張 琨，紀(jì) 沖，趙長(zhǎng)嘯，周望遠(yuǎn)，姜 濤，孫宇翔

多爆炸成形彈丸引爆帶殼裝藥數(shù)值模擬研究

張 琨1，紀(jì) 沖1，趙長(zhǎng)嘯1，周望遠(yuǎn)2，姜 濤1，孫宇翔1

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京，210007；2.中國(guó)人民解放軍75733部隊(duì)，廣東 廣州，510800）

利用LS-DYNA有限元數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)多爆炸成形彈丸（MEFP）戰(zhàn)斗部沖擊引爆帶殼裝藥過(guò)程進(jìn)行了模擬研究，對(duì)比分析了中心點(diǎn)、環(huán)形和平面3種起爆方式對(duì)MEFP的影響。相比中心點(diǎn)起爆，平面起爆時(shí)中心彈丸速度提高27.8%，動(dòng)能提高87.5%；環(huán)形起爆下，中心彈丸速度提升24.6%，動(dòng)能提升77.5%。3種起爆方式均能實(shí)現(xiàn)對(duì)帶殼裝藥的沖擊起爆，表明基于MEFP銷毀帶殼裝藥方法可行。相對(duì)于點(diǎn)起爆、環(huán)形起爆方式，采用平面起爆方式時(shí)彈丸發(fā)散角最小，彈丸束密集程度最高，利于提升未爆彈引爆率。

多爆炸成形彈丸；帶殼裝藥；引爆參量；數(shù)值模擬

航彈、榴彈等大型未爆彈銷毀新技術(shù)一直是彈藥處置銷毀領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。易建坤等[1]研究了高熱劑銷毀彈藥的方法，利用鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的高溫熔渣，熔穿彈殼點(diǎn)燃內(nèi)部裝藥；鐘樹良[2]提出了水射流切割技術(shù)觀點(diǎn)，利用水射流中的磨料顆粒對(duì)炸藥產(chǎn)生沖擊作用，使炸藥受到?jīng)_蝕而破碎；祝逢春等[3]嘗試使用聚能金屬射流處理未爆彈。以上技術(shù)均需作業(yè)人員近距離進(jìn)行相關(guān)器材設(shè)置等操作，因此，在未爆彈狀態(tài)不明情況下實(shí)施此類作業(yè)將導(dǎo)致作業(yè)人員承受巨大安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，探索研究遠(yuǎn)距離安全引爆未爆彈技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

基于多爆炸成形彈丸（Multiple Explosively Form- ed Projectile，簡(jiǎn)稱MEFP）戰(zhàn)斗部銷毀未爆彈正是能夠滿足上述要求的一種高效毀傷技術(shù)。該戰(zhàn)斗部爆炸后產(chǎn)生多個(gè)彈丸，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行大密集度攻擊，同時(shí)每個(gè)毀傷元均具有足夠的侵徹能力，能夠有效引爆未爆彈[4-9]。Richard Fong等[10]對(duì)軸向變形罩式MEFP進(jìn)行了深入研究，配合適當(dāng)?shù)钠鸨绞?，形成了具有良好定向性能的MEFP毀傷元群，可在一定距離上對(duì)付目標(biāo)，但沒(méi)有給出具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文利用LS-DYNA數(shù)值軟件模擬了MEFP沖擊起爆平面帶殼裝藥全過(guò)程，為設(shè)計(jì)銷毀帶殼裝藥的MEFP提供參考。

1 仿真模型建立

1.1 計(jì)算模型

以某整體式MEFP戰(zhàn)斗部為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1/2 MEFP戰(zhàn)斗部有限元計(jì)算模型

戰(zhàn)斗部口徑=106mm，高度=50mm，藥型罩口徑=30mm，相鄰藥型罩間距和周邊藥型罩距裝藥邊緣最短距離相等，同為=4mm。裝藥采用8701炸藥，藥型罩材料為紫銅。藥型罩采用球缺罩，內(nèi)、外曲率半徑分別為42mm、44mm，壁厚2mm。計(jì)算模型中的各部分均采用拉格朗日網(wǎng)格和Solid164實(shí)體單元。由于戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)的幾何形狀具有軸對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化運(yùn)算選取1/2結(jié)構(gòu)部分建立三維模型進(jìn)行計(jì)算。

