是引爆薄壳装药的主要原因。

本文以EFP拦截来袭导弹战斗部为研究对象，将导弹战斗部简化成圆柱形带壳装药，利用有限元分析软件建立不同弹目交汇条件下的侵彻冲击模型，对EFP的成型、侵彻装药外壳和引爆炸药的全过程进行数值模拟，并据此研究不同弹目交汇条件下EFP的侵彻引爆能力。

1 　算法及数值模型

EFP侵彻圆柱形带壳扎装药的过程涉及炸药的高速爆轰，药型罩、壳体、靶板等的大应变率变形，计算时采用Lagrange算法，该算法具有大位移、大应变和大转动性能，通过控制网格尺寸、计算时间步长、沙漏控制使计算中减少网格畸变和克服零能模式，计算速度快，储存量少，精度良好[9]。

1.1 数值计算模型

1.1.1 EFP战斗部与圆柱形带壳装药设计

EFP战斗部的药型罩采用等壁厚球缺罩，战斗部示意图见图1，药型罩内曲面半径72 mm，外曲面半径75 mm，药性罩罩顶厚度3.5 mm，装药口径65 mm，装药长径比1。圆柱形带壳装药壳体厚度10 mm，装药半径17 cm，装药长度50 cm，装药示意图如图2所示。

图1 EFP战斗部示意图

图2 圆柱形带壳装药示意图

1.1.2弹目交汇模型

考虑到EFP对带壳装药的侵彻和引爆应该在EFP完全成型之后，因此设置炸高500 mm。首先建立弹丸轴线和与圆柱形带壳装药轴线在同一个平面内，弹丸垂直装药轴线正对装药轴心的数值计算模型，如图3所示；考虑弹目交汇的不同情况，通过装药径向的平移，得到弹丸撞击装药径向不同位置的数值计算模型，弹丸轴向在圆柱形带壳装药径向1/2处和2/3处，如图4所示；通过调整装药轴向上的倾角，得到弹丸在装药轴向不同着角(30°、45°、60°)的数值计算模型，如图5所示。

图3 垂直侵彻模型

图4 装药径向不同位置模型

图5 轴向不同着角的侵彻模型

为了便于数值模拟结果的描述，对这几组数值模型进行编号，将垂直侵彻模型编号为1，将30°，45°，60°着角的计算模型分别编号为2、3、4，将装药半径1/2处和2/3处数值模型分别编号为5、6。

1.2 材料模型和参数

EFP战斗部炸药选用8701炸药，材料模型采用高能炸药爆轰材料模型（High-Explosive-Burn）和JWL状态方程，炸药主要参数参见文献；药型罩采用紫铜，选用Steinberg材料模型和Gruneisen状态方程，主要参数见表1[10]；战斗部壳体和带壳装药壳体均采用45号钢，选用Johnson--Cook材料模型和Gruneisen状态方程；带壳装药炸药为B炸药，采用采用点火与增长模型 MAT_ELASTIC_ PLASTIC_HYDRO和EOS_IGNITION_AND_ GROWTH_OF_REACTION_IN_HE[11]。8701炸药[12]和B炸药的主要参数见表2，其中ρ表示炸药的密度，D表示炸药的爆速，Pcj表示炸药的爆轰压力。

表1 药型罩主要参数

表2 8701炸药和B炸药的主要参数

2 模拟结果与分析

EFP战斗部在爆轰波的作用下能够形成形状较好的成型弹丸，速度可以达到2104.36 m/s。战斗部侵彻带壳装药的过程分为四个阶段，分别是EFP的爆炸成型、EFP接触装药外壳阶段、侵彻外壳阶段和侵彻引爆装药阶段。EFP战斗部垂直侵彻圆柱形带壳装药的侵爆过程如图6所示。

图6 EFP战斗部垂直侵彻圆柱形带壳装药的侵爆过程

从图6中可以看出150 μsEFP已经完全成型，240 μsEFP开始接触壳体，250 μsEFP侵彻入壳体，290 μsEFP成功将圆柱壳内的装药引爆，310 μs装药完全被引爆。

