內嵌結構對末敏彈EFP成型影響研究*

邢柏陽,郭 銳,劉榮忠,陳 亮,楊永亮

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

內嵌結構對末敏彈EFP成型影響研究*

邢柏陽,郭 銳,劉榮忠,陳 亮,楊永亮

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

為提升含有內嵌結構緊湊型EFP的毀傷效能,文中基于AUTODYN,對含有圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型、圓柱體-圓臺組合型內嵌結構的EFP戰斗部的成型形狀及速度進行了模擬及分析。結果表明:在內嵌結構體積恒定的條件下,其參數在適當范圍內變化時,對成型EFP的速度影響不大,但對氣動外形影響較大。結論:當選用圓柱體-圓臺組合型內嵌結構時,可以獲得結構緊湊、長徑比及速度較大(文中仿真結果分別為5和1 788 m/s)、氣動外形合理的成型EFP。

末敏彈;內嵌結構;EFP;AUTODYN

0 引言

對于采用毫米波+紅外復合敏感體制這一主流配置的末敏彈,如何將部分毫米波敏感器件與EFP戰斗部進行整合以便提高末敏彈的緊湊程度是個較為棘手的工程問題。采用毫米波中間饋電結構,將部分敏感器件嵌入EFP戰斗部內部,在整體設計上有利于彈體緊湊程度的提高,但同時對戰斗部的設計帶來了諸多不利,減少了EFP戰斗部內的裝藥空間,降低了EFP速度,此外內嵌結構改變了藥型罩的壓合方式,易導致EFP斷裂[1-3]。

對于采用毫米波敏感體制的緊湊型末敏彈來說,采用中饋布局的內嵌結構是提高末敏彈緊湊程度的有效措施。基于以上目的,分析內嵌結構對EFP戰斗部成型帶來的影響,據此改進EFP戰斗部的結構設計,得到較高成型速度和較好氣動外形的EFP,成為當前工作中急需解決的關鍵問題[4-6]。

文中優化設計了一種成型效果較好的EFP結構,采用AUTODYN軟件研究了EFP戰斗部的內嵌結構對EFP成型效果的影響,為緊湊型末敏彈的工程研制提供有效的幫助。

1 戰斗部結構

緊湊型末敏彈的EFP戰斗部包括藥型罩、裝藥、內嵌結構、波導管以及殼體。其中,藥型罩由變壁厚球缺藥型罩和大錐角藥型罩組成。圖1為EFP戰斗部在AUTODYN中的模型。

圖2給出了圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型和圓柱體-圓臺組合型內嵌結構的3種EFP戰斗部結構的二分之一模型簡圖,主要結構參數已在簡圖中給出,為定值。變量參數已用字母在圖中標出,具體含義如圖所示。藥型罩、波導管等結構參數不是文中的研究內容,取為已經優化過的定值。

圖1 EFP戰斗部在AUTODYN中的2D模型

圖2 3種EFP戰斗部結構的二分之一模型簡圖

2 戰斗部成型過程仿真

2.1 仿真模型

利用AUTODYN軟件建立有限元模型。藥型罩、炸藥、殼體、內嵌結構和波導管材料分別取為紫銅、8701、45鋼、POLY-CARB和鋁。文中先基于模型C擬定EFP戰斗部的初始計算方案,如表1。

表1 初始方案

2.2 戰斗部成型過程

采用中心點起爆的方式,針對模型C的EFP戰斗部進行數值仿真,得到不同時刻的成型情況如圖3(a)～圖3(d)。

圖3 模型C的EFP戰斗部成型情況

仿真結果表明:起爆35 μs后,炸藥的爆轟作用基本結束,因此可以刪除炸藥的作用;150 μs后,EFP基本成型結束;300 μs后,EFP首尾沒有速度差,形狀勻稱、結構緊湊、不再改變,結束仿真。李剛等人的研究表明,這樣的成型形狀是符合要求的EFP形狀,可以進行有效打擊[6]。

3 內嵌結構變化對EFP成型的影響

3.1 圓柱體型內嵌結構對EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎上,保持內嵌結構的體積不變,使用如圖2(a)所示的圓柱體結構。取值情況如表2所示,其余參數不變,進行仿真。300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖如表2所示,速度折線圖如圖4所示。

圖4 圓柱體型內嵌結構對成型EFP速度的影響

由圖4可以發現,隨著內嵌結構的半徑R增大,EFP的速度變化并不明顯。EFP速度的最大值與最小值相差不足1%。因此可以推斷:在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的速度影響不大。

由表2可以發現,在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的尾部成型會有較大影響:隨著內嵌結構的半徑R增大,H減小,內嵌結構不斷扁平化,對爆轟波的延遲范圍不斷擴大,使得爆轟波的傳播路徑產生更大范圍的偏移,因而會對EFP尾部的氣動外形產生較大的影響,EFP尾部的底凹結構逐步消失,在取值2和取值4條件下的EFP形狀較為理想,有較好的尾部氣動外形,能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

表2 圓柱體型內嵌結構取值、300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖

表3 圓柱體-圓柱體組合型內嵌結構取值、300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖

表4 圓柱體-圓臺組合型內嵌結構取值、300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖

3.2 圓柱體-圓柱體組合型內嵌結構對EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎上,保持內嵌結構的體積不變,使用如圖2(b)所示的圓柱體結構。取值情況如表3所示,其余參數不變,進行仿真。300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖如表3所示,速度折線圖如圖5所示。

圖5 圓柱體-圓柱體組合型內嵌結構對EFP速度的影響

由圖5可以發現,隨著內嵌結構的半徑R2增大,EFP的速度變化并不明顯。EFP速度的最大值與最小值相差不足1%。因此可以推斷:在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的速度影響不大。

