起爆方式对周向MEFP战斗部性能影响的数值仿真

宋 平,李文彬,王晓鸣,董晓亮,朱建军

(南京理工大学 智能弹药国防重点实验室,江苏 南京 210094)

周向多爆炸成型弹丸(multiple explosively formed penetrators,MEFP)战斗部起爆后能在战斗部周向范围内形成多个EFP毁伤元,大大提高对目标的毁伤概率。国内外对周向MEFP战斗部的研究主要集中在不同结构参数和起爆方式对MEFP成型的影响。国外Fong等[1]将预控破片技术应用到MEFP战斗部中,设计出了一种增强型周向聚焦MEFP战斗部,可以通过改变战斗部结构来控制MEFP的速度和空间分布规律,但文中并未提及具体的起爆控制方式。国内梁振刚等[2]、尹建平等[3]利用有限元软件模拟研究了中心线起爆下不同药型罩和战斗部结构参数对MEFP成型的影响。杨宝良等[4]利用Ls-dyna软件模拟了周向MEFP战斗部在中心线和端面起爆方式下的成型过程。李鹏等[5]设计了一种偏心起爆周向MEFP战斗部结构,并通过试验对比研究了单点中心起爆和两点偏心起爆条件下MEFP的速度、空间分布以及侵彻性能的差异。到目前为止,尚未有学者针对不同起爆方式对周向MEFP战斗部性能参数的具体影响规律进行系统研究。

本文利用Ls-dyna对周向MEFP战斗部在单点和多点起爆方式下的成型过程进行了数值模拟,重点对比研究了起爆点位置、数量以及起爆误差对MEFP速度、飞散角以及成型的影响,为周向MEFP战斗部的设计工作提供一定的参考。

1 数值仿真模型的建立

1.1 结构参数

周向MEFP战斗部模型包括主装药、药型罩、壳体以及空气域。主装药为圆柱型结构,药型罩共计40枚(8列×5层)。其中装药高度h=100 mm,装药直径d1=48 mm;壳体壁厚δ1=2 mm;药型罩口径d2=15 mm,采用变壁厚球缺式设计,罩口壁厚δ2=2 mm。考虑到模型具有对称性,为提高计算效率,采用与文献[2-4,6-7]相同的仿真方法,使用1/4模型进行数值模拟,并在模型对称面施加对称约束,1/4模型如图1所示(空气域未显示)。

图1 有限元模型

1.2 算法及材料参数

为更好地模拟炸药爆炸后药型罩的成型过程,仿真采用流固耦合算法,炸药和空气域为Euler网格,药型罩和壳体为Lagrange网格。药型罩和壳体以及药型罩内部设置单面自动接触。

表1 炸药材料参数

表2 药型罩及壳体材料参数

表3 空气材料参数

1.3 起爆方式设置

本文首先研究战斗部中心线上起爆点位置、数量的改变对MEFP毁伤元性能的影响规律。首先在战斗部轴线设置11个等间距点,由下至上依次编号为1,2,…,11,各点间距为10 mm,如图2所示。通过11个点的不同组合,利用Ls-dyna数值模拟10种不同的起爆方式下MEFP的成型过程。综合各仿真数据,分别研究单点起爆方式下起爆点高度以及多点起爆方式下的起爆点数量对MEFP毁伤元速度v、飞散角α的影响规律,具体起爆设置见表4和表5。

图2 起爆点示意图

表4 单点起爆结果

表5 多点起爆设置

2 计算结果与分析

2.1 起爆点高度对MEFP性能的影响

定义起爆高度hp为起爆点距1号点的距离。利用Ls-dyna对表4中6种起爆方式下毁伤元的成型过程进行仿真,起爆方式A1时毁伤元成型及飞散如图3所示。选取对称面上的一列共5个药型罩为研究对象,其代号N分别为1,2,3,4,5,如图4所示,进一步分析不同起爆工况下各层MEFP速度v和飞散角α的变化规律。

图3 起爆方式A1的MEFP成型(t=30 μs)

图4 药型罩编号

图5、图6分别为起爆高度hp对MEFP速度及飞散角的影响。由图5可知,随着起爆高度的增加第1层MEFP的起爆半径增大,其最大速度增益可达13.5%;起爆点位置由1变至6时,第2层MEFP的起爆半径先减小后增大,因而速度先下降后升高,但总体变化不明显;其余3层MEFP随着起爆点高度的增加速度呈衰减趋势。此外,当hp/h=0.5时,各层MEFP速度趋于一致,约为1 560 m/s。