6组数值计算中圆柱形带壳装药是否被引爆的结果见表3。

表3 数值计算结果

从表3可以看出，当着角在0°（垂直侵彻）、30°和弹丸垂直侵彻装药半径1/2处都能引爆圆柱壳内的装药，如图7所示。

图7 引爆装药图

Eric N. Ferm[13]通过大量实验得出 , B炸药在直径为 13 mm钢破片冲击条件下的起爆阈值 (比动能 )为 109.5 MJ/m2。由此可知炸药能否被引爆取决于EFP穿透圆柱壳后的剩余动能能不能达到B炸药的冲击起爆阀值。EFP在不同着角下侵彻靶板的侵彻和毁伤能力不同，随着着角的增大，弹丸的侵彻毁伤能力逐渐下降[14]，又由于穿靶过程中弹丸质量消蚀，穿靶后的剩余动能逐渐减小。弹丸与装药轴向垂直的情况下，接触点离轴心越远相当于着角越大，因此距离轴心越远弹丸穿透壳体后的剩余动能越小。当着角为45°、60°以及接触点在装药半径2/3处时，EFP侵彻靶板后的剩余动能没有达到B炸药的冲击起爆阀值，没能将圆柱壳里的装药引爆。

3 结论

（1）对于本文材料和结构参数条件下的EFP，弹轴和圆柱形带壳装药的轴线在同一个平面上的情况下，当EFP着角为0°和30°时EFP能引爆圆柱壳内的B炸药，当EFP着角为45°和60°时EFP不能引爆圆柱壳内的B炸药；弹轴垂直圆柱形带壳装药的轴线的情况下，接触点在装药半径1/2处时，EFP能引爆圆柱壳内的B炸药，接触点在装药半径2/3处时，EFP不能引爆圆柱壳内的B炸药。

（2）EFP撞击圆柱形带壳装药的角度和位置，影响EFP对圆柱形带壳装药的引爆情况。

（3）本文研究结果对于设计新型防空反导武器战斗部具有参考意义。

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NUMERICAL STUDY OF EFP PENETRATION OF CYLINDRICAL CHARGE WITH SHELL

LIU Dao-qiong1，WANG Fu-li2，*CHENG Chun3

(1. State Grid Bengbu Power Supply Company, Bengbu, Anhui 233090, China; 2.Heilongjiang North Tools Co.Ltd, Mudanjiang, Heilongjiang 157013, China; 3.School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing, Jingsu 210094, China)

The missile warhead is simplified into a cylindrical charge with shell. The process of EFP with 65mm charge caliber penetrating into cylindrical charge with shell is numerical calculated by the finite element analysis software for different intersection conditions between projectile and target. The results show that the B explosives in the in a cylindrical shell can be detonated by EFP if entry angle of EFP is 0° and 30° when the EFP projectile axis and the axis of the cylindrical charge with shell are on the same plane. The results also show that the B explosives in the in a cylindrical shell can be detonated by EFP if contact point is at the charge radius 1/2 when the axis of the EFP projectile verticals the axis of the cylindrical charge with shell. The angle and position of EFP impacting cylindrical shell charge affect the detonation of EFP to cylindrical shell charge. The research results have reference significance for the design of a new type of air defense and anti missile warhead.

the cylindrical charge with shell; numerical calculate; detonate

1674-8085(2018)01-0078-04

TJ761.6

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.01.016

2017-02-21；

2017-09-25

刘道琼(1990-)，男，河南永城人，工程师，主要从事电力系统及其自动化研究(Email:1277545694@qq.com);王复利(1990-), 男，黑龙江佳木斯人，工程师，主要从事中小口径弹丸设计研究(Email:26545584@qq.com);*程 春(1989-)，男，河南永城人，博士生，主要从事弹药终点毁伤研究(Email:xiangchun893@163.com).