多點起爆方式對EFP侵徹能力增益的研究

沈慧銘,李偉兵,王曉鳴,李文彬,鄭 宇,董曉亮

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點實驗室,江蘇 南京 210094)

多點起爆方式對EFP侵徹能力增益的研究

沈慧銘,李偉兵,王曉鳴,李文彬,鄭 宇,董曉亮

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點實驗室,江蘇 南京 210094)

為了提高爆炸成型彈丸EFP的侵徹能力,選擇環形多點起爆的方式形成EFP侵徹體。利用有限元程序LS-DYNA模擬不同起爆半徑、藥型罩弧度半徑和藥型罩切邊角對EFP成型的影響規律,通過優化得到了2個成型較好的EFP結構。結果表明:相比中心點起爆方式,多點起爆方式形成的2個EFP速度分別提高了14%和11.6%,長徑比分別提高了100%和13.2%,密實度分別提高了95.3%和72.1%,侵徹深度分別提高約1.54倍和0.378倍。3個參數中,起爆半徑和藥型罩弧度半徑對EFP的速度、長徑比影響較大,對密實度影響較小;藥型罩切邊角對EFP的密實度影響較大。

爆炸成型彈丸;多點起爆;密實度;長徑比;數值計算

Abstract:In order to improve the penetration ability of EFP,the annular multi-point initiation way was selected to form EFP penetrator.The finite element program LS-DYNA was used to simulate the effects of different initiation radius,radian radius and trimming angle of the liner on the forming of penetrator,and two well-formed EFPs were obtained by optimization.The research results show that:compared with center-point initiation,the speed of the two EFPs formed by annular multi-point initiation increases by 14% and 11.6% respectively;the ratio of length to diameter increases by 100% and 13.2% respectively;the compactness increases by 95.3% and 72.1% respectively;the penetration depth increases by 154% and 37.8% respectively.Among the three parameters,the initiation radius and the radian radius of liner have a great influence on the EFP speed and the ratio of length to diameter;the influence on the compactness is small;the trimming angle of liner has a great influence on the compactness of EFP.

Keywords:explosively formed projectile;multi-point initiation;compactness;the ratio of length to diameter;numerical calculation

在聚能裝藥戰斗部中,當藥型罩的錐角范圍在120°～160°時,在爆轟載荷作用下藥型罩不會壓垮,而是翻轉閉合形成一個短粗形狀的彈丸,稱為爆炸成型彈丸(explosively formed projectile,EFP)[1]。爆炸成型彈丸戰斗部已有幾十年的發展歷史,國內外許多專家學者已經進行了深入細致的研究工作。為形成成型性能優良、侵徹能力優異的爆炸成型彈丸,大量的工作主要集中在裝藥[2-3]、藥型罩[4-5]以及殼體[6]的材料選擇和結構優化方面;也有研究者提出將聚能成型破甲戰斗部中的隔板法[7]引入到爆炸成型彈丸戰斗部的設計中,也取得了一定的效果。

學者們對通過改變起爆方式來得到高性能EFP的研究較少,現在最常用的起爆方式仍然是端面中心點起爆。曹兵[8]等通過X光試驗分別拍攝了中心點起爆和環形三點起爆下EFP的成型情況,其中中心點起爆方式形成的EFP成型較好,而三點起爆形成的EFP斷成三段,即使如此,文獻[8]仍預測多點起爆對EFP成型具有良好前景;文獻[9～11]分別對環形多點起爆方式形成EFP進行了研究,研究主要針對三點起爆方式形成EFP尾裙和尾翼方面,并得出以下結論:采用多點起爆方式可以形成帶尾翼的EFP,且尾翼個數與起爆點個數相對應,提高了EFP的飛行穩定性和保速能力。前人對于多點起爆方式下EFP成型的研究主要集中在三點起爆方式且應用于EFP尾翼成型。采用多點起爆方式引爆炸藥裝藥在一定條件下可以形成馬赫爆轟波[12],不僅能提高炸藥潛能而且能形成喇叭形爆轟波,改善了爆轟波的結構,這兩點對EFP的成型性能有著有益的影響。

