多模LEFP成型機理與侵徹威力研究

朱緒強，王　鋒，杜忠華，成　一

(1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157013)

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多模LEFP成型機理與侵徹威力研究

朱緒強1,2，王鋒1，杜忠華1，成一1

(1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157013)

為研究多模3種毀傷元的成型特點和侵徹威力，建立了多點起爆LEFP數值模擬模型，用LS-DYNA軟件模擬了一端起爆、中心起爆和兩端同時起爆3種起爆方式下LEFP成型過程。利用威力試驗，測試了3種起爆方式下靶板的切口形態和侵徹深度，討論了3種毀傷元在不同炸高下侵徹能力的差異。數值模擬結果表明，一端和中心起爆侵徹體呈線性，在大炸高下易飛散；兩端同時起爆時，根據爆轟波對撞理論，兩個爆轟波對撞產生超壓，形成高速侵徹體，在大炸高下仍具有較強的毀傷威力。同時根據3種基本毀傷元成型特點，可在裝藥上設置多個起爆點，通過控制起爆點數量、位置和時序形成不同數量、速度和飛散方向的高速EFP毀傷元。實驗結果表明，侵徹深度符合數值模擬的侵徹體形成規律。

線性成型裝藥；LEFP；侵徹威力；爆轟波對撞理論；藥型罩

引　言

線性成型裝藥(LEFP)是一種聚能裝藥，被引爆后，其藥型罩在爆轟壓力的作用下發生翻轉，在對稱面上形成一定長度的線性爆炸成型侵徹體。國內外對線性成型裝藥理論的研究大多局限于V形罩的試驗、理論、數值模擬和應用研究。其中，Rondot、Rolc和Ho Soo KIM等[1-2]開展了V形裝藥的數值模擬，Curtis、Hayes等[3-4]主要開展了線性成型裝藥的理論建模，分析了影響成型裝藥威力的主要影響因素。V形裝藥主要作為線性切割器用于對鋼板的切割或對導彈的攔截切割，但V形罩形成的線性射流對炸高很敏感，在大炸高下有很大的局限性。近幾年國內外相繼開展了大炸高下生成LEFP侵徹體的研究，研究方式基本以單點起爆和線性起爆為主[5-10]。

給LEFP加裝多個起爆裝置，根據作用需求，通過在空間和時序上控制起爆，可以形成不同種類、不同發散方向和速度的毀傷元，即多模LEFP。多模LEFP不僅可用于防護，形成的線性侵徹體可有效攔截來襲的各種彈藥，同時也可形成高速、用于攻擊的毀傷元。本研究針對一端起爆、頂部中心起爆和兩端同時起爆等3種基本起爆方式進行了數值模擬及實驗驗證，以期為研究多模LEFP的成型規律和侵徹能力提供參考。

1　多模LEFP數值模型

設計的LEFP結構如圖1所示。

圖1　線性裝藥結構示意圖Fig.1　Schematic diagram of the charge arrangement of LEFP

采用LS-DYNA軟件，建立的有限元模型如圖2所示，由裝藥、殼體、藥型罩、空氣和靶板構成。裝藥、藥型罩和空氣采用ALE算法，殼體和靶板采用拉格朗日算法，流體和固體之間使用流固耦合算法。為便于計算建立1/2模型，在對稱面加對稱邊界，在空氣和靶板周圍加非反射邊界。裝藥材料是8701，使用HIGH_EXPLOSIVE材料模型和JWL狀態方程；殼體材料是45號鋼，均使用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程；藥型罩材料是紫銅，使用STEINBERG材料模型和GRUNEISEN狀態方程；空氣使用空物質NULL材料模型和LINEAR_POLYNOMIAL狀態方程。8701材料參數見表1，戰斗部與靶板參數見表1。

圖2　LEFP侵徹靶板有限元模型Fig. 2　Finite element model of LEFP penetration target

ρ/(g·cm-3)D/(m·s-1)P/GPaA/GPaB/GPaR1R2ω1.70842529.7854.520.54.61.350.25

2　多模LEFP不同毀傷元形態的變化

爆轟波對藥型罩的壓垮行為是一個復雜的三維過程，爆轟波作用于藥型罩，使藥型罩沿徑向發生翻轉，同時，爆轟波初始作用于藥型罩不同位置，使藥型罩沿Z向發生變形，起爆方式在空間和時序上的差別主要導致藥型罩沿Z方向的變形，通過Z方向的變形形成多種毀傷元。