图5 hp对MEFP速度的影响

图6 hp对MEFP飞散角的影响

分析图6中的数据,起爆点高度增加使得各层MEFP飞散角减小。整体上看,起爆点从1点变至3点,毁伤元轴向飞散区域从-3.5°～+7.6°改变为-4.3°～+7.13°,其相对变化量为3.0%;起爆点从1点变至4点,毁伤元轴向飞散区域相对变化量为7.7%;起爆点从1点变至5点,毁伤元轴向飞散区域相对变化量为11.0%;起爆点从1点变至6点,毁伤元轴向飞散区域相对变化量为11.7%。因此,起爆点高度hp的增加使得各层MEFP毁伤元轴向飞散方向发生向下(方向由6点指向1点)偏移,并使毁伤元的散布角度增加。同时,受爆轰波和稀疏波的共同作用,单点起爆下第1层MEFP飞散角始终为负。

2.2 起爆点数量对MEFP性能的影响

对B1,C1,D1,E1这4种起爆方式下(见表5)MEFP成型过程进行数值分析,结合起爆方式A6,比较起爆点数量对MEFP速度v、飞散角α的影响。

图7为不同起爆方式时爆轰波传播特性。在多点起爆条件下,各点产生的爆轰波独立传播,并在其对称位置发生包括马赫碰撞在内的一系列碰撞过程从而形成多个高压区,高压区波阵面压力较单点起爆有显著提升。以起爆方式B1为例,2 μs时刻高压区波阵面压力为36.1 GPa,相较于起爆方式A6,压力提升了36.7%。

图7 2 μs时刻不同起爆方式时爆轰波传播特性

如图8所示,相对于起爆方式A6,采用起爆方式B1第2层、第3层、第4层毁伤元速度分别为1 694 m/s、1 720 m/s、1 695 m/s,其速度增益分别为8.1%,9.6%,8.2%。多点起爆条件下,相同时刻爆轰波能够在药型罩壁面上产生更大的驱动压力,如图9所示,从而使得战斗部第2层、第3层、第4层MEFP的速度得到显著提升。但对于装药两端的MEFP而言,起爆点数量的增加对其速度提升效果不明显,其主要原因是装药端部毁伤元在成型过程中受稀疏波的影响较为严重,使得最终速度降低。

图8 起爆点数量对MEFP速度的影

图9 3 μs时刻药型罩压力云图

图10 起爆点数量对MEFP飞散角的影响

此外,相较于起爆方式B1,采用E1起爆方式对第2层、第3层、第4层毁伤元的速度增益不足1%。其主要原因为:当起爆点数量继续增加,爆轰波波阵面压力逐渐趋于一个稳定的值。因此,中间3层MEFP的速度增益效果开始减弱。

由图10可知,多点起爆方式能够有效降低战斗部中间3层毁伤元的飞散角;但对于装药端部MEFP而言,起爆点数量的增加对飞散角的影响并不明显。同时,在不改变结构的前提下,继续增加中心轴线上起爆点数量并不能减少因稀疏作用而产生的飞散角度。

2.3 起爆同步误差对MEFP成型性能的影响

在起爆方式D1的基础上研究起爆同步误差对MEFP成型性能的影响。本文将对起爆同步误差的研究简化为顺贯延迟起爆(D2)和间隔延迟起爆(D3)2种形式。其中,D2起爆次序为1—3—5—7—9—11;D3起爆次序为1—5—9—3—7—11。设置起爆延迟间隔为t,t分别取100 ns,300 ns,500 ns,1 000 ns,结果如图11～图14所示。

图11 起爆方式D2起爆延时对MEFP速度的影响

图12 起爆方式D2起爆延时对MEFP飞散角的影响

图13 起爆方式D3起爆延时对MEFP速度的影响

图14 起爆方式D3起爆延时对MEFP飞散角的影响

由图11～图14可知:当起爆延迟时间小于500 ns时,D2和D32种起爆方式下MEFP速度和飞散角同起爆方式D1相差并不明显;而当延迟时间增加至1 000 ns,与起爆方式D1相比,起爆方式D2和D3下各层MEFP飞散角有明显的增大。因此,在多点起爆条件下，小于500 ns的同步起爆误差不会对MEFP的速度和飞散角产生明显影响。

图15为不同起爆方式MEFP的最终成型,其中D2和D3对应的起爆间隔时间为500 ns。相比单点起爆,采用多点起爆方式能够获得长径比更高的MEFP毁伤元。但受端部稀疏效应和起爆同步误差的影响,多点起爆时战斗部端部MEFP成型较差;当起爆同步误差以D3的形式出现时,各层MEFP成型更加不规则。

图15 不同起爆方式的MEFP成型

3 结论

①对于周向多层MEFP战斗部,采用轴线中心起爆能够获得各层速度差最小的MEFP毁伤元。

②受稀疏波影响,装药端部MEFP飞散角较大,速度较低。中心线多点起爆能够有效提升中间3层MEFP的速度, 但对装药端部MEFP的速度增益不明显。

③在中轴线多点起爆条件下,对于口径大于48 mm的周向MEFP战斗部,若起爆精度控制在500 ns以内,起爆同步误差不会对MEFP的速度和飞散角产生明显影响。