整体式MEFP成型影响因素分析

【摘要】为提高多爆炸成型弹丸（MEFP）战斗部的成形效果，设计一种由一个主药型罩和12个副药型罩组成的整体式MEFP。利用AUTODYN仿真研究装药长径比、嵌板倾角、主药型罩的壁厚及主药型罩曲率半径对MEFP成型的影响，得到了较强侵彻能力及合适飞散角的MEFP。

【关键词】MEFP|数值模拟|飞散角

在现代战争中传统的单EFP往往在有些情况不能很好地满足要求，面对大规模坦克装甲车辆的进攻，如何有效阻碍并摧毁它们已成为地面战场胜负的关键。专为反直升机与装甲车而研究的MEFP技术日趋成熟[1]。MEFP是在单个EFP基础上发展起来的一种新型聚能装药技术，具有良好的作战效能、杀伤半径大、摧毁目标能力强等优点，成为应对轻型装甲目标的有效手段之一，因此成为国内外战斗部技术研究热点之一[2]。

MEFP战斗部按照其装药结构主要分为整体式、组合式与切割式三种。其中，组合式MEFP起爆时需引爆每个子装药，起爆同步性要求较高，同时由于受各子装药爆轰波之间的相互干扰很难控制毁伤元的发散角和散布面积；切割式MEFP生成的弹丸质量与动能较低，成型弹丸的形状不是很理想，侵彻能力与飞行稳定性不够好[3]；而整体式MEFP是由多个药型罩布置在装药端面，可成型较理想的弹丸。付璐、张健、赵长啸等[4-6]对组合式、刻槽式MEFP进行了大量研究，然而关于整体式MEFP战斗部结构参数（如装药长径比，药型罩参数，起爆方式等）对MEFP成型弹丸的影响研究较少。本文设计了一种主、副罩结合的整体式MEFP装药结构，采用AUTODYN仿真软件研究了嵌板倾斜角度、装药长径比、主药型罩壁厚比、主药型罩曲率半径等参数对MEFP成型性能的影响，为MEFP战斗部工程化应用提供理论支撑。

一、仿真模型

（一）几何模型

整体式MEFP实体模型，药型罩由一个置于战斗部中央主药型罩和12个周向均匀分布的副药型罩组成，由战斗部中嵌板固定，主药型罩为变壁厚球缺型药型罩，副药型罩为等壁厚球缺型罩。战斗部三维构型和二维简化模型如图1所示。L为战斗部装药长度，D为装药直径，D0为起爆时战斗部起爆直径，R为主药型罩内弧曲率半径，主药型罩弧尾T1与弧顶厚度T2比值T。为减小飞散角，嵌板与战斗部轴线间需要有一定的角度θ。

（二）材料模型

数值模型采用ICEM软件作为前处理进行1/4计算模型的网格划分，将生成的模型导入AUTODYN-3D软件进行求解计算。由于爆炸成型弹丸的形成涉及高应变率、高过载过程，需要采用ALE算法来计算涉及网格大变形、材料流动问题的EFP形成过程。仿真采用流固耦合方法，主副药型罩、嵌板及壳体采用ALE算法，装药采用Euler算法。

仿真模型中药型罩、装药及壳体材料分别取为紫铜、8701炸药和45号钢。紫铜及45号钢材料采用JohnsonCook本构模型及Gruneisen状态方程。

（三）成型过程

战斗部采用中心起爆，即D0/D=0；嵌板倾斜角θ为6°；药型罩壁厚比T=0.9；装药长径比L/D=0.9；主药型罩半径与装药直径比值R/D=0.8条件下战斗部成型情况如图2所示。

结果表明：30μs以后爆轰产物对药型罩的影响非常小，所以在30μs在计算模型中删除爆轰产物以及壳体单元。在300μs时，主、副药型罩基本成型，战斗部形成一个中心主EFP加轴向12个副EFP组成的EFP毁伤元阵列。

二、结构参数对成型效果的影响

在整体式MEFP中对EFP性能指标有主要影响的有主EFP的速度V1、长径比K；副EFP轴向速度V2、径向速度 V3、飞散角α。而副EFP飞散角可以由副EFP的径向速度以及轴向速度求得。

以上述参数研究嵌板倾斜角θ；药型罩壁厚比T；装药长径比L/D；主药型罩半径与装药直径比值R/D对EFP成型的影响。并将各因素转化为无量纲量。其中：对于嵌板倾斜角θ取值范围为5°～9°；药型罩壁厚比T取值范围为0.8～1.2；装药长径比L/D取值范围为0.7～1.1；主药型罩半径与装药直径比值R/D取值范围为0.6～1.0。

（一）嵌板倾角θ对MEFP成型的影响

由于爆轰波在副药型罩作用的不对称性引起副EFP产生一定的飞散角，因此需要副药型罩有一定的倾角以减小副EFP的飞散。而副药型罩固定在嵌板上，因此考虑嵌板倾角θ对EFP成型的影响。在T=0.9、L/D=0.8、R/ D=0.8、D0/D=0时，通过仿真计算嵌板倾角θ（间隔1°）各取值下MEFP成型指标，得到主EFP速度V1和长径比K、副EFP轴向速度V2、飞散角α变化曲线图3。