一端單點起爆后，爆轟波開始在端面沿著Z方向向另一端傳播，一段距離后形成滑移爆轟波，在開始階段，滑移爆轟波有個很短的成長過程，之后形成滑移爆轟波穩定向前傳播，并同時壓垮藥型罩。滑移爆轟波對藥型罩的壓垮在成長期弱于穩定期，所以一端起爆LEFP在起爆端有一定的滯后，如圖3(a)所示。LEFP在穩定飛行一段距離后，在15倍炸高后開始斷裂，在20倍炸高，LEFP距起爆端一半長度發生飛散。一端起爆后，受滑移爆轟波的作用，LEFP偏向一端，偏向角約為6.3°，但LEFP的長度基本保持不變。

圖3　3種基本毀傷元LEFP形態變化Fig.3　LEFP morphological changes of three kinds of basic kill elements

頂部中心點起爆后，爆轟波以起爆點為中心，以球面波的形式傳播，波陣面首先到達藥型罩中間頂部，開始壓垮藥型罩，之后爆轟波向兩端傳播，若裝藥足夠長，經過滑移爆轟波的成長期后，形成類似于一端起爆的穩定的滑移爆轟波，本質上中心和端面單點形成的毀傷元可認為是一種毀傷元。中心點起爆形成的LEFP會隨著炸高逐漸拉長，其拉長的半偏角約為4.5°，如圖3(b)所示。受起爆初始階段球面波的影響，LEFP在穩定飛行一段距離后，在15倍炸高處發生拉伸斷裂，呈“八”字形態。相對于一端起爆，中心起爆斷裂成兩半后，仍保持較好的侵徹能力。

兩端起爆，根據爆轟波對撞理論，爆轟波在對撞區產生超壓現象，理論上若爆轟波控制合理，可產生2倍以上超壓。在兩端起爆后，滑移爆轟波經過成長期后穩定向前傳播，在接觸面發生對撞，對撞區壓力陡然升高，圖4為爆轟波在對撞區和非對撞區壓力有對比。

圖4　爆轟波對撞區與非對撞區壓力對比Fig.4　Comparison of the pressure of collision and non-collision area

由圖4可見，對撞區最大壓力約為非對撞區的2倍。爆轟波波陣面經過非對撞區后發生對撞，所以對撞區壓力曲線滯后于非對撞區。對撞區壓力的增加必然驅動藥型罩在對撞區速度增加，使藥型罩在開始階段形成凸起，如圖3(c)所示。隨著炸高的增大，LEFP在對撞區Y方向速度的牽引下，LEFP兩端慢慢閉合，形成具有細長的高速侵徹體，且侵徹體在大炸高下不易飛散。

若使兩個起爆點延時起爆，爆轟波的對撞區不會出現在裝藥長度的中心位置，而是偏向一側。通過控制起爆點起爆時差的大小，可控制對撞區的偏離距離，實現對兩端起爆凸起的方向控制。偏離距離的大小與炸藥的爆速和起爆延時有關，圖5為延時凸起隨延時時間的偏向距離，由圖5可見，其值約為5mm/μs。

圖5　延時起爆凸起的偏向距離Fig.5　The deviation with time difference

3　不同起爆方式下LEFP速度的變化

沿Y方向的速度是影響LEFP侵徹能力的最重要因素之一，在其他條件不變的情況下，速度越大，其侵徹能力越大。沿Z方向的速度梯度決定著LEFP的形態和在大炸高下的飛散狀況。通過分析3種起爆方式下侵徹體的速度變化，研究侵徹體的成型趨勢和侵徹威力。

3.1一端起爆

在一端起爆中，選取LEFP從起爆端開始沿Z方向不同位置的6個測量點，如圖3(a)所示，其不同位置(距起爆點距離L)Y方向的速度曲線如圖6所示。

圖6　 一端起爆距起爆點不同位置Y方向速度曲線Fig. 6　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point by end initiation

