黃 松，尹建平，張 斐，王少宏，韓陽(yáng)陽(yáng)

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多層串聯(lián)EFP成型及侵徹對(duì)比分析研究

黃 松，尹建平，張 斐，王少宏，韓陽(yáng)陽(yáng)

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原，030051）

為了研究多層串聯(lián)EFP的成型及侵徹特性，設(shè)計(jì)了一種同軸放置的多層球缺藥型罩戰(zhàn)斗部。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件首先對(duì)三層球缺藥型罩的成型和侵徹過(guò)程進(jìn)行仿真分析，然后與相同結(jié)構(gòu)的雙層串聯(lián)EFP的成型及侵徹結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：相同結(jié)構(gòu)的兩種串聯(lián)EFP對(duì)100mm厚裝甲鋼靶的侵徹深度基本相同（侵深約1.1倍裝藥口徑）；兩種EFP獲得的總動(dòng)能基本不變，但雙層EFP 內(nèi)外層罩各轉(zhuǎn)移了整體動(dòng)能的15%到三層串聯(lián)EFP的中層罩上，重新分配各層EFP的動(dòng)能。本研究可為多層串聯(lián)戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

藥型罩；串聯(lián)EFP；動(dòng)能；侵徹

多層串聯(lián)式爆炸成形彈丸( explosively formed penetrators，EFP) 戰(zhàn)斗部是在復(fù)合裝甲、爆炸反應(yīng)裝甲等新型裝甲的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新概念戰(zhàn)斗部。這種聚能戰(zhàn)斗部在一個(gè)主裝藥基礎(chǔ)上，同軸放置多層藥型罩，在炸藥爆轟作用下形成多個(gè)同軸度很高的分離 EFP 或是單一大長(zhǎng)徑比EFP。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多層串聯(lián) EFP 進(jìn)行了研究，K.Weimann[1]等研究了鉭/鋼雙層藥型罩形成串聯(lián)式爆炸成型侵徹體技術(shù)。R.Fong等[2]對(duì)鋼質(zhì)雙層和三層球缺罩戰(zhàn)斗部進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)，獲得等效長(zhǎng)徑比很大的EFP。鄭宇[3-4]對(duì)雙層藥型罩毀傷元形成機(jī)理及不同材料對(duì)雙層藥型罩形成串聯(lián)EFP的影響進(jìn)行了研究。竇成彪等[5]研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)次口徑三層球缺藥型罩形成串聯(lián) EFP 的影響規(guī)律，并沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)的侵徹特性研究。可以發(fā)現(xiàn)前人學(xué)者對(duì)多層串聯(lián)EFP成型及侵徹的對(duì)比研究甚少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，主要分析了三層串聯(lián)EFP的成型和侵徹過(guò)程，對(duì)比分析了三層串聯(lián)EFP與相同結(jié)構(gòu)的雙層串聯(lián)EFP的成型及侵徹結(jié)果。

1 模型建立及計(jì)算方法

裝藥模型的建立參考文獻(xiàn)[5]的成型裝藥結(jié)構(gòu)，其中裝藥直徑 80mm，內(nèi)、中、外罩都為球缺型結(jié)構(gòu)，曲率半徑為 70mm，且厚度都為2.1mm，共軸放置。內(nèi)罩靠近炸藥，外罩遠(yuǎn)離炸藥。3層相互接觸的藥型罩之間存在自由面，可以自由滑動(dòng)和碰撞。起爆方式采用點(diǎn)起爆方式，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

