楊朝霞，陳智剛，楊寶良，程 瑤，張曉東，趙太勇，王維占

(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.中北大學 地下目標毀傷技術(shù)國防重點學科實驗室，太原 030051；3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065；4.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

1 引言

近幾年，由于爆炸反應(yīng)裝甲、復(fù)合裝甲技術(shù)不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)破甲戰(zhàn)斗部面臨著艱難的考驗。多層藥型罩串聯(lián)EFP具備更加嚴謹?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化與吸收機理，化學能利用率也極高并且可以增加彈丸的毀傷效應(yīng)，因而引起廣大學者研究。

國外和國內(nèi)先后都對多層EFP的成型模型、成型機理進行了仿真研究及試驗分析。但研究都是針對傳統(tǒng)的雙層EFP，其成型及侵徹效能仍具不足。王維占等對包覆式雙層EFP成型進行了數(shù)值模擬研究，楊帥建立了前后級爆炸成型彈丸飛行速度的理論計算模型，分別得出實現(xiàn)雙層EFP的包覆或分離的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍，為本文數(shù)值模擬研究提供一定參考。

Liu等發(fā)現(xiàn)尾翼結(jié)構(gòu)對EFP氣動特性有很大提高；張孝中等通過有限元模擬在藥型罩外表面刻制矩形凹槽，得到了成型較好的尾翼EFP；楊寶良等分析了階梯式藥型罩階梯旋角等參數(shù)與EFP尾翼偏斜角等的關(guān)系，為EFP氣動特性的優(yōu)劣評估提供參考依據(jù)。由此可見，階梯結(jié)構(gòu)及尾翼結(jié)構(gòu)對EFP綜合性能的提高大有裨益。

故本文提出了一種階梯式雙層EFP結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬的方法復(fù)現(xiàn)了雙層階梯型EFP的成型過程，主要研究了裝藥長徑比、藥型罩壁厚、曲率半徑對雙層串聯(lián)階梯型EFP的成型特性的影響規(guī)律，并探究了階梯式雙層EFP對移動目標的侵徹效能。研究結(jié)論對爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

2 裝藥結(jié)構(gòu)方案與計算模型

本文設(shè)計外罩內(nèi)表面為階梯型，內(nèi)罩外表面為階梯型來進行仿真計算，如圖1所示。圖2中左圖為戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖，、分別為裝藥高度與直徑，、、分別為外球、中球、內(nèi)球的半徑。如圖2中右側(cè)圖所示，仿真模型中罩底內(nèi)口徑為80 mm，裝藥直徑為80 mm。

圖1 雙層罩有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model of double-layer liner

圖2 實體模型與計算模型示意圖Fig.2 Solid model and simulation model

通過TRUEGRID建模軟件構(gòu)建仿真模型，由于藥型罩為階梯型，建立整體結(jié)構(gòu)的三維模型。計算網(wǎng)格是Solid164八節(jié)點六面體單元，裝藥結(jié)構(gòu)各部分均使用拉格朗日算法，炸藥與藥型罩之間采用侵蝕接觸，其余為自動面-面接觸算法。本文數(shù)值模擬中，戰(zhàn)斗部裝藥為8701炸藥，材料模型為HIGH_EXPLOSIVE_BURN，狀態(tài)方程為JWL，主要參數(shù)見表1。內(nèi)外層藥型罩都選取紫銅這一材料，戰(zhàn)斗部殼體材料為45鋼，全部金屬采用JOHNSON-COOK材料模型，狀態(tài)方程為GRUNEISEN，主要參數(shù)見表2。

表1 8701 炸藥參數(shù)Table 1 Parameters of 8701 explosive

表2 金屬材料參數(shù)Table 2 Parameters of metal material

其中：為屈服應(yīng)力；為應(yīng)變硬化系數(shù)；為應(yīng)變硬化指數(shù)；為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)；為溫度相關(guān)系數(shù)。