由圖6可見，從起爆點開始，各點依次產生速度，爆轟產物將藥型罩的速度驅動到最大值后，爆轟產物的作用減弱，各點速度曲線慢慢下降趨于平緩，各點增長期的時間大約都為8 μs。對于不同點的Y向速度曲線，20mm點處于滑移爆轟成長期，其曲線峰值和穩定期速度最小。40～100mm點處于爆轟波穩定期，其曲線峰值基本一致，速度相差不大，但距起爆點越遠，速度越大。對于120mm點處，結合一端起爆的形態圖，在滑移爆轟波作用下，不僅在這一側把質點速度推向最高，同時也推動質點向其運動，造成質點堆積，無論是速度還是質量在這一側都達到最大值。

3.2頂部中心起爆

由于中心起爆沿中線對稱，選取Z方向LEFP一半4個點，如圖3(b)所示，其不同位置(距起爆點距離L)Y方向的速度曲線如圖7所示。

圖7　中心起爆距起爆點不同位置Y方向的速度曲線Fig. 7　Velocity curves along Z direction from different position of initiation point by center initiation

由圖7可見，從起爆點開始向兩側依次產生速度。在起爆點和距起爆點20mm處速度變化較為一致，這一段可看成是球面爆轟波作用的結果。在距起爆點40和60mm處，速度明顯增大，這段可看成是球面爆轟波衍化成滑移爆轟波作用的結果。同一端起爆相同，最大速度出現在端面，這也解釋了中心起爆在大炸高時的“八”字形態。

3.3兩端起爆

兩端起爆時兩個爆轟波相撞產生超壓，壓力增加必然驅動藥型罩速度增加，由于兩端起爆可看成關于碰撞面對稱，所以在Z方向從起爆點起每隔20mm，共選取4個測量點，如圖3(c)，得到Y方向速度變化曲線如圖8所示。

圖8　兩端起爆距中心點不同位置Y方向的速度曲線Fig.8　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point by two-end initiation

由圖8可見，從起爆點開始越靠近對撞面速度越高，起爆點位置受邊界稀疏波影響，速度明顯較低；在20和40mm位置處，速度基本相同；到對撞區，速度急劇增高，達3200m/s左右，造成對撞區和非對撞區很大的速度梯度。在對撞區頭部速度的牽引下，LEFP兩端向中心靠攏，同時因速度梯度的影響，LEFP在Y方向慢慢拉長，形成細長高速EFP，如圖3(c)所示。

3.43種起爆方式對LEFP速度影響的對比

起爆方式的不同造成LEFP在Z方向速度梯度的很大變化，圖9為不同起爆方式在60μs時LEFP沿Z方向不同位置Y向速度變化。

圖9　不同起爆方式60 時不同位置Y向的速度曲線Fig.9　Velocity curves along Y direction from different position of initiation point at 60μs in different ways of initiation

由圖9可見，一端起爆在距起爆點60mm以前速度梯度較大，60mm以后趨于平緩，這也造成在大炸高條件下，一端起爆前半段易斷裂。中心起爆LEFP速度在一半長度上變化均勻，其易斷位置在對稱軸處。兩端起爆對撞區和非對撞區速度相差較大，其對撞區頭部速度遠高于其他速度。若不考慮大炸高下LEFP的斷裂和飛散，一端起爆侵徹的有利LEFP長度在60～120mm段；中心起爆侵徹的有利LEFP段在兩邊；兩端同時起爆侵徹的有利LEFP段在中間，同時其侵徹能力得到大幅度提升。因此可以通過控制起爆方式實現LEFP方向的控制，實現可選擇毀傷。

4　多點起爆可控LEFP的成型研究

根據爆轟波對撞理論，兩個爆轟波對撞可形成一個高速侵徹體。若在線性裝藥上設置多個起爆點，如圖10所示，同時起爆后，相隔兩個爆轟波對撞形成一個高速凸起，則N個起爆點可形成N-1個高速凸起，可以稱之為線性EFP束，如圖11所示。

圖10　多點起爆起爆點位置排布Fig.10　The arrangement of multiple initioation points

圖11　N點起爆在50μs時LEFP成型形態Fig.11　The morphology LEFP formation of multiple points of detonation at 50μs

