双层罩轴向组合式装药结构MEFP数值模拟

辛广华，杨宝良，景 彤，赵太勇，王维占，易荣成，王卓硕，周 滔

(1 中北大学机电工程学院，山西 太原 030051；2 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；3 西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065；4 重庆长安工业(集团)有限责任公司，重庆 401120)

0 引言

爆炸成型弹丸(EFP)战斗部选用多层罩技术是针对复合装甲、爆炸反应装甲等新型装甲的迭代和创新而采用的新型技术。多层罩EFP的药型罩呈轴向叠加放置,在起爆时可形成多个可稳定分离的爆炸成型弹丸,对装甲可形成多重侵彻毁伤。多层罩技术在EFP中的应用具有装药化学能利用率高等特点,可显著提高弹丸装甲的侵彻能力。国内外学者对多层药型罩技术进行了大量研究[1-2]。Hong等[3]对双层罩的形成过程进行细致的数值仿真研究。Fong等[4]对两层和三层铁EFP战斗部进行试验研究,获得长径比很大的EFP战斗部。杨帅等[5]建立了前后级爆炸成型弹丸飞行速度的理论计算模型,分别得出实现双层EFP的包覆或分离的结构参数取值范围。杨朝霞等[6]提出了一种双层阶梯型聚能装药结构,在大炸高条件下,可实现对移动目标的多孔毁伤效应。王维占等[7]通过对铜-铁复合双层EFP球缺罩数值模拟得到双层罩结构内罩采用顶厚边薄结构,外罩采用顶薄边厚结构时,可实现对内罩较好的包覆效果。滕桃居等[8]研究内外罩材料对串联EFP的成型及侵彻性能的影响,设计了5种不同材料组合的双层药型罩,得到了铝-纯铁组侵彻体对钢筋混凝土靶板表现出较好的侵彻效果。

MEFP战斗部是基于EFP战斗部在径向拓展衍生而出的一种高效毁伤战斗部。相较于传统的EFP战斗部,MEFP战斗部在径向上绕中心点均匀放置多个药型罩,在起爆时可形成多个爆炸成型弹丸,具有对目标密集攻击并造成大面积毁伤的特点,大大提高了对可移动目标的中靶率,是目前国内外学者研究的热点[9-11]。Liu等[12]研究了具有7个半球形药型罩的MEFP战斗部的成型和空间散布规律,并对MEFP的成型过程和形态在数值结果的基础上进行了描述。Ma等[13]研究了药型罩与壳体一体化设计的MEFP成型特性优于单独设计。周滔等[14]提出了一种新型组合式端面MEFP聚能装药结构,该结构能成型一枚“杆式”的中心弹丸和12枚“拳状”的周向辅助弹丸,可对装甲目标产生多点毁伤效应。朱斐宇等[15]选用了轴向组合式MEFP战斗部,研究了3种装药材料对轴向式MEFP成型及侵彻效果,并得到了在特定装药下药型罩壁厚和曲率半径最佳取值范围。杨宝良等[16]对在不同起爆方式下MEFP战斗部形成的EFP阵列进行了研究,得到在中心线起爆与端面起爆方式下的MEFP均能形成初速大、攻角小、气动性能良好的EFP。

基于EFP多层罩技术侵彻深度大的优点和MEFP多点毁伤的特点提出了一种双层罩轴向组合式装药MEFP,运用数值模拟的方式再现了该结构成型及侵彻过程,研究装药高度、主(辅)曲径比、主(辅)壁厚、主(辅)前后级壁厚比等因素对爆炸成弹丸成型规律的影响,并探究其对45#钢靶板的侵彻能力。

1 装药结构方案设计

提出一种双层等壁厚球缺型药型罩、轴向组合式装药结构的MEFP。战斗部有限元网格示意图如图1所示。双层罩组合装药式MEFP结构主要由壳体、隔板、独立主辅装药、闭气环、主辅双层药型罩组成,网格尺寸分别为1.5 mm、2 mm、2 mm、1 mm、0.6 mm。为对目标装甲多点毁伤,采用9罩式结构,主罩1枚双层,辅罩8枚双层,辅罩绕主罩中心周向均匀放置。主辅罩装药间距15 mm,起爆方式采用9点同时起爆,起爆点位于各子装药顶面中心位置。各子装药之间由隔板填充,材料为尼龙材料,用以减小各主辅装药之间爆轰波的影响。MEFP结构示意图如图2所示,H为装药高度,D1,D2分别为主、辅罩装药直径,R1,R2分别为主、辅罩曲率半径。图2结构模型中主罩底内口径和装药直径为50 mm,辅罩底内口径和装药直径为30 mm,口径170 mm,壳体壁厚5 mm,闭气环厚度4 mm。