本文研究多點起爆方式對EFP成型的速度、長徑比等關鍵參數的影響規律,同時通過優化起爆參數和藥型罩結構得到較傳統起爆方式更優良的EFP。

1 有限元模型試驗驗證

為了驗證數值模擬方法的可靠性,基于文獻[13]的試驗結果,建立了爆炸成型彈丸EFP的有限元模型,將模擬結果與試驗結果對比。爆炸成型彈丸裝藥結構為圓柱形裝藥,裝藥口徑為60 mm,裝藥高度為48 mm,口徑比為0.8,藥型罩為弧錐結合藥型罩,弧度半徑R=44 mm,錐角為140°,具體結構尺寸如圖1所示。三維有限元建模如圖2所示,數值模型由炸藥、藥型罩和空氣三部分組成,其中炸藥和空氣材料采用歐拉網格建模,藥型罩材料采用拉格朗日網格建模,藥型罩與炸藥和空氣材料間采用耦合算法CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。炸藥材料為8701,密度為1.715 g/cm3,爆速為8 452 m/s,選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態方程;藥型罩材料為紫銅,密度為8.96g/cm3,采用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態方程來描述它在爆轟波作用下的動力學響應行為。空氣采用空物質流體模型,狀態方程為線性多項式。由于EFP炸高大且飛行距離遠,為了縮減計算量,在100 μs時刻,添加*DELETE_PART關鍵字用于刪除炸藥和空氣PART,僅留下藥型罩PART繼續成型,直至形成頭尾速度一致的爆炸成型彈丸。起爆方式為端面中心點起爆。

在120 μs時刻,EFP的數值計算結果與X光圖像以及最終回收到的EFP三者間對比見圖3。EFP的試驗和數值模擬成型參數的比較列于表1。表中,L為EFP長度,D為EFP直徑,v1為頭部速度,v2為尾部速度,L/D為EFP長徑比。

L/mmD/mmv1/(m·s-1)v2/(m·s-1)L/D仿真47.220.81481.01452.02.3試驗46.819.51530.61516.22.4

由圖3可以看出:三者的成型形狀一致,都形成了短粗形的EFP結構;數值模擬和X光圖像都存在空腔,且空腔長度接近;數值模擬得到的EFP尾部開口略大于X光攝影結果。數值模擬和回收到的EFP在尾裙處都有明顯外翻現象,這是切邊形藥型罩的切邊在爆轟波作用下向軸線處壓垮成型的結果。對比表1中數值模擬和試驗EFP的成型參數,仿真與試驗的EFP的長度相差0.4 mm,誤差0.09%;EFP的直徑相差1.3 mm,誤差6.7%;頭部速度相差49.6 m/s,誤差3.2%;尾部速度相差64.2 m/s,誤差4.2%;長徑比相差0.1,誤差4.2%。誤差均在5%左右,這表明數值計算采用的材料本構、狀態方程等應用于模擬EFP成型的結果是可信的。

2 多點起爆EFP的形成

多點起爆爆轟波相互碰撞會在藥型罩頂部形成馬赫爆轟波,因為馬赫波陣面的壓力遠高于C-J爆轟波陣面的壓力(約為C-J爆壓的3.45倍[14]),且馬赫波形成了喇叭形爆轟形,減少了爆轟波與藥型罩的壓垮角,增大了藥型罩的壓垮速度,所以理論上多點起爆方式對EFP的成型性能有較大增益。然而,先期的研究發現,由于馬赫波陣面壓力過高導致藥型罩頂部微元的軸向速度遠高于其他微元的軸向速度,在EFP成型過程中頭部速度梯度過大,這導致EFP頭部斷裂,頭尾速度不一致且EFP長度過長等缺點。