多點起爆形成的侵徹體可分為3個部分：自由端區、對撞區和除自由端的非對撞區。在自由端區，兩個自由端受邊界稀疏波的影響，爆轟波對藥型罩的作用較弱，同時在對撞區頭部速度的牽引下，侵徹體兩自由端向中心靠攏。在對撞區，侵徹體形成凸起，高速向前運動，同時牽引周圍侵徹體運動。在除自由端的非對撞區，受單個爆轟波作用同時又受到相鄰凸起的牽引，侵徹體呈現出拱形形態。由圖11可見，3點起爆形成的凸起較明顯；4點起爆和5點起爆凸起漸漸變弱。若點足夠多，起爆形成的侵徹體平滑，無凸起，近似可看為單棱起爆。

單棱起爆形成穩定的線性侵徹體，相對于一端起爆、中心起爆侵徹體，單棱起爆形成的侵徹體的優勢在于：(1)在LEFP全長范圍內都具有相等的、較強的毀傷能力；(2)在大炸高條件下不易飛散。這兩點對可控LEFP作為防護攔截毀傷元具有重要意義。單棱起爆爆轟波對藥型罩的作用力均勻，但受邊界稀疏波的影響，侵徹體在兩端受到的作用力較弱，速度較小，這在一定程度上影響了侵徹體在大炸高下的形態。

綜上所述，在進行LEFP設計時，可在裝藥上設置多個起爆點，通過控制起爆點數量、位置和時序形成不同數量、速度和飛散方向的高速EFP毀傷元。

5　多模LEFP毀傷元威力的試驗研究

5.1試驗設置

試驗采用8701裝藥，密度為1.70g/cm3；藥型罩為圓缺形紫銅藥型罩；殼體為45號鋼；靶板為300mm×400mm×35mm的A3鋼，試驗裝藥結構和現場布置如圖1和圖12所示。分別采用一端起爆、頂部中心起爆和兩端同時起爆的起爆方式，觀察靶板的切口形態和侵深，比較3種毀傷元在不同炸高下侵徹能力的差異。兩端起爆時，使用同步儀和微秒級雷管控制同步起爆的時間誤差。

圖12　侵徹試驗現場布置圖Fig.12　Penetration test site layout

5.2結果及分析

圖13～圖15分別為一端起爆、頂部中心起爆和兩端同時起爆在不同炸高H(75、225、300mm)的試驗結果，一端起爆和中心起爆試驗數據對比見表3，兩端同時起爆的試驗數據見表4。

表3　一端起爆和中心起爆在不同炸高時的試驗結果對比

表4　兩端起爆侵徹試驗結果

圖13　一端起爆不同炸高(H)時侵徹試驗結果Fig. 13　The experimental results of penetration at different burst height (H) by end initiation

圖14　中心起爆不同炸高(H)時侵徹試驗結果Fig.14　The experimental results of penetration at different burst height (H) by center initiation

圖15　兩端起爆不同炸高(H)時試驗結果Fig.15　The experimental results of penetration at different burst height (H) by two-end initiation

對比3種毀傷元在75mm炸高時的侵徹能力：一端起爆在起爆端侵深較淺，之后逐漸變深，在切口長一半左右之后，侵深基本相同，直到另一端有一明顯最深切口，這與滑移爆轟波的成長期分析一致；中心起爆侵深呈中間淺、兩邊深的形態，在起爆點侵深最淺，之后向兩端逐漸加深，最深處出現在兩端；兩端同時起爆形成的切口兩邊淺，中間明顯有個凹坑。

由于速度梯度的存在，侵徹體飛行了一段距離后形態發生了很大變化。一端起爆和中心起爆在大炸高條件下出現明顯開坑現象，可見侵徹體在飛行一段距離后發生了飛散。一端起爆和中心起爆兩種起爆方式最大侵深相差不大，中心起爆切口長度大于一端起爆。結合LEFP成型形態圖，一端起爆模擬和試驗LEFP相對于起爆端面的偏向角相同，約為6°；中心起爆在小炸高范圍內試驗和模擬的偏向距離相差不大，在大炸高條件下，試驗中的LEFP更易分散，模擬中的半偏向角(約4.5°)小于試驗中的半偏向角(約8°)，造成模擬與試驗誤差的原因主要是模擬中是嚴格點起爆，試驗中實際是面起爆，起爆點誤差對偏向角影響較大。