图1 MEFP有限元网格示意图Fig.1 Schematic of MEFP finite element mesh

图2 MEFP结构示意图Fig.2 Schematic diagram of MEFP structure

通过TRUEGRID建立该MEFP有限元网格模型,为观测主、辅药型罩全运动过程,建立该结构的三维全模型。数值模型采用g-cm-μs单位制。计算网格是Solid164八节点六面体单元,壳体、装药、隔板、药型罩、闭气环等均采用拉格朗日算法,各部件之间的接触采用自动面-面接触算法。在数值模拟计算过程中,装药采用8701高爆炸药,材料模型为HIGH_EXPLOSIVE_BURN,状态方程为JWL,其主要参数见表1[6]。主、辅前后级药型罩材料采用紫铜,闭气环材料采用铝,壳体材料采用45#钢,金属材料全部采用JOHNSON-COOK材料模型,状态方程为GRUNEISEN,材料主要参数见表2[6]。隔板采用尼龙材料,模型采用MAT_PLASTIC_KINE MATIC,材料参数见表3[17]。

表1 8701炸药参数Table 1 Parameters of 8701 explosive

表2 金属材料参数Table 2 Parameters of metal material

表3 尼龙材料参数Table 3 Parameters of nylon material

2 MEFP成型过程分析

双层罩轴向组合式装药结构MEFP的聚能结构主要由壳体、隔板、药型罩和闭气环组成,在0～1 μs时装药被瞬间起爆,在1～9 μs时高爆炸药8701瞬间起爆所产生的高压以球形爆轰波在各子装药内传播。由于尼龙材料作为隔板在装药与装药之间充当填充物质,大大削弱了各爆轰波之间的相互影响,使得各爆轰波在各自装药内传播具有较好的独立性,9 μs时爆轰波与药型罩接触,爆轰波在装药和药型罩分界面发生透射和反射现象;在9～12 μs时,透射波由分界面传入药型罩使药型罩发生塑性变形,反射波反向传入装药。爆轰应力波传播过程见图3。

图3 爆轰波传播示意图Fig.3 Schematic diagram of blast wave propagation

爆轰波在各聚能部件聚能作用下与双层药型罩接触,在接触瞬间完成装药和药型罩之间的能量传递,并且药型罩在爆炸载荷作用下发生压垮、翻转、成型等过程,主辅双层罩成型过程如图4所示。

图4 双层罩组合式装药MEFP成型过程Fig.4 The forming process of double-layer liner combined charge MEFP

在MEFP成型过程中分为4个阶段：压垮阶段(0～14 μs)、翻转阶段(14～46 μs)、成型阶段(46～150 μs)和稳定分离阶段(150 μs之后)。压垮阶段爆炸载荷作用于药型罩,使得药型罩由原本球缺罩压垮成饼状。在翻转阶段,药型罩同爆轰产物有效作用结束,药型罩顶部微元的轴向速度大于底部微元的轴向速度,从而在药型罩顶部与底部形成速度梯度,药型罩各微元在速度梯度作用下由饼状向外翻转并逐渐向弹丸形状成型。在成型阶段,药型罩中部轴向速度超前,边缘轴向速度滞后,因此向对称轴收拢,最终形成带尾裙的弹丸。前级EFP轴向速度始终大于后级EFP轴向速度,前后级EFP在飞行过程中可稳定分离。在稳定分离阶段前后级EFP完全分离并进行持续性分离。在分离过程当中,中心双层罩受周向爆轰波影响较为均匀,飞行过程当中轴向性较好,周向双层罩受中心爆轰波影响在飞行过程中存在一定的扩散,150 μs时各EFP成型参数如表4所示。