3 階梯式雙層EFP成型過程分析

階梯藥型罩是在藥型罩外端面或者內(nèi)端面相對于半徑法線的鑲塊錯位。在階梯藥型罩壓垮過程中，產(chǎn)生角動量傳遞給藥型罩而且得以保持，使彈丸在空中飛行時通過旋轉(zhuǎn)來保證氣動力穩(wěn)定性。

雙層階梯型聚能裝藥結(jié)構(gòu)由殼體、炸藥和內(nèi)外層藥型罩組成。其中，靠近炸藥的為外罩；遠離炸藥的為內(nèi)罩。雙層EFP的成型過程如圖3所示。

圖3 雙層EFP的成型過程Fig.3 Forming process of double-layer EFP

內(nèi)外層藥型罩最先垮成餅狀(24 μs)，無明顯的非對稱性。隨著藥型罩頂部和軸向邊緣的速度梯度的增加，EFP逐漸被拉長，雛形尾翼逐漸形成(92～164 μs)。不論階梯結(jié)構(gòu)位于藥型罩內(nèi)表面還是外表面，藥型罩的階梯結(jié)構(gòu)在EFP成型過程中，成為凹陷導(dǎo)槽與凸出尾翼翼片的分界位置。其中，藥型罩階梯外側(cè)位置藥型罩壁厚較薄，該處藥型罩質(zhì)量微元在成型過程中發(fā)生徑向收縮，形成凹陷結(jié)構(gòu)的尾翼導(dǎo)槽。而藥型罩階梯內(nèi)側(cè)位置藥型罩壁厚相對較厚，在EFP成型過程中此處質(zhì)量微元發(fā)生徑向折疊擴張行為，形成凸出結(jié)構(gòu)的尾翼翼片。因為藥型罩自身材質(zhì)的抗力特性，徑向凹陷收縮與凸出折疊擴張的質(zhì)量微元運動一定位移后停止運動，此時藥型罩形成帶有褶皺狀且周向均勻分布的尾翼式EFP，整個EFP成型過程結(jié)束(=276 μs)。內(nèi)外罩成型穩(wěn)定后，由于存在一定速度差，飛行一段時間后逐漸分離(276～396 μs)。

雙層罩毀傷元形成機理與其形狀密切相關(guān)。小錐角藥型罩通過壓垮形成毀傷元，內(nèi)外罩間的摩擦阻力非常小，兩罩難以分開。球缺罩通過翻轉(zhuǎn)形成毀傷元。階梯式球缺罩有益于產(chǎn)生形狀更好、長徑比更大的EFP，而且成型彈丸產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，在空中能夠穩(wěn)定飛行前進。在忽略其他條件下，階梯式球缺罩性能更加優(yōu)良，因而能以球缺罩為基礎(chǔ)來不斷發(fā)展完善階梯式旋轉(zhuǎn)EFP技術(shù)。

4 成型及侵徹效能因素分析

4.1 階梯結(jié)構(gòu)影響

當內(nèi)外層藥型罩壁厚均為5.5 mm，裝藥長徑比為1.4時，分別對傳統(tǒng)式雙層藥型罩結(jié)構(gòu)和階梯式雙層藥型罩結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，對比分析2種結(jié)構(gòu)下雙層EFP的速度、長徑比以及轉(zhuǎn)速。

由表3可知，階梯式雙層藥型罩結(jié)構(gòu)的內(nèi)外層EFP速度均大于傳統(tǒng)式；階梯結(jié)構(gòu)的內(nèi)外層EFP長徑比相差較小，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)外層EFP長徑比相差較大，且外層EFP長徑比偏大，容易產(chǎn)生拉伸斷裂；階梯結(jié)構(gòu)的雙層EFP具有一定轉(zhuǎn)速，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙層EFP幾乎沒有轉(zhuǎn)速。綜合分析可知，相比于傳統(tǒng)式雙層藥型罩結(jié)構(gòu)，階梯式雙層藥型罩結(jié)構(gòu)所形成的雙層EFP既可以在空中高速穩(wěn)定飛行，又不易產(chǎn)生斷裂且侵徹威力足夠。