兩端起爆時，在近炸高下靶板對稱面中心切口有凹坑，在大炸高下穿透靶板。兩端起爆侵徹體向中心靠攏，炸高越大，靠攏越明顯，切口表面長也越來越小。由于炸藥爆速很高，兩端同時起爆的誤差必須控制在幾微秒以內，同時起爆點的位置必須嚴格對稱，在600mm炸高時，因起爆位置有誤差，使侵徹體產生偏離，同時發生飛散，造成了切口表面較長，且與靶板有傾角。切口表面狀態可用來檢驗起爆誤差大小。在小炸高下產生凸起，但兩端合攏不明顯，所以凸起開孔長度較短，炸高增大到300mm，兩端漸漸合攏，侵徹體具有一定長度，侵徹威力增加，穿透靶板，隨著炸高的繼續增大，兩端合攏明顯，開孔長度減小。兩端同時起爆時不同炸高的開孔寬度相差不大，可知侵徹體的變化主要在Z方向。

一端起爆和中心起爆形成的線性侵徹體在小炸高范圍內有效，大炸高范圍內容易飛散，但一端起爆可控制侵徹體的方向，中心起爆侵徹體隨炸高增大，侵徹體拉長，有效作用范圍增大；兩端同時起爆形成高速、具有一定長寬比的侵徹體，在大炸高下仍具有很強的毀傷威力，通過設置多點起爆，可形成多個高速侵徹體，但兩端起爆形成的侵徹體作用范圍較窄。對于同一戰斗部根據目標特性，可選擇針對性的毀傷元，極大提高了戰斗部的使用效能，拓展了線性侵徹體的使用范圍。

6　結　論

(1)通過控制線性裝藥起爆點的數量、位置和時序，可形成不同類型、不同方向和速度的毀傷元。一端起爆、頂部中心起爆和兩端同時起爆形成的侵徹體是可控LEFP3種基本的毀傷元。

(2)通過爆轟波對撞理論可形成高速(大于3000m/s)、具有一定長寬比的侵徹體，侵徹體的方向可通過起爆點的起爆時差進行控制。

(3)頂部多個起爆點時，相鄰爆轟波對撞形成多個高速侵徹體；若起爆點足夠多，可近似認為單棱起爆，形成穩定的線性侵徹體。

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Research on the Formation Mechanism and Penetration Power of Multiple Model LEFP

ZHU Xu-qiang1,2, WANG Feng1, DU Zhong-hua1, CHENG Yi1

(1.Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China；2.Heilongjiang North Tool Co.,LtD., Mudanjiang Heilongjiang 157000, China)

To study the formation feature and penetration power of multimodel three kill elements, LEFP simulation model of a multi-point initiation was established and LEFP forming process under end initiation, center initiation and two-end initiation synchronously was simulated by LS-DYNA software. The notch shape and penetration depth of the target under three kinds of initiation ways were tested by the power test, and the difference of penetration ability of the three kinds of kill elements in the different burst height is discussed. Results show that the penetrator is the linear and easily splashed by end initiation and center initiation, and penetrator is slender by two-end initiation synchronously, according to the collision theory of detonation waves, two detonation waves collide to produce overpressure, the high velocity penetrator is formed, in the large burst height still has a strong destructive power. At the same time according to the forming characteristics of three basic kill elements, the multiple model LEFP can be formed by setting the many point of detonation on the charge, the kill elements with different quantity, speed and scattering direction high-speed can be formed by controlling the number, position and initial time of the points of detonation. The penetration depth conforms to the formation rule of the penetrator of numerical simulation.

linear shaped charge; LEFP;penetration powder; collision theory of detonation waves；liner

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.012

2016-03-16；

2016-04-27

朱緒強(1980-)，男，博士，高級工程師，從事彈藥設計工作。E-mail:zhuxuqiang@163.com

TJ55;O381

A

1007-7812(2016)04-0061-06