模型由高能炸藥、擋環(huán)和藥型罩3部分組成，采用Lagrange算法，該算法能夠真實(shí)地看到 EFP彈丸的成型過(guò)程[6]。在模型的對(duì)稱面上施加約束對(duì)稱面上節(jié)點(diǎn)位移和旋轉(zhuǎn)自由度的約束條件。單位制采用 mm-kg-ms。炸藥與藥型罩、炸藥與擋環(huán)、藥型罩與藥型罩、藥型罩與擋環(huán)之間的接觸均采用*CONTACT_ AUTO MATIC_SURFACE_TO_SURFACE 算法。對(duì)擋環(huán)PART增加*MAT_ADD_EROSION關(guān)鍵字。由于 30μs 時(shí)炸藥爆轟作用對(duì) EFP 的成型影響已經(jīng)很小，因此在 30μs 時(shí)采用小型重啟動(dòng)分析刪除炸藥和擋環(huán)PART。計(jì)算到200μs 時(shí)結(jié)束，此時(shí)EFP速度趨于穩(wěn)定。由于模型具有對(duì)稱性，為減少計(jì)算時(shí)間，運(yùn)用TrueGrid軟件建立1/4 有限元模型，如圖2所示。

圖2 1/4三維有限元模型示意圖

利用LS-DYNA軟件對(duì)其生成的模型文件進(jìn)行模擬求解計(jì)算。

2 材料模型及參數(shù)選取

紫銅材料是聚能裝藥戰(zhàn)斗部藥型罩應(yīng)用最為廣泛的材料[7]。在數(shù)值模擬中，藥型罩內(nèi)中外層材料都選為紫銅，擋環(huán)材料選用45#鋼，并均采用Johnson- cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述藥型罩及擋環(huán)在爆轟波作用下的動(dòng)力響應(yīng)行為。計(jì)算中使用8701炸藥，選用HIGH_ EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程。JWL狀態(tài)方程可以精確描述爆炸驅(qū)動(dòng)過(guò)程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積和能量特性。材料模型的主要參數(shù)取自經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表1~2。

表1 擋環(huán)及藥型罩材料參數(shù)[8]

Tab.1 Parameter of the liner and retaining ring material

表2 裝藥材料參數(shù)[9]

Tab.2 Parameters of the charge

3 三層串聯(lián)EFP成型數(shù)值模擬

對(duì)前面所建立的裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬。起爆后不同時(shí)刻三層串聯(lián)EFP形成的物理過(guò)程如圖3所示。

圖3 三層串聯(lián)EFP形成過(guò)程

由圖3可以看出：炸藥起爆后，爆轟波首先到達(dá)藥型罩中間部分，使3個(gè)藥型罩相互碰撞，靠近軸線的微元具有足夠的徑向速度，在軸線發(fā)生碰撞并產(chǎn)生了厚度方向（垂直于藥型罩外表面法線方向）的速度差，3層相互接觸的藥型罩之間由于存在自由面，所以在速度差的作用下而開(kāi)始分離，此時(shí)藥型罩頂部軸向速度均大于底部軸向速度，各藥型罩向后翻轉(zhuǎn)。

藥型罩底部由于徑向速度低，相互接觸而未發(fā)生分離。最后由于藥型罩碰撞微元和翻轉(zhuǎn)微元之間的相互牽連作用，尾部速度提高，各接觸的藥型罩在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中逐漸分離。150μs 后 EFP 不再互相接觸，分離后的藥型罩成型與單層藥型罩形成 EFP 類似。200μs時(shí)成型的3個(gè)EFP具有穩(wěn)定的速度差，形成共軸的三層串聯(lián) EFP。此時(shí)，內(nèi)、中、外3個(gè)EFP的速度云圖及所具有的動(dòng)能變化曲線圖分別如圖4~5所示，各層EFP頭部速度及長(zhǎng)徑比值如表3所示。