本節采用和第1節相同的裝藥結構,建立多點起爆下裝藥爆轟作用簡化模型,圓柱形裝藥環形多點起爆可簡化為過裝藥軸線兩點對稱起爆結構,如圖4所示。圖中,r為起爆半徑;R1,R2分別為弧錐結合藥型罩內、外半徑,α為藥型罩切邊角。對稱兩點起爆形成的爆轟波在對稱面上經歷正碰撞、正規斜碰撞和非正規斜碰撞過程。起爆點O1和O2同時起爆后,爆轟波將以相同爆速向炸藥內部傳播,爆轟波最先在A點處發生正碰撞,隨著爆轟波在炸藥中的傳播,爆轟波之間將產生一夾角,碰撞點逐漸向下移動,AB之間即為正規斜碰撞。當碰撞點到達B點,爆轟波碰撞后形成馬赫波,產生馬赫桿,從圖4中可以看出馬赫桿兩端沿著BC1和BC2移動,最終作用于藥型罩上。

環形多點起爆方式改變了爆轟波對藥型罩的壓垮過程,中心點起爆方式采用的藥型罩結構必然不再適合多點起爆方式。參考馬赫波陣面壓力和波形的變化情況,采用優化起爆半徑r、藥型罩外弧度半徑R2和藥型罩切邊角α(見圖4),以期得到成型良好的EFP侵徹體。

2.1 起爆半徑

多點起爆方式起爆半徑r的變化不僅改變爆轟波形狀同時也影響爆轟波對藥型罩的載荷分布,最終將影響爆炸成型彈丸的成型形態。數值計算模擬選取7種起爆半徑方案:r=5 mm,8 mm,10 mm,15 mm,20 mm,25 mm,30 mm。成型參數見表2,由于篇幅有限只選取部分成型結果。EFP的成型見圖5。

表2 不同r時EFP成型參數

*注:v1=v2。

由表2和圖5可以看出,r增加,EFP速度和長徑比都增加。以r=25 mm的EFP成型結果為例分析,相比中心點起爆方式,EFP速度提高11.5%,長徑比提高約55倍。一般來說,彈桿質量一定時,長徑比越大,其在一定速度下的比動能越大,侵徹效果也就越明顯。但是,在現代戰場中EFP戰斗部多用于大炸高攻擊坦克裝甲,正是由于其長度較短,彈徑較粗,反應裝甲對其干擾較小,對裝甲目標后效大,且大炸高下不易斷裂。所以,多點起爆方式形成的EFP戰斗部在長徑比得到極大增加的同時必須保證EFP直徑不能太細。圖5中r=25 mm形成的EFP顯然不能滿足要求。

綜合分析EFP成型參數,多點起爆的起爆半徑r控制在0.25Dc～0.33Dc(Dc為裝藥直徑)之間,既保證了EFP速度和長徑比增加,同時其直徑不至于太小。由表2可以看出,僅僅通過優化起爆半徑r得到的EFP的直徑仍較細,實際飛行中EFP很容易拉斷,嚴重影響其侵徹能力。下面取起爆半徑r=15 mm,20 mm 2個方案進行進一步研究。

2.2 外弧度半徑

多點起爆爆轟波碰撞在藥型罩頂部區域形成超壓,超壓載荷作用于罩頂,提高了藥型罩頂部材料的壓垮速度,增加EFP頭尾的速度差,在工程實際中由于材料及加工工藝等因素,馬赫超壓可能沖破藥型罩頂部,導致EFP無法成型。由于頭尾速度差過大,即使罩頂未被沖破,頭尾也極易斷裂分離。可以通過增加藥型罩頂部壁厚,減緩多點起爆下藥型罩壓垮的速度梯度。因為弧錐結合藥型罩內、外弧度半徑R1和R2決定藥型罩的壁厚,所以可調節弧度半徑適當增大罩頂壁厚,降低藥型罩頂部的壓垮速度,從而達到減小EFP長度、增加EFP直徑的目的,同時也保證EFP成型和飛行過程中不易斷裂。數值計算方案:內弧度半徑R1=40 mm并保持不變,選取外弧度半徑R2=50 mm,60 mm,70 mm 3種方案。數值模擬藥型罩弧度半徑對EFP成型的影響,成型參數見表3,EFP仿真成型見圖6。