表4 150 μs时各MEFP成型参数Table 4 MEFP moulding parameters at 150 μs

3 MEFP成型因素分析

3.1 装药高度影响分析

装药长径比L/D对EFP的速度有较大的影响。当装药长径比增大时,EFP的长径比亦增大,速度相应提升,但其速度的提升幅度随装药长径比的增加而逐渐减小[18]。在主装药直径50 mm、辅装药直径30 mm、主罩曲率半径50 mm、辅罩曲率半径39 mm、药型罩壁厚4 mm、主辅药型罩前后级壁厚1∶1既定条件下,探究装药高度H在60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、85 mm、90 mm七种工况条件下的MEFP主辅双层罩成型规律,成型结果见表5。

表5 不同装药高度下MEFP主(辅)双层罩成型对比Table 5 Comparison of MEFP main(auxiliary) double-layer liners moulding at different charging heights

由图5可知,随装药高度增加,各主辅前后级EFP的速度也随之增加,且随装药高度增加呈现线性增长,主辅前级EFP速度均大于主辅后级EFP速度,有利于前后级EFP稳定分离。

图5 EFP长径比、速度随装药高度变化图Fig.5 Variation of EFP L/D ratio and speed with charging height

随装药高度增加,主辅前级EFP长径比呈现增长趋势,主罩前级长径比随装药高度增长尤为明显;主辅后级EFP长径比呈现稳定趋势。原因是后级EFP在塑性变形过程当中有来自前级EFP塑性变形的束缚,而前级EFP没有。当装药高度为60 mm、65 mm时装药过低,EFP长径比过小,成型为短粗状,不利于弹丸对装甲的侵彻。当装药高度为80 mm、85 mm、90 mm时装药过高,EFP长径比过大,成型长条状,不利于弹丸在空中的稳定飞行。当装药高度为70 mm、75 mm时,EFP长径比适中,弹丸成型较好,有利于弹丸稳定飞行和对装甲的侵彻。装药高度为75 mm时,各EFP的速度、长径比均优于装药高度为70 mm,故装药高度选定75 mm。

3.2 药型罩曲径比影响分析

药型罩曲径比R1/D1(R2/D2)对EFP成型有较大影响。在装药高度75 mm、药型罩壁厚4 mm和主辅药型罩前后级壁厚1∶1等既定条件下,探究主(辅)曲径比R1/D1(R2/D2)在0.7(1.0)、0.8(1.1)、0.9(1.2)、1.0(1.3)、1.1(1.4)、1.2(1.5)、1.3(1.6)七种工况条件下的MEFP主辅双层罩成型规律,成型结果见表6。

表6 不同曲径比R1/D1(R2/D2)下MEFP主(辅)双层成型对比Table 6 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding under different curvature ratios

由图6可知随主辅曲径比增大,主辅前级EFP速度减小,主辅后级EFP后级速度增大,前级EFP速度总大于后级EFP速度,有利于前后级EFP稳定分离,且前后级EFP速度随曲径比增大趋于平缓、稳定。这是因为随曲径比增大,药型罩与装药接触面积减小,药型罩罩顶高度减小,所受到的爆炸载荷作用减小,这直接导致主辅前级EFP速度减小。而后级EFP速度增大是由于双层药型罩在接触传递能量过程中,前级EFP所获取的能量减少,故后级EFP所获取到的能量增加,后级EFP速度增大。双层罩EFP在塑性变形过程中,后级EFP塑性变形始终受到前级EFP塑性变形束缚,故主辅前级EFP速度均大于主辅后级EFP速度。

图6 EFP长径比、速度随主(辅)曲径比变化图Fig.6 Variation of EFP L/D ratio and speed with main (auxiliary) curvature to diameter ratio

随主辅曲径比增大,主辅前级EFP长径比从整体上观察呈现减小趋势,主辅后级EFP总体上呈现增大趋势。主辅前级EFP速度的下降导致EFP顶部微元与EFP底部微元速度梯度减小,故主辅前级EFP长径比减小。同理,主辅后级EFP速度增大致使主辅后级EFP长径比增大。

由表6可知得,主(辅)曲径比在0.7(1.0),0.8(1.1),0.9(1.2)工况下长径比过大,不利于侵彻。主(辅)曲径比在1.1(1.4),1.2(1.5),1.3(1.6)工况下长径比过小,不利于稳定飞行。主(辅)曲径比在1.0(1.3)下,主(辅)前后级EFP成型较好。