表3 200μs時(shí)各EFP頭部速度及長(zhǎng)徑比值

Tab.3 The head speed and long diameter ratio of each EFP at 200 μs

圖4 200μs時(shí)三層串聯(lián)EFP速度云圖

圖5 三層串聯(lián)EFP中各層串聯(lián)EFP動(dòng)能變化曲線

4 三層串聯(lián)EFP侵徹靶板分析

為了觀察三層藥型罩 EFP 戰(zhàn)斗部毀傷元終點(diǎn)毀傷的侵徹效果，進(jìn)行侵徹裝甲鋼靶板的數(shù)值仿真。侵徹靶板仿真中裝甲鋼靶模型尺寸為200mm×200mm×100mm。炸高選取5倍的裝藥口徑尺寸。計(jì)算過(guò)程中通過(guò)完全重啟動(dòng)技術(shù)將靶板加入到計(jì)算模型中。計(jì)算中靶板采用等效失效應(yīng)變方法刪除失效單元和節(jié)點(diǎn)模擬靶板被破壞的效果[10]。三層串聯(lián)EFP侵徹裝甲鋼靶的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。在EFP侵徹初始時(shí)，外層EFP頭部開(kāi)始與靶板碰撞，在其周?chē)杆傩纬伤苄宰冃螀^(qū)和高溫區(qū)，并在靶體中產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊波。外層EFP對(duì)靶板的侵徹過(guò)程同單層EFP侵徹過(guò)程類似，都具有開(kāi)坑和侵徹階段，如圖6（a）~6（b）。在270μs時(shí)，外層EFP達(dá)到最大侵徹深度，此時(shí)外層EFP出現(xiàn)嚴(yán)重變形和侵蝕，侵徹能力降低，中層EFP開(kāi)始接觸靶板，如圖6（c）所示。

圖6 三層串聯(lián)EFP侵徹靶板過(guò)程

隨后中層EFP開(kāi)始在外層EFP的侵徹基礎(chǔ)上繼續(xù)侵徹靶板，由于中層EFP直徑較大，其一方面增加侵徹深度，另一方面擴(kuò)大侵徹孔徑。隨著侵徹進(jìn)行，中層EFP外表面部分受到高溫和磨蝕的作用，彈體速度和質(zhì)量不斷減小，動(dòng)能降低，侵徹孔徑逐漸減小，如圖6（c）~6（d）。內(nèi)層EFP的侵徹過(guò)程同中層EFP相同，隨著侵徹的進(jìn)行，孔徑逐漸減小，如圖6（e）~6（f）。在400μs時(shí)，達(dá)到最大侵徹深度，侵徹深度為89.8mm，約為1.1倍的裝藥口徑。

5 三層串聯(lián)EFP與雙層串聯(lián)EFP侵徹效果分析

本節(jié)通過(guò)仿真比較了相同結(jié)構(gòu)的三層串聯(lián)EFP和雙層串聯(lián)EFP的侵徹特性。

5.1 雙層藥型罩模型建立

本節(jié)建立相同結(jié)構(gòu)的雙層藥型罩（藥型罩的整體尺寸及質(zhì)量與三層藥型罩相同）形成串聯(lián)EFP（藥型罩曲率半徑為 70mm，且厚度都為3.15mm，共軸放置）。雙層藥型罩采用紫銅材料，其參數(shù)與三層藥型罩材料的參數(shù)一致。

5.2 兩種串聯(lián)EFP侵徹100mm厚鋼靶效果對(duì)比

前人學(xué)者[3-4,11-12]已對(duì)雙層串聯(lián)EFP的成型及侵徹過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，本文給出了200μs時(shí)雙層串聯(lián)EFP速度云圖和各層EFP所具有的動(dòng)能變化圖，如圖7~8所示。同樣計(jì)算到400μs，此時(shí)已達(dá)到最大侵徹深度，約為91.7mm。雙層串聯(lián)EFP侵徹靶板過(guò)程同三層串聯(lián)EFP侵徹靶板過(guò)程類似，外層EFP進(jìn)行開(kāi)孔和侵徹，之后的EFP在外層EFP侵徹的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行侵徹過(guò)程，400μs時(shí)都未穿透100mm厚的裝甲鋼靶板。由于兩種藥型罩結(jié)構(gòu)完全相同，從圖5和圖8可以看出，兩類EFP所具有的總動(dòng)能基本相等。三層串聯(lián)EFP侵徹靶板總深度為89.8mm，比雙層串聯(lián)EFP侵徹靶板總深度91.7mm減小2%。這是由于中、內(nèi)層EFP在增加侵徹深度的同時(shí)也在擴(kuò)大侵徹孔徑，在擴(kuò)大侵徹孔徑上消耗的能量比雙層串聯(lián)EFP內(nèi)層多。