表3 2種結(jié)構(gòu)下的雙層EFPTable 3 Double-layer EFP comparison of two structures

4.2 裝藥長徑比影響

從雙層EFP速度、長徑比、轉(zhuǎn)速角度研究，內(nèi)外層藥型罩壁厚均取5.5 mm，依次改變裝藥長徑比，進行數(shù)值模擬。

由表4發(fā)現(xiàn)，藥型罩形成帶有褶皺狀且周向均勻分布的尾翼式EFP。當藥型罩壁厚一定時，裝藥長徑比越大，外罩EFP尾部越收攏。根據(jù)圖4不難看出：裝藥長徑比越大，內(nèi)外罩EFP速度越高，內(nèi)罩EFP速度始終大于外罩EFP。內(nèi)外罩EFP長徑比與裝藥長徑比呈正相關(guān)；裝藥長徑比大于1.3時，內(nèi)外罩EFP長徑比相差較小。裝藥長徑比小于1時，內(nèi)外罩EFP轉(zhuǎn)速隨著裝藥長徑比的增加而逐漸增加；大于1時，內(nèi)外罩EFP轉(zhuǎn)速先減小后增加再減小。當裝藥長徑比為1.6時，內(nèi)罩EFP負向轉(zhuǎn)速最大且外罩EFP正向轉(zhuǎn)速最大。通過上述分析得出裝藥長徑比取值在1.5～1.6較好。

圖4 裝藥長徑比-EFP成型特性曲線Fig.4 The forming characteristics of EFP vs.the ratio of length to diameter of charge

表4 不同長徑比條件下的雙層EFP對比Table 4 Comparison of double-layer EFP under different ratios of length to diameter

4.3 藥型罩壁厚影響

從雙層EFP速度、長徑比、轉(zhuǎn)速角度研究，在裝藥長徑比為1.5時，依次改變藥型罩壁厚，進行數(shù)值模擬。

由表5和圖5發(fā)現(xiàn)，隨著藥型罩壁厚的增加，內(nèi)外罩EFP的速度都呈逐漸減小的趨勢，內(nèi)罩EFP速度始終大于外罩EFP。內(nèi)外罩EFP的長徑比隨藥型罩壁厚的增加逐漸減小，藥型罩壁厚小于5.5 mm時，外EFP長徑比與內(nèi)EFP長徑比相差不大；藥型罩壁厚大于5.5 mm時，外EFP長徑比小于內(nèi)EFP長徑比，兩者差值逐漸增大。當EFP長徑比過大時，容易產(chǎn)生拉伸斷裂；EFP長徑比過小時，會造成EFP空腔，影響破甲能力，因而雙層EFP的長徑比都要保持在一定合理范圍內(nèi)。隨著藥型罩壁厚的增加，內(nèi)外罩EFP轉(zhuǎn)速均逐漸減小直至為0。綜合分析可知內(nèi)外罩藥型罩壁厚取值在 5～5.5 mm較好，既可以保證雙層EFP在空中高速穩(wěn)定飛行，又可以使得雙層EFP不容易斷裂且有足夠的侵徹威力(表5)。

圖5 藥型罩壁厚-EFP成型特性曲線Fig.5 The forming characteristics of EFP vs.the thickness of liner

表5 不同藥型罩壁厚條件下的雙層EFP對比Table 5 Comparison of double-layer EFP under different thicknesses of liner

4.4 曲率半徑影響

依次改變內(nèi)外罩曲率半徑比(與裝藥直徑之比)，進行數(shù)值模擬，表6為曲徑比與雙層EFP速度、長徑比、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。

由表6和圖6可知：隨著曲徑比的增大，外罩EFP速度逐漸增大，內(nèi)罩EFP速度逐漸減小。內(nèi)外罩EFP的長徑比隨曲徑比的增大都逐漸減小，但EFP長徑比過小時，破甲能力有所下降。隨著曲徑比的增加，內(nèi)外罩EFP的轉(zhuǎn)速均逐漸減小，直至為0。綜合分析，當內(nèi)外罩曲徑比在0.96～1.38時，彈丸既可以保證較高的飛行穩(wěn)定性，又具備足夠的侵徹威力。

