LEFP反击战斗部结构设计研究

郑灿杰，卢连军，李勇健，钟跃武，王维占，李 根

(1.山东特种工业集团有限公司， 山东 淄博 255200； 2.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室， 太原 030051)

1 引言

聚能型爆炸反应装甲在坦克防御系统中扮演关键的角色，其作用原理是依靠本身爆炸产生的线性自锻破片对穿甲弹、聚能破甲射流进行切割和干扰，降低对坦克主装甲的毁伤威力。当穿甲弹以一定的角度高速倾斜撞击反应装甲块，在穿甲弹接近车体一段距离时，起爆聚能装药单元，形成LEFP反击单元来实现对来袭弹药的拦截，对穿甲弹的弹体结构发生破坏、偏转、弯曲、断裂，削弱杆弹的速度和质量，改变动能弹丸着靶姿态，从而降低动能弹丸对主装甲的侵彻能力。本文对LEFP反击战斗部结构进行设计计算，获得在大炸高条件下兼顾穿深与侵彻面积合理匹配的战斗部结构。

2 LEFP的成型及影响因素

LEFP是由线性成型装药爆炸后，药型罩在爆轰产物作用下挤压、翻转，在对称面上形成具有一定长度的成型侵彻体。作为一种新型聚能毁伤元，它与射流切割器相比，具有使用炸高大、后效作用强、药型罩利用率高等特点。由于LEFP的性能受材料属性、装药结构、起爆方式等影响，在一定装药口径的条件下，适当提高药型罩曲率半径，可以提高LEFP的头部速度，但形成LEFP的质量也随之减少；随药型罩壁厚的增加，导致药型罩获得的动能较少，但药型罩太薄，会导致药型罩在反转时候过早断裂，从而影响侵彻威力；随着装药高度的增大，LEFP的速度随之增大，但增大的幅度逐渐变小；壳体具有延缓稀疏波和延长装药作用时间的作用，壳体厚度的增大，破片速度也随之增大，但幅度并不大。药型罩壁厚是众多因素(药型罩曲率半径、装药高度、药型罩壁厚和壳体)中影响LEFP成型的主要因素。

3 数值模拟

针对来袭目标设计LEFP结构，使用有限元软件，模拟150 mm长LEFP反击战斗部侵彻钨杆和45#钢板的过程，获得反击毁伤单元的初速、动能等参数并计算动态威力。

针对毁伤元结构，本文进行了部分简化，建立了相应的有限元计算模型。计算时，采用TRUEGRID软件建模，生成模型k文件，然后使用ANSYS/LS-DYNA进行求解计算。考虑整个模型有一定的对称性，建模时为了减少计算量，只需建立1/2模型即可模拟战斗部侵彻钨杆及45#钢板过程；计算网格均采用六面体实体单元，药型罩、战斗部装药采用ALE算法，壳体、目标靶弹采用拉格朗日算法，目标靶弹炸药和壳体之间的相互作用由接触控制来定义。

计算中炸药采用高能炸药材料模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和JWL状态方程。JWL状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性，其表达式为:

(1)

=(,)

(2)

式(1)～(2)中:为来自于状态方程的炸药爆轰产物力；为任意时刻炸药单元所释放的压力；为炸药燃烧质量分数；为相对体积；为初始比内能；、、、和为输入参数。

这里采用B炸药，表1给出了B炸药主要参数。

表1 炸药的材料参数(单位制：mm-ms-kg-GPa)Table 1 Material parameters of explosives

药型罩对成型聚能侵彻体的质量好坏起决定作用，直接决定了其毁伤性能的优劣。目前最多采用的药型罩材料是紫铜，其密度高、塑性优良，形成的侵彻体破甲效果优异。因此，反击单元系统的药型罩材料选取紫铜，材料模型为MAT_JOHNSON_COOK，它是在考虑了金属材料承受大应力、高应变率以及高温的情况下，用来描述动态响应过程和材料变形问题。表2列举了紫铜材料的具体参数。

表2 紫铜材料参数(mm-ms-kg-GPa)Table 2 Material model and state equation of red copper

对于Euler算法和多物质ALE流固耦合算法来说，建模还需要在侵彻体飞行的整个区域范围内添加空气域，并在边界点上施加压力流出的边界条件，避免边界效应对计算精度的影响。空气域所用的材料模型为MAT_NULL，采用线性多项式状态方程EOS_LINEAR_POLYNOMIAL，表示单位初始体积内能的线性关系。压力值的表达式为：

=++++(++)

(3)

(4)

式(3)～(4)中：～为常数；为相对体积；为初始内能。

本文数值计算中空气的材料参数如表3所示。

表3 空气的材料参数Table 3 Material parameters of air

研究采用直径30 mm钨杆和70 mm厚45#钢材料作为打击目标，研究3种结构聚能装药的侵彻性能。材料模型采用应变率相关和失效相结合的各向同性塑性随动硬化模型。

数值仿真通过对装药、药型罩、装药壳体、起爆方式、毁伤威力数值的计算，初步设计了装药结构和药型罩，其药型罩口径为45 mm，装药类型为B炸药，壳体为1.5 mm厚的铝壳。药型罩见图1。

