鋼結(jié)構(gòu)殼體對EFP成型影響的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院 姜弛 喬磊

引言

隨著新型反應(yīng)裝甲末敏彈的研制，爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部的研究越來越受到廣泛的重視。爆炸成型彈丸（EFP）是把破甲彈和穿甲彈結(jié)合統(tǒng)一于一體的一種彈丸，其基本原理是：藥型罩在爆轟波的作用下，形成高速“彈丸”，撞擊目標實現(xiàn)對目標的侵徹。其特點是“彈丸”穿孔直徑以及后效作用大、抗旋轉(zhuǎn)，因此在軍事上得到廣泛應(yīng)用。本文所要研究的串聯(lián)EFP恰恰可以實現(xiàn)對坦克反應(yīng)裝甲的侵徹，對鋼殼體的EFP戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)設(shè)計前人已經(jīng)做了大量的研究，并得到了指導(dǎo)性的言論。然而對于鋼殼體的雙層EFP結(jié)構(gòu)設(shè)計國內(nèi)研究較少。所以設(shè)計合理的殼體結(jié)構(gòu)不僅可以使EFP更加有效地侵徹反應(yīng)裝甲，也可以為后續(xù)的研究工作做下鋪墊。

1計算模型

1.1 爆炸成型彈丸幾何模型建立[2]

計算模型采用如圖1所示的典型球缺藥型罩EFP戰(zhàn)斗部裝藥，裝藥為8701炸藥，藥型罩為雙層藥型罩串聯(lián)的銅—銅結(jié)構(gòu)，殼體的材料為鋼，起爆模式為中心起爆。圖1中各參數(shù)的物理意義如下：R為外罩曲率半徑；δ 為殼體厚度，L為裝藥長度，Dk為裝藥直徑。

1.2 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文采用LS-dyna進行EFP數(shù)值模擬，為減少運算量建模采用軸對稱1/2建模，因此采用LS-DYNA-2D來模擬EFP成型過程。圖2為網(wǎng)絡(luò)模型，采用Lagrange算法。炸藥和金屬罩之間的接觸使用 *CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法，計算過程中使用小型重啟動分析。50μs后炸藥基本爆轟完畢，對藥型罩影響很小，因此將刪除炸藥PART和接觸，計算時間為500μs。

圖1

圖2

1.3 材料模型

1.3.1 炸藥

此次采用8701為主裝藥的混合炸藥，對HMX采用高性能炸藥材料模型，爆轟產(chǎn)物的膨脹采用JWL狀態(tài)方程，并假定爆轟前沿以正常速率傳播。

該炸藥的主要參數(shù)為：ρ=1.77g/cm3，D=8425m/s，PCJ=34.2GPa。

JWL狀態(tài)方程精確地描述了在爆炸驅(qū)動過程中爆轟氣體產(chǎn)物的壓力、體積、能量特性，JWL狀態(tài)方程的表達式為：

式中：A、B、R1、R2和ω 為輸入?yún)?shù)，E0為初始比內(nèi)能。A=748.6GPa，B=13.38GPa，R1=4.5，R2=1.2，ω=0.38。

1.3.2 藥型罩[1]

內(nèi)外罩均采用紫銅，材料模型采用Johnson-cook，材料參數(shù)為ρ=8.96g/cm3，G=46GPa，A=0.09GPa，B=0.21GPa，N=0.31，C=0.025，M=0.19，TM=1360，TR=293。

狀態(tài)方程采用Gruneisen狀態(tài)方程，其表達式為：

式 中 ，C=3940，S1=1.49，S2=0，S3=0，γ0=1.99，a=0.47。

1.3.3 藥型罩殼體

藥型罩殼體采用鋼結(jié)構(gòu)，材料模型采用 Johnson-cook， 材 料 參 數(shù) 為ρ=7.89g/cm3，G=77GPa，A=0.35GPa，B=0.275GPa，N=0.36，C=0.022，M=1.0，TM=1811，TR=294。

狀態(tài)方程Gruneisen的主要參數(shù)：C=4569，S1=1.49，S2=0，S3=0，γ0=2.17，a=0.5。

2 數(shù)值模擬

2.1 藥型罩串聯(lián)爆炸成型過程

雙層EFP成型過程以δ/Dk=0.03 為例進行數(shù)值模擬，如圖3所示，顯示了以100μs為間隔的模擬過程。

圖3 串聯(lián)EFP 瞬態(tài)過程

2.2 EFP 殼體對EFP 成型的影響

為了研究EFP鋼外殼厚度對雙層藥型罩成型的影響，設(shè)置了δ/Dk分別等于0、0.02、0.03、0.04、0.05時成型杵體的長徑比，杵體長徑比與速度分別與外殼厚度與裝藥直徑的比值的變化規(guī)律如圖4、圖5所示。結(jié)果顯示隨著δ/Dk的增大，內(nèi)外罩的速度都在增大，內(nèi)罩速度增幅略微快于外罩速度，速度差也在逐步拉大。內(nèi)罩的長徑比隨著δ/Dk的增大變化不大，維持在4.5～5.5之間，而外罩的長徑比卻隨δ/Dk的增大逐步減小，并且在δ/Dk=0.03之后發(fā)生交匯并從此大小發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

圖4

圖5

3 結(jié)論

前人[3-4]對EFP單層藥型罩成型后杵體長徑比隨外殼厚度變化趨勢的研究結(jié)果對比可知，外罩的長徑比變化趨勢與單層藥型罩的變化趨勢均是隨著δ/Dk的增大EFP的長徑比減小，EFP的成型主要依靠爆轟波的擠壓。隨著殼體厚度增大，內(nèi)外罩的長徑比大小出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，在δ/Dk=0.03之后，外罩的長徑比將小于內(nèi)罩的長徑比。從靶板侵徹[5]的角度來講，內(nèi)罩先接觸靶板，而外罩后接觸靶板。從前人得到的規(guī)律可知，隨著EFP長徑比逐漸減小，其侵徹深度也是逐漸減小，但孔徑卻是逐漸變大的，所以作為開孔打穿為優(yōu)先選項的外罩，推薦EFP長徑比較大；而作為擴孔為主要功能的外罩則推薦EFP的長徑比較小。綜上所述，當δ/Dk＞0.04內(nèi)罩長徑比要大于外罩長徑比時，會有更優(yōu)的侵徹效果。

[1]騰桃居,陳磊,石翔.不同材料雙層藥型罩EFP 成型及侵徹性能數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,34(5)，2014：113～116.

[2]顧文斌,劉建青,唐勇等.球缺型EFP 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,32(2),2008：665～670.

[3]蔣建偉,楊軍,門建兵,羅建. 結(jié)構(gòu)參數(shù)對EFP 成型影響的數(shù)值模擬[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,24(11),2004：939～941.

[4]門建兵,蔣建偉,楊軍.串聯(lián)EFP 成型與侵徹的數(shù)值模擬及實驗研究研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,30(4),2010：383～386.

[5]王建,曹紅根,周剪隆. EFP 侵徹爆炸反應(yīng)裝甲過程研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,32(1),2008：9～12.