由表3可以發現,在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的尾部成型會有較大影響:隨著內嵌結構的半徑R1、R2增大,H1、H2減小,內嵌結構不斷扁平化,對爆轟波的延遲范圍不斷擴大,使得爆轟波的傳播路徑產生更大范圍的偏移,因而會對EFP尾部的氣動外形產生較大的影響,尾部的凸起先是逐步出現,之后又逐步減小,在取值1條件下的EFP尾部結構較為平滑,形狀較為理想,有較好的尾部氣動外形,能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

3.3 圓柱體-圓臺組合型內嵌結構對EFP成型的影響

在表1給出的初始方案的基礎上,保持內嵌結構的體積不變,使用如圖2(c)所示的圓柱體結構。取值情況如表4所示,其余參數不變,進行仿真。300 μs時的速度結果及300 μs時的EFP成型圖如表4所示,速度折線圖如圖6所示。

圖6 圓柱體-圓臺組合型內嵌結構對EFP速度的影響

由圖6可以發現,取值2的條件下EFP的飛行速度取得了最大值,是本組方案中的最大值。但是各組取值的條件下EFP速度的最大值與最小值相差不足1.5%,是誤差允許的范圍。因此可以推斷:在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的速度影響不大。

由表4可以發現,在內嵌結構的形狀及體積恒定的條件下,特征參數在適當范圍內變化時,對EFP的尾部成型會有較大影響:隨著內嵌結構的半徑R1、R2增大,H1、H2減小,內嵌結構不斷扁平化,對爆轟波的延遲范圍不斷擴大,使得爆轟波的傳播路徑產生更大范圍的偏移,因而會對EFP尾部的氣動外形產生較大的影響,尾部的凹陷先是逐步出現,之后又逐步出現凸起,隨后凸起又逐漸減小,取值2的成型較為理想,底凹的形狀結構能夠有效的減小成型EFP的速度降,從而提升攻擊效能。

通過計算可以得出表5數據。

表5 含有不同內嵌結構的EFP速度對比

由表5可以發現,在體積恒定的條件下,選用含有圓柱體型的內嵌結構,可以獲得更高的平均速度,但是,選用含有圓柱體-圓臺組合型的內嵌結構,可以獲得更高的最大速度。

4 結論

通過對含有內嵌結構的緊湊型末敏彈EFP戰斗部成型過程的數值仿真,得到以下結論:

1)對于圓柱體型、圓柱體-圓柱體組合型、圓柱體-圓臺組合型3種內嵌結構而言,選用含有圓柱體型的內嵌結構,有利于EFP獲得較高的平均速度,在加工環境惡略的條件下,選用此種結構有利于提升整批EFP的初始速度。但是,在加工精度較高的條件下,選用圓柱體-圓臺組合型內嵌結構及合適的特征參數,可以獲得結構密實、形狀緊湊、長徑比優良、初始速度較大、動能較大、氣動外形合理的EFP。

2)在內嵌結構體積恒定的條件下,對于POLY-CARB材質的內嵌結構而言,特征參數和形狀結構在適當范圍內變化時,由于裝藥量一定,對EFP的速度影響不大,都在誤差范圍內。

3)在內嵌結構體積恒定的條件下,對于POLY-CARB材質的內嵌結構而言,特征參數和形狀結構在適當范圍內變化時,對EFP的尾部成型有較大影響,內嵌結構越扁平,對爆轟波的延遲范圍越廣,使得爆轟波的傳播路徑產生更大范圍的偏移,因而EFP尾部的氣動外形會有較大的改變。

文中為緊湊型末敏彈的戰斗部內嵌結構的設計提供了一定的參考。

[1] 孔毓琦, 郭銳. 自鍛破片在防空反導中的應用仿真 [J]. 江蘇航空, 2010(增刊): 124-126.

[2] 陳亮, 劉榮忠, 郭銳, 等. 綜合效應MEFP成型過程的數值仿真 [J]. 彈箭與制導學報, 2015, 35(3): 55-57.

[3] 郭凱. 新一代末敏彈戰斗部設計 [D]. 南京: 南京理工大學, 2005.

[4] 李剛, 劉榮忠, 郭銳, 等. 偏心罩在內嵌饋電結構EFP戰斗部中的應用 [J]. 高壓物理學報, 2015, 29(6): 436-442.

[5] 張兵志, 徐龍堂, 王智慧, 等. 末敏彈EFP成型及侵徹過程仿真分析與試驗研究 [J]. 兵器材料科學與工程, 2012, 35(4): 37-40.

[6] 李剛. 緊湊型末敏彈EFP戰斗部技術研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

Study on Influence of Embedded Structure on Terminal Sensitive Projectile EFP Forming

XING Boyang,GUO Rui,LIU Rongzhong,CHEN Liang,YANG Yongliang

(Shool of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

For improving damage effectiveness of EFP with embedded structure, based on the AUTODYN, simulation and analysis on forming shape and velocity of EFP warheads with embedded structures containing single cylinder, double cylinders, combined cylinder and circular truncated cone were performed respectively. The results indicate that when embedded structure volume keeps constant, and structural parameters change in suitable ranges, three types of embedded structures above may influence a little on EFP velocity but significant influence on aerodynamic shape. Conclusion:the embedded structure containing combined cylinder and circular truncated cone with reasonable characteristic parameters can bring EFP with a compact structure, relatively good aspect ratio and velocity (5 and 1 788 m/s respectively obtained in this paper), reasonable aerodynamic shape.

terminal sensitive projectile; embedded structure; EFP; AUTODYN

2015-10-29基金項目:2015年度CAST-BISEE創新基金;南京理工大學畢業設計重點課題資助

邢柏陽(1992-),男,內蒙古呼和浩特人,博士研究生,研究方向:彈藥靈巧化與智能化技術。

TJ410.33

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