表3 不同R2時EFP成型參數

*注:v1=v2。

分析表3和圖6,隨著R2增加,EFP直徑顯著增加,長徑比顯著減小,EFP趨于短粗形。同時,由于藥型罩壁厚增加,藥型罩質量增加,所以EFP速度降低但下降不多。R2對EFP長徑比影響很大,而對速度影響不大。分析表3的結果,R2取值范圍應控制在40～50 mm之間,既適當增加了EFP的直徑,同時也保證EFP速度下降不多。

2.3 切邊角

通常EFP為前部密實后部中空的回轉體結構,為了表征EFP的密實性,引入“密實度”[15]的概念,定義“密實度”為EFP實心部分長度與EFP總長度的比值,記為μ。觀察圖5、圖6各方案中的EFP成型,雖然與中心起爆方式相比EFP的長徑比得到較大提高,但是EFP的密實度較低,EFP的尾部被拉得很長,易斷裂,影響飛行穩定且不能提供侵徹能力。爆炸成型彈丸的尾部是由藥型罩邊緣材料形成的,為減小空腔部分的長度,可以通過增加藥型罩的切邊角α,降低罩邊緣部分的質量,從而達到縮短EFP尾部的目的。同時,藥型罩邊緣質量減小必然導致藥型罩尾部的壓垮速度提高,最終提高EFP的速度。

前面的研究中切邊角α=45°,本節以45°為基準,增大切邊角,分別模擬切邊角α=50°,55°,60°時EFP的成型,成型參數見表4,仿真成型結果見圖7。

表4 不同切邊角下各方案EFP的成型參數

*注:v1=v2。

α改變,EFP成型形態各異,但是其成型參數的規律保持一致。選取方案1、方案2、方案3進行分析,可以看出,隨著α增加,EFP的尾部空腔明顯減小,當切邊角為60°時,藥型罩邊緣沒有翻轉成型。因為切邊角較大,藥型罩邊緣壁厚較薄,頂部和邊緣的壁厚不匹配,壓垮過程中藥型罩邊緣沒有完全翻轉即達到頭尾速度相同。雖然α=60°時EFP密實度為1,但是其成型形狀較差,無法滿足戰斗部的成型要求。

下面僅分析α從45°增加到55°的情況下EFP成型參數的變化規律。EFP速度從1 548 m/s增加到1 687 m/s,增加了9.0%;長徑比L/D從7.92減小到4.63,降低了41.5%;密實度μ從0.44增加到0.84,增加了90.9%。α增加,EFP速度和密實度增加,對EFP的侵徹性能是增益的,但是長徑比減小對EFP侵徹能力是減損的。然而,實際情況并非如此。實際上,α從45°增加到55°,EFP總長度從115.7 mm減小到69.0 mm,總長減小了40.4%,但EFP實心部分長度幾乎保持不變。α=45°,EFP實心部長度為55 mm;α=55°,EFP實心部長度為58 mm。同時,EFP的直徑從14.6 mm增加到14.9 mm,基本保持不變,所以EFP的長徑比減小,減小的是非實心部的長度,而非實心部是沒有侵徹能力的,且非實心部過長,在飛行過程中極易斷裂。所以,此時EFP長徑比減小對EFP的侵徹能力沒有減損,切邊角α的合理范圍為50°～55°。

3 侵徹能力對比

綜合考慮速度、長徑比和密實度,選出圖7中方案2、方案11這2個成型較優的EFP,與中心點起爆方式形成的EFP進行對比,圖8為三者的成型形狀的比較。

中心點起爆方式形成的EFP的成型參數:v1=1 481 m/s,v2=1 452 m/s,L/D=2.3,μ=0.43;方案2形成的EFP的成型參數:v1=1 687 m/s,v2=1 687 m/s,L/D=4.63,μ=0.84;方案11形成的EFP的成型參數:v1=v2=1 653 m/s,L/D=2.57,μ=0.75。可以發現,較中心點起爆方式,方案2形成的EFP速度提高了206 m/s,提高了14%,長徑比提高約1倍,密實度提高約95.3%;方案11的EFP速度提高了172 m/s,提高了11.6%,長徑比提高約13.2%,密實度提高約72.1%。可見,多點起爆方式對EFP的速度、長徑比和密實度提升明顯。