随θ从5°增加到9°，嵌板倾角对主EFP的速度V1影响不明显，仅变化0.8%，主EFP的长径比K有所增加，30%；副EFP轴向速度V2减小2.6%，飞散角α减小，由2.41减小到-0.3。这是由于θ增加，副药型罩微元抛射角增加，轴向速度降低。在9°时飞散角α为负，会造成副EFP向战斗部轴线汇聚，对提高MEFP战斗部毁伤效能不利。因此，嵌板倾角取值在8°。

（二）装药长径比L/D对MEFP成型的影响

EFP的装药长径比是影响EFP成型的一项重要参数，不同的装药长径比爆轰波传播不同，装药的能量利用率不同，得到的EFP的成型速度不同。在θ=6°、T=0.9、R/D=0.7、D0/D=0时，通过仿真计算装药长径比L/D（间隔0.1）各取值下MEFP成型指标，得到主EFP速度V1和长径比K、副EFP轴向速度V2、飞散角α变化曲线图4。随着装药长径比L/D由0.7增加到1.1，主EFP的速度V1明显增加，增加幅度为13.7%，长径比K由1.3增加到2.35；副EFP的轴向速度、飞散角增加。

（三）主药型罩的壁厚比T对MEFP成型的影响

主EFP的壁厚比是EFP成型形状的主要参数，在一定范围内壁厚比越大，头尾速度差越小，EFP尾部压合位置越靠后有利于形成较好尾裙结构。考虑壁厚比对EFP成型的影响，在θ=6°、L/D=0.8、R/D=0.8、D0/D=0时，通过仿真计算主药型罩的壁厚比T（间隔0.1）各取值下MEFP成型指标，得到主EFP速度V1和长径比K、副EFP轴向速度V2、飞散角α变化曲线图5。

随着壁厚比的增加，主EFP的速度减小，这是由于壁厚比增加，主药型罩质量增加，在相同装药下EFP的速度减小；而随着壁厚比的增加，成型的主EFP的长度增加，直径减小，EFP长径比增加，这种情况主要是由于壁厚比的增加同时也增加了主EFP的径向速度，在压合的作用下形成长径比较长的EFP；对副EFP的轴向速度与飞散角影响不大。但壁厚比的增加，主EFP尾裙的压合位置越靠前，EFP的尾部质量越大，形成EFP飞行稳定性较低。而壁厚比对副EFP的影响不大。因此，选取壁厚比为0.8时可以得到较好的EFP。

（四）主药型罩曲率半径R/D对成型MEFP的影响

药型罩的曲率半径关系到炸药汇聚能量的比率，当曲率半径过小，汇聚能量过大，形成的弹丸的长径比较大，容易被拉断；曲率半径过大，则汇聚能量较小，形成的弹丸长径比较小，得不到侵彻能力较高的EFP。因此，为得到合适的主药型罩的曲率半径，考虑主药型罩曲率半径对MEFP的影响。在θ=6°、T=0.9、L/D=0.8、D0/D=0时，通过仿真计算主药型罩的壁厚比R/D（间隔0.1）各取值下MEFP成型指标，得到主EFP速度V1和长径比K、副EFP轴向速度V2、飞散角α变化曲线图6。

主EFP的速度随着曲率半径的增大而增大，长径比随着曲率半径增加而减小，这是由于曲率半径增加，炸药的汇聚能力减小；副EFP的轴向速度随着曲率半径增加而增加，同时副EFP的飞散角增加。

三、结论

通过对整体式MEFP值仿真，得到以下结论：

（1）嵌板倾斜角θ取值由5°增加到9°时，主EFP的长径比增加30%；副EFP轴向速度减小2.6%，飞散角减小。为得到合适的副EFP飞散角，嵌板倾角在8°时较好。

（2）随着装药长径比的增加，主EFP的速度明显增加，副EFP的轴向速度、飞散角增加。

（3）主EFP壁厚比主要影响主EFP的速度及成型质量，对副EFP影响较小。随着主药型罩壁厚比的增加，主EFP速度减小，长度增加，直径减小，长径比增加。为得到较好的尾裙结构，选取壁厚比为0.8时，EFP成型较为理想。

（4）主EFP的速度随着曲率半径的增大而增大，形成的主EFP长度及长径比随着曲率半径的增加而减小，副EFP轴向速度与径向速度随着曲率半径增加而增加，同时副EFP飞散角增加。中国军转民

参考文献

[1]王志军，尹建平.弹药学[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[2]李裕春，程克明.多爆炸成形弹丸技术研究[J].兵器材料科学与工程，2008（03）.

[3]赵长啸，龙源.整体式多爆炸成形弹丸战斗部数值模拟及试验研究[J].兵工学报，2013（34）.

[4]付璐，尹建平.组合式战斗部的正交优化设计[J].弹箭与制导学报，2012（37）.

[5]张健，赵爽.刻槽数量对刻槽式成型的影响研究[J].沈阳理工大学学报，2016（35）.

[6]樊雪飞，李伟兵.装药爆轰控制结构参数对双模毁伤元的影响[J].含能材料，2016（24）.

（作者单位：安徽神剑科技有限公司）