3.3 药型罩壁厚影响分析

药型罩总壁厚对EFP成型有影响。在装药高度75 mm、主(辅)曲径比1.0(1.3)、主(辅)前后级壁厚1∶1等既定条件下,探究主(辅)壁厚在3.0 mm(1.5 mm)、3.5 mm(2.0 mm)、4.0 mm(2.5 mm)、4.5 mm(3.0 mm)、5.0 mm(3.5 mm)五种工况条件下的MEFP主辅双层罩成型规律,成型结果见表7。

表7 不同主(辅)壁厚下MEFP主(辅)双层成型对比Table 7 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding with different main (auxiliary) wall thicknesses

由图7可知,随着罩壁厚增加,主辅前后级EFP速度均呈下降趋势,原因是随罩壁厚越厚,药型罩发生塑性变形过程需要消耗的能量越大,而药型罩所受到的爆炸载荷一定,故各EFP的速度均呈现下降趋势,且各EFP速度减小幅度随总壁厚增加而减缓。各工况下辅罩壁厚均小于主罩壁厚,这使得辅罩前后级EFP速度均大于主罩前后EFP速度。

图7 EFP长径比、速度随主(辅)药型罩总壁厚变化图Fig.7 Variation of EFP L/D ratio and speed with the wall thickness of the main (auxiliary) double-layer liners

随着壁厚增加,各EFP的长径比总体呈减小趋势。原因是因为EFP的速度呈现下降趋势,各EFP速度梯度减小,各EFP长径比也随之减小,且各EFP长径比减小幅度随壁厚增加而减缓。

由表7中EFP成型形态可知,主(辅)壁厚为3.0 mm(1.5 mm)、3.5 mm(2.0 mm)时,各EFP成型长条状,长径比过大,容易断裂。主(辅)壁厚为4.5 mm(3.0 mm)、5.0 mm(3.5 mm)时,各EFP成型短粗壮,长径比较小,不利于侵彻。主(辅)壁厚为4.0 mm(2.5 mm)时,主辅前后级EFP成型较好,长径比适中,有利于稳定飞行和侵彻。

3.4 前后级壁厚比影响分析

双层结构中,药型罩前后级壁厚比对EFP成型有影响。在装药高度75 mm,主(辅)曲径比1.0(1.3)、主(辅)壁厚4.0 mm(2.5) mm等既定条件下,探究前后级药型罩壁厚比值在0.33、0.50、0.67、1.00、1.50五种工况条件下的MEFP主辅双层罩成型规律,成型结果见表8。

表8 不同前后级罩壁厚比下MEFP主(辅)双层成型对比Table 8 Comparison of MEFP main (auxiliary) double-layer liners moulding with different wall thickness ratios of front and rear liners

由图8可知,随前后级壁厚比值增大各EFP的速度也随之呈线性下降。由于辅罩壁厚薄于主罩壁厚,使得周向辅罩前后级EFP的速度均大于中心主罩前后级EFP的速度,且主(辅)前级EFP速度均大于主(辅)后级EFP速度。

图8 EFP长径比、EFP速度随主(辅)前后级壁厚变化图Fig.8 Variation of EFP L/D ratio and speed with wall thickness ratio of main (auxiliary) front and rear level liner

随前后级壁厚比值增大各子EFP长径比均随之先减小后增大,这是因为前后级壁厚随壁厚比增大由最初前薄后厚逐渐变成前厚后薄造成的。主(辅)前后级EFP在壁厚比值大于0.5时均呈现头部小、中径细、尾翼大的特点,壁厚比为0.5较0.33各EFP尾裙更加收敛。故MEFP成型在壁厚比为0.5时较好。

4 侵彻威力分析

4.1 MFEP极限侵彻威力分析

综上所述,双层罩轴向组合式装药结构MEFP在装药高度75 mm、主(辅)曲径比1.0(1.3)、主(辅)罩壁厚4.0 mm(2.5 mm)、主(辅)罩前后级壁厚比值0.5时各EFP成型较好。选定以美国LAV-25轮式步兵战车作为MEFP的侵彻目标验证MEFP侵彻能力,选取正面首上装甲,等效靶为12 mm厚45#钢靶[14],靶板长×宽为400 mm×400 mm,靶板中心200 mm×200 mm区域进行网格加密1 mm,周边区域通过3∶1比例进行2次网格稀疏化处理,以减小仿真计算量。通过在炸高0.3 m处主辅前级EFP侵彻45#钢靶板,主辅后级EFP侵彻45#钢靶板,MEFP整体侵彻45#钢靶板仿真实验来验证主辅前级EFP、主辅后级EFP、MEFP整体对装甲的毁伤能力。毁伤结果见图9和表9。