為了直觀地比較三者的侵徹能力,利用經驗公式分別計算其侵徹深度并進行對比。EFP一般速度在1 500～2 000 m/s之間,EFP對靶的侵徹可以按破碎穿孔模式進行,其侵徹深度δp的工程計算公式為[16]

(1)

式中:v0為EFP速度;ρp,ρt分別表示EFP材料和靶材料的密度;p為EFP和靶之間的破壞強度差。

取紫銅與45#鋼的破壞強度差p=400 MPa,v0取EFP頭部速度,即v0=v1。代入式(1)易得EFP侵徹45#鋼的侵徹深度δp分別為0.37Dc,0.94Dc和0.51Dc。同等的裝藥量下,多點起爆方式形成的EFP侵徹深度分別提高了154%和37.8%。

4 結束語

模擬了中心點起爆方式下EFP的成型,并與試驗結果吻合較好,證明本文數值計算采用的算法、材料參數及狀態方程等用于EFP模擬是可信的。

多點起爆形成EFP,起爆半徑r增加,EFP的速度和長徑比增加,直徑減小。對于本文結構,多點起爆半徑r的合理范圍為0.25Dc～0.33Dc,即在EFP速度和長徑比增加的同時其直徑不過細;藥型罩外弧度半徑R2增加,可以適當增加EFP的直徑,使得EFP趨于短粗形,長徑比減小明顯,而對速度影響不大。藥型罩切邊角α對EFP空腔部的長度影響較大,α增加,EFP空腔部的長度減小,實心部分長度基本不變,EFP的密實度增加。切邊角α不能過大,否則藥型罩頂部和邊緣厚度不匹配將導致罩邊緣材料無法翻轉成型,對于本文的結構,合理的切邊角范圍為50°～55°。

多點起爆方式可以大大提高EFP的侵徹能力。本文優化得到了2種EFP結構,結構參數分別為:r=15 mm,R2=40 mm,α=55°;r=20 mm,R2=50 mm,α=55°。多點起爆方式較中心點起爆方式侵徹深度分別增加了154%和37.8%。

[1] 黃正祥,祖旭東.終點效應[M].北京:科學出版社,2014. HUANG Zheng-xiang,ZU Xu-dong.Terminal effects[M].Beijing:Science Press,2014.(in Chinese)

[2] 桂冠冠.高性能爆炸成型彈丸的研究[D].南京:南京理工大學,2013. GUI Guan-guan.Study on high-performance of EFP[D].Nanjing:Nanjing University of Science & Technology,2013.(in Chinese)

[3] 譚多望,孫承緯.成型裝藥研究新進展[J].爆炸與沖擊,2008,28(1):50-56. TAN Duo-wang,SUN Cheng-wei.Progress in studies on shaped charge[J].Explosion and Shock Waves,2008,28(1):50-56.(in Chinese)

[4] 蔣建偉,楊軍,門建兵,等.結構參數對EFP成型影響的數值模擬[J].北京理工大學學報,2004,24(11):939-941. JIANG Jian-wei,YANG Jun,MEN Jian-bing,et al.Numerical simulation for the parameter study of with explosively formed projectile aluminum case[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2004,24(11):939-941.(in Chinese)

[5] 李偉兵,王曉鳴,李文彬,等.藥型罩結構參數對多模毀傷元形成的影響[J].彈道學報,2009,21(1):19-23. LI Wei-bing,WANG Xiao-ming,LI Wen-bin,et al.Effect of liner configuration parameter on formation of multimode penetrator[J].Journal of Ballistics,2009,21(1):19-23.(in Chinese)

[6] 周翔,龍源,朱燕燕.殼體性質對爆炸成形彈丸性能的影響[J].彈箭與制導學報,2008,28(1):122-124. ZHOU Xiang,LONG Yuan,ZHU Yan-yan.Influence of case qualities on EFP performance[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2008,28(1):122-124.(in Chinese)

