刻槽式MEFP战斗部结构参数的正交优化设计研究*

何 俊，李钦生，王韦霞，程 春，王复利

(1 安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241000； 2 南京理工大学机械工程学院，南京 210094；3 黑龙江北方工具有限公司，黑龙江牡丹江 157013)

0 引言

多爆炸成型弹丸战斗部(MEFP)是基于爆炸成型弹丸战斗部(EFP)的发展而研制出来的，作战时可以产生大面积的弹幕，形成对攻击目标的面打击，极大提升对目标的命中和毁伤概率，尤其是对于集群轻型装甲，如武装直升机、雷达站、步兵战车、导弹阵地等具有良好的应用前景[1]。2002年，William Ng等研制了一新式轴向变形罩式MEFP，2005年，Richard Fong在此基础上，研制出通过对整块板材进行冲压而制成的MEFP[2-3]。吴小蓉等[4]研制出一种分布三罩式MEFP，通过试验，战斗部形成了弹速为2 000 m/s左右的3个子弹丸，并在靶板上测得类似正三角形形状的3个椭圆形穿孔。赵长啸、纪冲等[5-7]通过在单个药型罩前面适当位置安装高强度十字形网栅，使药型罩在网栅的切割功用下，形成多个爆炸成型弹丸，并且通过数值仿真和穿甲试验，研究了成型弹丸的形成过程及其对钢靶的穿甲效应。尹建平等[8]通过数值计算得出药型罩的相关因素(曲率半径、壁厚和口径)对MEFP成型和毁伤效果的规律，并给出以上3个因素的最优组合。黄德武等[9]首先提出了可生成多枚成型弹丸的刻槽式MEFP战斗部技术。在此基础上，相升海等[10]通过数值分析，阐述了刻槽式MEFP贯彻双层无间隔金属靶的具体过程及影响因素。

文中在以上研究的基础上，针对药型罩口径为150 mm的刻槽式MEFP战斗部毁伤性能的主要影响因素(刻槽深度H、刻槽角度α、壳体厚度δ1、药型罩内径D、装药长度L、罩顶厚度δ2)，采用正交优化设计确定优化方案，并结合LS-DYNA软件数值计算，得出各因素对成型子弹丸动能影响的主次关系及各因素的最优组合。

1 数值计算

1.1 刻槽式MEFP战斗部模型

文中所研究的MEFP战斗部顶部预制V型槽，中心孔径为1.5 mm，其结构分为壳体、炸药、药型罩3个部分，如图1所示。

图1 刻槽式MEFP战斗部模型

1.2 计算模型

壳体、炸药和药型罩的模型都采用Lagrange网格，单元划分使用Solid164固体单元。通过模拟，当计算时间到达40 μs时，壳体与炸药的作用几乎结束，故对于这两部分划分网格较稀疏，并在40 μs时，将这两部分单元设置自动删除。对于药型罩在计算过程将发生较大变形，为防止网格在计算过程中发生畸变，故而在划分此部分网格时，较壳体和炸药略微细化，这样设置对观察药型罩的成型变化过程较为有利。

壳体的材料选择45号钢，药型罩的材料选择紫铜，这两部分均采用Johnson-Cook材料模型，其状态方程均为Gruneisen方程。药型罩的主要参数为ρ=8.96 g/cm3，G=46 GPa，A=0.09 GPa，B=0.29 GPa，n=0.31，C=0.025，m=1.09，Tm=1 356 K，Tr=293 K。炸药材料选用B炸药，使用High-Explosive-Burn材料模型，状态方程为JWL方程，B炸药参数见表1[11]。

表1 B炸药参数

1.3 数值计算结果示例

MEFP模型采用底部中心(单点)引爆方式。炸药引爆后，由于药型罩的球面形状，炸药的轰击波将产生旋转力矩的作用，致使药型罩沿刻槽位置发生断裂破坏，生成3个成型子弹丸。 这3个成型子弹丸，在自身动能作用下，对目标形成毁伤效应。

如图2所示为一组数值计算得到的MEFP飞散图，其参数为：H=3.29 mm，α=30°，δ1=6.97 mm，δ2=6.55 mm，D=176.7 mm，L=123.84 mm。

图2 MEFP飞散图

2 刻槽式MEFP战斗部影响因素的正交优化设计

2.1 正交优化设计方案及结果

通过数值分析和相应的试验结果，影响药型罩断裂成型子弹丸毁伤性能的主要影响因素为：刻槽深度H、刻槽角度α、壳体厚度δ1、药型罩内径D、装药长度L、罩顶厚度δ2。以上述6因素为研究对象，采用正交优化设计，各因素设定5个水平变量，建立6因素5水平取值表，具体取值见表2。

表2 正交优化因素水平表

成型子弹丸的动能直接影响其侵彻靶板深度和毁伤性能，将成型子弹丸的动能y作为优化目标。根据正交优化设计法，具体方案及结果见表3。

表3 正交优化设计方案及结果

2.2 结果分析

由正交优化设计方案，通过仿真计算得到子弹丸动能随以上6个因素的估算边际均值变化如图3所示。

从图3(a)可以看出，子弹丸动能y随α的增加先增加后减少，在α为60°时取得最大值，当α为120°～150°时，y值显著减小，原因是α为150°时，药型罩质量显著减少。从图3(b)中可以得到，y值随H的增大，先减小再增大，之后又减小，总体的变化幅度较小，这是由于药型罩比较薄，H本身的变化幅度就小，当H为0.35 cm时，y值最大。由于药型罩的质量随罩厚δ2增大而增大，同时随着槽深H的增大而减小，综合两者的共同影响，最终y随δ2的改变呈现出波动变化，整体变化量也不大。在图3(d)中，y随D的增加先增大而后略有减小，在D取18.67 cm时，y值达到最大。y随L的增加先有较明显的增加而后增加幅度较小，在L为13.932 cm和15.48 cm时y变化不大，显然综合武器的整体效能和经济性两方面因素，L取13.932 cm为最佳选择。子弹丸在δ1为0.774 cm时取得最大值，综合考虑整个弹丸的质量，0.774 cm是一个比较理想的取值。

图3 子弹丸动能随各因素的估算边际均值变化

由图3，得到y随各因素变化的极差表，见表4。从表4可以看出，影响子弹丸动能的因素按主次关系排列，依次是L、α、δ1、δ2、D、H。

表4 子弹丸动能随各因素变化的极差表

综合以上因素的影响，可以得出影响刻槽式MEFP战斗部子弹丸动能的最优参数组合为：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。

3 结论

1)通过正交设计和极差分析得到，影响成型子弹丸动能的因素按主次关系排列，依次是装药长度L、刻槽角度α、壳体厚度δ1、罩顶厚度δ2、药型罩内径D、刻槽深度H。

2)针对药型罩口径为150 mm的刻槽式MEFP战斗部，由正交优化设计得到影响其子弹丸动能的最优化参数组合为：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。