表6 不同曲徑比條件下的雙層EFP對比Table 6 Comparison of double-layer EFP under different ratios of curved diameter

圖6 中曲徑比-EFP成型特性曲線Fig.6 The forming characteristics of EFP vs.the ratio of curved diameter

4.5 侵徹效能

經(jīng)上述分析可知，研究設(shè)計的雙層階梯旋轉(zhuǎn)EFP可在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下成型形態(tài)和前后EFP分離距離不同，這將導(dǎo)致EFP的終點彈道對裝甲目標的毀傷效能具有顯著影響。研究選定美國LAV-25輪式步兵戰(zhàn)車為研究對象，選取其易損件(正面首上裝甲)等效靶為12 mm RHA鋼靶，作為雙層階梯EFP的侵徹目標，炸高分別為1 m、10m、30 m、60 m、100 m，靶板等效為長100 cm、寬30 cm、厚度10 mm的移動裝甲鋼，速度為24 m/s(車輛移動的時速)。

雙層EFP侵徹移動靶時，由于內(nèi)外罩EFP速度大小有所差異，內(nèi)罩EFP首先接觸到靶板并將其穿透，此時外罩EFP距離靶板存在一定距離；當外罩EFP接觸到靶板時，靶板已經(jīng)移動一段距離，因此2個EFP所造成的穿孔具有一定距離。由圖7可知，炸高小于10 m時，雙層EFP侵徹移動靶形成2個相連孔；炸高大于10 m時，雙層EFP侵徹移動靶形成2個具有一定距離的孔；炸高越大，2個孔的間距就越大。

圖7 長徑比為1.1時，不同炸高下雙層EFP對移動靶的侵徹示意圖Fig.7 Penetration results of double-layer EFP to moving target under different standoff distances when the ratio of length to diameter is 1.1

由圖8～圖10可知，本文所設(shè)計的雙層階梯型聚能裝藥結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對移動靶的多孔毀傷效應(yīng)。結(jié)合3.2～3.4節(jié)可知，移動靶板的穿孔間距主要與前后級EFP的成型速度具有相關(guān)性，而前后級成型EFP速度與裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)密不可分。根據(jù)圖11可以發(fā)現(xiàn)，炸高大于10 m時，炸高越大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的兩孔的間距越大。炸高為100 m時，隨著長徑比的增大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的2個孔的間距基本一致；隨著藥型罩壁厚的增加，靶板上的2個孔的間距越來越大；隨著曲徑比的增大，靶板上的2個孔的間距越來越小。

圖8 炸高100 m時不同長徑比條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.8 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different ratios of length to diameter when the standoff distance is 100 m

圖9 炸高100 m時不同藥型罩壁厚條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.9 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different thicknesses of liner when the standoff distance is 100 m

圖10 炸高100 m時不同曲徑比條件下雙層EFP侵徹移動靶形成的雙孔圖Fig.10 Double punching figures of double-layer EFP to moving target under different ratios of curved diameter when the standoff distance is 100 m

圖11 兩孔間距隨炸高、裝藥長徑比及藥型罩參數(shù)變化曲線Fig.11 The distance double punching vs.standoff distance、ratio of length to diameter of charge and structural parameters of liner

5 結(jié)論

1)雙層階梯型聚能裝藥戰(zhàn)斗部可形成分離式雙層旋轉(zhuǎn)EFP。藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP成型特性的影響非常關(guān)鍵，裝藥長徑比在1.5～1.6，內(nèi)外罩壁厚在5～5.5 mm，曲徑比在0.96～1.38時，雙層EFP能夠在空中高速穩(wěn)定飛行且成型較好，既不容易拉伸斷裂，又有足夠的侵徹威力。

2)雙層階梯型聚能裝藥戰(zhàn)斗部可實現(xiàn)對裝甲目標的雙開孔效應(yīng)。炸高越大，雙層EFP侵徹移動靶所形成的兩孔的間距越大；裝藥長徑比增大，兩孔間距基本不變；兩孔間距與藥型罩壁厚呈正相關(guān)，與曲徑比呈負相關(guān)。

研究結(jié)論可為戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)發(fā)展提供參考。