[7] 朱傳勝,黃正祥,劉榮忠,等.帶隔板中空裝藥的EFP成型研究[J].彈道學報,2013,25(1):53-58. ZHU Chuan-sheng,HUANG Zheng-xiang,LIU Rong-zhong,et al.Research on forming of EFP warhead with wave-shaper and center-hole charge[J].Journal of Ballistics,2013,25(1):53-58.(in Chinese)

[8] 曹兵,陳惠武,明曉.起爆方式對EFP成形性能的影響[J].彈道學報,2000,12(3):64-68. CAO Bing,CHEN Hui-wu,MING Xiao.Effects of different methods of ignition on the performance of EFP’s shaping[J].Journal of Ballistics,2000,12(3):64-68.(in Chinese)

[9] 羅健,蔣建偉,朱寶祥.多點起爆對EFP形成的影響研究[J].彈箭與制導學報,2004(2):27-29. LUO Jian,JIANG Jian-wei,ZHU Bao-xiang.Effect of multile-point initiation on the explosively formed penetrator formation[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2004(2):27-29.(in Chinese)

[10] 門建兵,蔣建偉,萬麗珍.帶尾翼EFP形成的三維數值模擬研究[J].北京理工大學學報,2002,22(2):166-168. MEN Jian-bing,JIANG Jian-wei,WAN Li-zhen.3D Numerical simulation research on the formation of explosively formed penetrator with fins[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2002,22(2):166-168.(in Chinese)

[11] 劉建青,郭濤,顧文彬,等.三點起爆形成尾翼EFP的數值模擬和實驗研究[J].爆炸與沖擊,2013,33(1):38-46. LIU Jian-qing,GUO Tao,GU Wen-bin,et al.Numerical simulation and experimental investigation of EFPs with fins formed by the three-point initiation[J].Explosion and Shock Waves,2013,33(1):38-46.(in Chinese)

[12] 張守中.爆炸與沖擊動力學[M].北京:兵器工業出版社,1993. ZHANG Shou-zhong.Explosion and shock dynamics[M].Beijing:Ordnance Industry Press,1993.(in Chinese)

[13] 張先鋒.聚能侵徹體對帶殼炸藥引爆研究[D].南京:南京理工大學,2005. ZHANG Xian-feng.Research on the shaped charge penetrator detonating the shelled explosive[D].Nanjing:Nanjing University of Science & Technology,2005.(in Chinese)

[14] 孫新利,蔡新會,姬國勛,等.內爆沖擊動力學[M].西安:西北工業大學出版社,2011. SUN Xin-li,CAI Xin-hui,JI Guo-xun,et al.Implosion and shock dynamics[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press,2011.(in Chinese)

[15] 劉建青,顧文彬,唐勇,等.變壁厚球缺罩爆炸成型彈丸成型性能的數值模擬[J].解放軍理工大學學報,2008,9(2):172-176. LIU Jian-qing,GU Wen-bin,TANG Yong,et al.Numerical investigation on EFP forming performance with variational-wall-thickness hemispherical liner[J].Journal of PLA University of Science and Technology,2008,9(2):172-176.(in Chinese)

[16] 林加劍.EFP成型及其終點效應研究[D].合肥:中國科學技術大學,2009. LIN Jia-jian.Research on the formability of EFP and its terminal effect[D].Hefei:University of Science and Technology of China,2009.(in Chinese)

StudyonthePenetrationAbilityofEFPbyAnnularMulti-pointInitiation

SHEN Hui-ming,LI Wei-bing,WANG Xiao-ming,LI Wen-bin,ZHENG Yu,DONG Xiao-liang

(ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2017-02-27

國家自然科學基金項目(11202103)

沈慧銘(1988- ),男,博士研究生,研究方向為智能彈藥、戰斗部高效毀傷。E-mail:shenhuiming202@163.com。

TJ414.2

A

1004-499X(2017)03-0049-07