由于本文重點(diǎn)是檢驗(yàn)MEFP的沖擊起爆能力，為方便運(yùn)算將帶殼裝藥簡(jiǎn)化為平面靶板貼敷被發(fā)裝藥模型。計(jì)算模型由炸藥、藥型罩、鋼殼體靶板和被發(fā)裝藥4部分組成，具體如圖2所示。計(jì)算中假定炸藥、藥型罩和鋼殼體靶板為均勻連續(xù)介質(zhì)，整個(gè)爆炸侵徹過(guò)程為絕熱過(guò)程，不考慮重力影響；忽略靶板側(cè)邊效應(yīng)，不考慮靶板整體運(yùn)動(dòng)和空氣影響。炸藥與藥型罩之間采用滑移接觸，對(duì)藥型罩內(nèi)部定義自動(dòng)單面接觸，藥型罩與鋼靶和被發(fā)裝藥之間采用侵蝕面面接觸。通過(guò)查閱彈藥參數(shù)[6]，本文所研究的小型未爆彈殼體為鋼質(zhì)材料，平均壁厚通常小于10mm。因此文中所研究帶殼裝藥殼體尺寸采用10mm厚的45#鋼板，靶板背后貼敷被發(fā)裝藥為Ｂ炸藥，厚度為20mm。為縮短計(jì)算時(shí)間，將MEFP戰(zhàn)斗部與鋼殼體靶板的距離設(shè)定為50cm。

圖2 整體式MEFP戰(zhàn)斗部引爆帶殼裝藥有限元計(jì)算模型

1.2 仿真計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算中采用的相關(guān)材料模型詳見表1，具體參數(shù)詳見表2。

表1 采用的材料模型 （g-cm-μs）

Tab.1 Material models

表2 各材料模型參數(shù) （g-cm-μs）

Tab.2 The parameters of material models

2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 MEFP的成形過(guò)程

仿真模型中MEFP戰(zhàn)斗部采用裝藥底部中心點(diǎn)處起爆方式。計(jì)算表明，裝藥起爆后，受球面爆轟波作用，中心藥型罩被壓垮翻轉(zhuǎn)形成軸對(duì)稱、形狀規(guī)則的彈丸；對(duì)于周邊藥型罩，由于爆轟波首先作用于周邊藥型罩靠近裝藥軸線的邊緣部位，再依次沿軸線作用于其他部位，故藥型罩同一半徑圓環(huán)位置上的微元接受爆轟能量大小與時(shí)間不一致，最先作用部位形成彈丸頭部，其它微元因軸向速度差被拉伸并向徑向擠壓形成彈體，彈丸形狀不規(guī)則，飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。中心彈丸頭部與尾部存在一定的速度梯度，尾部在頭部拉扯作用下，速度逐漸趨于一致。彈丸具體成形過(guò)程如圖3所示。

模擬得到的彈丸軸向速度時(shí)程曲線如圖4所示，中心彈丸軸向速度可達(dá)2 137 m/s；MEFP屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故周邊彈丸軸向速度規(guī)律一致，最終達(dá)到了2 005m/s。由于周邊彈丸在飛行過(guò)程中存在徑向速度，因此穩(wěn)定飛行之后便形成具有一定打擊面積的理想的彈丸束。為進(jìn)行后續(xù)研究，定義彈丸發(fā)散角如圖5所示。

圖3 中心點(diǎn)處起爆時(shí)MEFP的成形過(guò)程

圖4 中心彈丸與周邊彈丸軸向速度

圖5 彈丸發(fā)散角示意圖

由圖5各參量定義可得，發(fā)散角為=arctan (1/1)，式中1為形成的彈丸的發(fā)散半徑，即=0時(shí)單元徑向位移，1為=0時(shí)單元軸向位移。且有：

經(jīng)計(jì)算得知，發(fā)散角為5.43°。

2.2 MEFP沖擊引爆帶殼裝藥過(guò)程

由于中心彈丸軸向速度大于周邊彈丸軸向速度，因此整體式MEFP沖擊帶殼裝藥過(guò)程中，中心彈丸先著靶，周邊彈丸隨后著靶。根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到，沖擊引爆帶殼裝藥過(guò)程主要分為3個(gè)階段，如圖6所示。第1階段：彈丸頭部與鋼靶高速撞擊，在鋼靶周圍迅速形成塑性變形區(qū)和高溫區(qū)，并在彈丸頭部產(chǎn)生較強(qiáng)沖擊波，如圖6（a）~（b）所示；第2階段：彈丸沖擊殼體產(chǎn)生的沖擊波入射炸藥內(nèi)部，不均勻地加熱炸藥，沖擊波對(duì)炸藥本身固有的空隙和氣泡等進(jìn)行絕熱壓縮，形成具有很高溫度的熱點(diǎn)；第3階段：熱點(diǎn)迅速匯聚擴(kuò)散，周圍的炸藥反應(yīng)釋放的能量又加強(qiáng)初始沖擊波，二者共同作用在裝藥內(nèi)部最終發(fā)展成穩(wěn)定爆轟，如圖6（d）所示。