表9 MEFP侵彻结果统计表Table 9 Statistics of MEFP penetration results

图9 炸高0.3 m时MEFP侵彻45#钢靶板Fig.9 MEFP penetrate into 45# steel target plate at 0.3 m height of burst

由图9可知,前级EFP和后级EFP单独侵彻45#钢靶板均可稳定穿透第一层靶板并对第二层靶板造成局部毁伤,MEFP对45#钢靶板可稳定穿透两层靶板,并对第三层靶板局部区域造成毁伤。无论是前级EFP、后级EFP对45#钢靶板单独侵彻,还是MEFP对45#钢靶板整体侵彻,均对45#钢靶板造成了9点位贯穿毁伤。由表9数据可知,开孔直径均大于10 mm,MEFP侵彻深度较前级EFP,主罩和辅罩分别提升了69.7%和40%,较后级EFP,主罩和辅罩分别提升了86.7%和84.2%。由侵彻结果可知,双层罩轴向组合式装药结构MEFP可以对装甲目标实现深侵彻、多点位毁伤。

4.2 大炸高下MEFP侵彻威力分析

MEFP在稳定飞行阶段,辅罩EFP受中心爆轰波影响,在轴向上存在一定的扩散,这对MEFP侵彻目标装甲有所影响。对MEFP在炸高分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m五种工况下探究MEFP对靶板的开孔特点。

由图10可知,炸高为1 m、2 m时,主罩EFP轴向性较好,对靶板开孔在一个点位上,辅罩由于存在扩散,前级EFP和后级EFP对靶板开孔相连,对靶板开出9个孔位。当炸高不小于2 m时,主罩EFP同轴性依旧很好,辅罩EFP扩散性随炸高增大而增大,且辅罩前级EFP和后级EFP开孔分离并在靶板开孔上呈“米”字形,可对靶板开出17个孔洞。

图10 大炸高下MEFP开孔特性Fig.10 MEFP opening characteristics under large burst heights

由表10数据和图11曲线图观察可知,辅罩前后级毁伤半径均随炸高增大而增大,且辅罩前后级EFP毁伤半径间距随炸高增大而增大。由上所述,MEFP在大炸高工况下,可对目标靶板实现多孔位毁伤。

表10 辅罩前后级EFP开孔参数表Table 10 Parameters of EFP openings of auxiliary liner

图11 辅罩落点毁伤半径随炸高变化示意图Fig.11 Schematic diagram of the variation of damage drop radius of auxiliary liner with burst height

5 结论

1)通过MEFP成型数值仿真计算,验证了文中提出的双层罩轴向组合式装药MEFP聚能战斗部结构的可行性,该战斗部起爆后可稳定成型前级9枚,后级9枚,总计18枚EFP。实现了双层罩技术在MEFP中的应用。

2)双层罩轴向组合式装药结构MEFP在装药高度为75 mm、主(辅)罩曲径比为1.0(1.3)、主(辅)罩壁厚为4 mm(2.5 mm)、主(辅)药型罩壁厚比值为0.5时,MEFP各子EFP长径比适中、速度较大,具体表现为主罩前(后)级EFP长径比为1.88(1.82),辅罩前(后)级长径比为2.31(1.78),主罩前(后)级EFP速度为1 712 m·s-1(1 371 m·s-1),辅罩前(后)级EFP速度为2 257 m·s-1(1 894 m·s-1)。

3)MEFP在炸高为0.3 m时各子EFP对目标装甲开孔均大于10 mm,MEFP前级和后级EFP均可稳定穿透一层靶板,MEFP在穿透两层靶板后任具有后效侵彻能力。在大炸高条件下, MEFP中心主罩同轴性较好,可对目标装甲进行双重侵彻毁伤,周向辅罩具有扩散性,可对目标装甲进行多点位毁伤,最多可对目标开17个孔位,辅罩前后级EFP孔位和孔位间距随炸高增大呈‘米’字形扩散。

研究内容对多层罩技术应用于MEFP末敏弹聚能战斗部结构发展提供了参考。