图1 反击战斗部3种药型罩示意图Fig.1 Counter attack warhead three kinds of drug cover schematic diagram

该计算方案的有限元分析模型如图2所示。

1.战斗部壳体；2.药型罩；3.战斗部装药；4.等效钨棒图2 计算模型示意图Fig.2 Calculation model

模拟反击战斗部与来袭目标靶弹的作用姿态，并对其进行切割，观察对目标靶弹的作用情况。

4 仿真结果分析

4.1 3种毁伤元成型

3种药型罩成型状态如图3所示。3种毁伤元数据参数如表4所示。

从图3可以看出，3装药结构均能形成对穿/破甲弹进行毁伤的LEFP毁伤元。从表4毁伤元数据参数可以看出，锥形和亚半球形药型罩形成的毁伤元速度差小，头部速度几乎相同，能够在大炸高下对钨杆进行毁伤；半球形药型罩形成的毁伤元头部速度高，头尾速度差大，容易断裂。

图3 3种药型罩成型状态示意图Fig.3 Forming status diagram of three types of drug cover

表4 3种毁伤元数据参数Table 4 Three damage metadata parameters

4.2 3种毁伤元侵彻结果分析

半球结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程,亚半球结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程,锥形结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程分别如图4、图5、图6所示。

图4 半球结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程示意图Fig.4 Penetration process of hemispherical structural damage element to 45# steel and tungsten rod

图5 亚半球结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程示意图Fig.5 Penetration process of subhemispheric structural damage element on 45# steel and tungsten rod

图6 锥形结构毁伤元对45#钢、钨杆侵彻过程示意图Fig.6 Conical structure damage element to 45# steel, tungsten rod penetration process

对钢靶和钨杆的毁伤元数据参数如表5所示。

表5 3种毁伤元数据参数(mm)Table 5 hree damage metadata parameters

3种毁伤元分别对钨杆和45#钢进行侵彻。从侵彻深度上看，半球罩装药结构要明显优于其他2种装药结构，但从作用面积看劣于其他2种。锥形罩装药结构与亚半球装药，由于其母线长度短、锥角度大、曲率半径较小且药型罩壁厚较后，在爆轰产物的作用下挤压、翻转，形成的LEFP速度较低且速度梯度较小，侵彻能力稍差，但药型罩利用率高，对炸高不敏感，作用面积较大。半球形装药结构形成的毁伤元速度高，速度梯度大，毁伤元被拉长，利于对钨杆和钢靶的侵彻，但由于作用时毁伤元容易断裂，且药型罩利用率不高，因此在改变对钨杆及钢靶姿态时劣于前2种结构。

5 试验

为了验证LEFP反击战斗部威力选取锥行、半球形等2种线性装药结构，进行了2发静爆试验。试验中所使用装药结构尺寸与数值计算模型相同，装药采用B炸药注药工艺，装药密度1.67 g/cm；药型罩采用紫铜板料压制而成。靶板材料为45#均质钢与等效25 mm钨杆。试验结果如图7、图8所示。

图7 锥罩LEFP切割钨棒和靶块实物图Fig.7 The cone hood LEFP cuts tungsten rod and target block

图8 半球罩 LEFP切割钨棒和靶块实物图Fig.8 The hemisphere hood LEFP cut tungsten rod and target block

试验结果与仿真结果(图4、图6)能够相互印证，切孔尺寸基本相当，可见数值模拟具有一定的可靠性。半球罩聚能装药对钢靶及钨杆的切孔形貌窄深，而锥形罩装药结构对钢靶及钨杆的切孔形貌宽浅，由此可知，锥形罩装药结构对炸高不敏感，作用面积较大，对靶板和钨杆侵彻的宽度优于半球罩聚能装药。

6 结论

1) 3种装药结构均能形成对钨杆进行毁伤的LEFP毁伤元。锥形和亚半球形药型罩形成的毁伤元速度差小，能够在大炸高下对钨杆进行毁伤；半球形药型罩形成的毁伤元头部速度高，头尾速度差大，容易断裂。

2) 锥形罩装药结构与亚半球装药，由于其母线长度短、锥角度大、曲率半径较小且药型罩壁厚较厚，在爆轰产物的作用下挤压、翻转，形成的LEFP速度较低且速度梯度较小，不利于对钨杆和钢靶的侵彻，但药型罩利用率高，对炸高不敏感，作用面积较大。

3) 半球形装药结构形成的毁伤元速度高，速度梯度大，毁伤元被拉长，利于对钨杆和钢靶的侵彻，由于作用时毁伤元容易断裂，且药型罩利用率不高，因此在改变对钨杆及钢靶姿态时劣于前2种结构。