圖6 整體式MEFP中心彈丸侵徹45#鋼靶及引爆被發(fā)裝藥過(guò)程

為更加清晰地分析沖擊引爆過(guò)程，在LS-PrePost后處理軟件中，從被覆裝藥內(nèi)部等間距選取8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，相鄰觀測(cè)點(diǎn)間距為3mm，如圖7所示。炸藥被沖擊引爆時(shí)，爆轟波最先到達(dá)8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)中的H519837，該點(diǎn)出現(xiàn)沖擊波波峰。隨著爆轟的傳遞，余下7點(diǎn)均依次出現(xiàn)沖擊波波峰，符合炸藥穩(wěn)定爆轟時(shí)CJ面爆轟波壓力的數(shù)據(jù)指標(biāo)[9]，說(shuō)明爆轟波在帶殼裝藥中穩(wěn)定持續(xù)傳播，帶殼裝藥被充分引爆。

圖7 選取的各參照點(diǎn)及其壓力變化曲線

圖8 整體式MEFP周邊彈丸侵徹45#鋼靶及引爆被發(fā)裝藥過(guò)程

實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，存在中心彈丸脫靶而周邊彈丸著靶的情況。為檢驗(yàn)周邊彈丸沖擊起爆能力，在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中刪除中心彈丸與靶板及被覆裝藥的接觸，使周邊彈丸單獨(dú)沖擊侵徹。如圖8所示，在周邊彈丸侵徹作用下，炸藥被沖擊起爆并發(fā)展成穩(wěn)定爆轟。由此可見，即便中心彈丸脫靶，周邊彈丸仍具有較強(qiáng)的沖擊起爆能力。

2.3 起爆方式對(duì)彈丸性能影響

為研究不同起爆方式對(duì)MEFP性能的影響，模擬對(duì)戰(zhàn)斗部采用中心點(diǎn)、環(huán)形和平面起爆3種方式進(jìn)行觀察對(duì)比。環(huán)形起爆為在裝藥底部具有一定半徑圓環(huán)形的線起爆，本文環(huán)形起爆半徑選定為0.30L。3種起爆方式下中心彈丸速度及動(dòng)能分布如圖9~10所示。

圖10 3種起爆方式下中心彈丸動(dòng)能分布

由圖9~10可見，相比中心點(diǎn)起爆，平面起爆時(shí)中心彈丸速度提高27.8%，動(dòng)能提高87.5%；環(huán)形起爆情況下，中心彈丸速度提升24.6%，動(dòng)能提升77.5%。3種起爆方式下彈丸都具有足夠起爆能力，均能可靠沖擊起爆帶殼裝藥。

結(jié)合圖1和圖5，根據(jù)公式（1），求得3種起爆方式下彈丸發(fā)散角和毀傷面積，見表3。通過(guò)表3可以發(fā)現(xiàn)，平面起爆時(shí)彈丸發(fā)散角最小，能夠形成比較密集的彈丸束，利于提升著靶率。

表3 不同起爆方式下彈丸發(fā)散角與毀傷面積（靶距為5m）

Tab.3 Divergence angle and damage area of projectile under different detonation modes (target distance is 5m)

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)MEFP沖擊引爆帶殼裝藥過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析得到以下結(jié)論：（1）由數(shù)值模擬結(jié)果可得，MEFP能夠成功沖擊引爆帶殼裝藥，表明基于MEFP銷毀未爆彈方法可行。（2）相對(duì)于點(diǎn)起爆、環(huán)形起爆方式，采用平面起爆方式時(shí)彈丸動(dòng)能最大，具有更大的侵徹能力，彈丸發(fā)散角最小，彈丸束密集程度最高，利于提升未爆彈引爆率。

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Numerical Simulation and Study of MEFP on Impact Initiation Process of Charge with Shell

ZHANG Kun1，JI Chong1，ZHAO Chang-xiao1，ZHOU Wang-yuan2，JIANG Tao1，SUN Yu-xiang1

（1.Army Engineering University of PLA，Nanjing，210007；2.75733 Troops，PLA，Guangzhou，510800）

In this paper, LS-DYNA was used to simulate the impact detonation of multiple explosive shaped projectile (MEFP) with shell charge under three different detonation modes. Compared with the central point initiation, the velocity and kinetic energy of the central projectile were increased by 27.8% and 87.5% respectively in the plane initiation state. Under the condition of ring initiation, the velocity of the center projectile was increased by 24.6% and the kinetic energy by 77.5%.All the three detonation methods can realize the impact detonation of shell charge, which indicates that the method of destroying shell charge based on MEFP is feasible. Compared with the point initiation and ring initiation, the projectile divergence angle is the smallest and the projectile beam density is the highest when the plane initiation is adopted, which is conductive to improving the detonation rate of unexploded projectile.

MEFP；Charge with shell；Detonation parameters；Numerical simulation

TJ410.3+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2020.01.006

1003-1480（2020）01-0022-04

2019-11-15

張琨（1990-），男，碩士研究生，主要從事爆炸與毀傷作用機(jī)理及其應(yīng)用研究。