圖7 200 μs時(shí)雙層串聯(lián)EFP速度云圖

圖8 雙層串聯(lián)EFP各層串聯(lián)EFP動(dòng)能變化

表4為兩種串聯(lián)EFP各層動(dòng)能百分比，從表4中可以看到，三層串聯(lián)EFP外層動(dòng)能約占其總動(dòng)能的44%，中層和內(nèi)層分別占其總動(dòng)能的30%和26%。雙層串聯(lián)EFP外層和內(nèi)層分別占其總動(dòng)能的60%和40%。可以發(fā)現(xiàn)，若將三層串聯(lián)EFP中層的動(dòng)能一分為二，分別給到外層和內(nèi)層上，則外層和內(nèi)層所具有的動(dòng)能和雙層串聯(lián)EFP外層和內(nèi)層所具有的動(dòng)能基本相同。即增加藥型罩層數(shù)后，兩種EFP所獲得的總動(dòng)能基本不變，但雙層EFP 內(nèi)、外層罩各轉(zhuǎn)移了整個(gè)EFP動(dòng)能的15%到三層串聯(lián)EFP的中層罩上，對(duì)各層EFP動(dòng)能進(jìn)行了重新分配。

表4 兩種串聯(lián)EFP各層動(dòng)能百分比 (%)

Tab.4 Percentage of kinetic energy of each layer of two series EFPs

6 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值仿真研究了三層串聯(lián)EFP的成型及侵徹靶板過(guò)程，最后對(duì)比分析了相同結(jié)構(gòu)的三層串聯(lián)EFP與雙層串聯(lián)EFP對(duì)裝甲鋼靶的侵徹結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1） 3層相同材料的等壁厚藥型罩同軸貼合放置可以形成3個(gè)獨(dú)立共軸的串聯(lián) EFP，三層串聯(lián)EFP的成型過(guò)程同雙層串聯(lián)EFP的成型過(guò)程類似。（2）相同結(jié)構(gòu)的三層串聯(lián)EFP與雙層串聯(lián)EFP對(duì)100mm厚裝甲鋼靶的侵徹能力基本相同，侵徹深度相差約2%。增加藥型罩層數(shù)后，兩種EFP所獲得的總動(dòng)能基本不變，但雙層EFP 內(nèi)外層罩的動(dòng)能各轉(zhuǎn)移了整個(gè)EFP動(dòng)能的15%到三層串聯(lián)EFP的中層罩上。

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Comparative Analysis on Shaping and Penetration of the Multi-layer EFP

HUANG Song，YIN Jian-ping，ZHAN Fei，WANG Shao-hong，HAN Yang-yang

(School of Mechanical Engineering, North University of China, Taiyuan, 030051)

In order to study the shaping and penetration performance of the multi-layer EFP, a multi-layer hemispherical liner was designed with coaxially placed. Using ANSYS/LS-DYNA to simulate the formation and penetration of tandem EFP, and the forming process of three tandem EFP was analyzed, meanwhile, the penetration ability of three tandem EFP was compared to that of double tandem EFP on target. The results show that the penetration ability of two series EFP with the same structure is basically same on the armor steel（the penetration depths are about 1.1 times the caliber）, the total kinetic energy of the two series EFP did not change much, however, the inner and outer liner of double tandem EFP each transfer 15% of the overall kinetic energy to the middle liner of the three tandem EFP, and redistribute the kinetic energy of each layer of EFP. The results can provide reference for the design of multi-layer warhead.

Liner；Tandem EFP；Kinetic energy；Penetration

1003-1480（2018）05-0025-04

TJ410.3+33

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.05.007

2018-08-05

黃松（1993-），男，在讀碩士研究生，從事彈藥毀傷技術(shù)與仿真研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（11572291）；山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目資助（20160033）；中北大學(xué)第十四屆研究生科技立項(xiàng)項(xiàng)目資助（20171403）。