夾層聚能裝藥EFP成型及侵徹數值模擬

李玉品，周春桂，王志軍，尹建平，徐全振

(中北大學 機電工程學院， 太原 030051)

夾層聚能裝藥的基本結構是由兩層不同爆速的炸藥組合在一起，其目的是利用炸藥爆速的差異改善爆轟波形，并以此改變藥型罩的壓垮變形。最初，M.Held[1]利用條紋轉鏡相機觀測了不同炸藥組合的夾層聚能裝藥中的爆轟波形。Toru Hamada、Liu Zhi-yue、Itoh S等[2-4]國外學者對高爆速和高密度裝藥(高密度裝藥為添加不同比例鎢粉的炸藥)構成的夾層裝藥進行了深入研究，揭示了夾層裝藥的作用機理。國內，李福金、張先鋒等[5-6]學者研究了夾層聚能裝藥下射流的侵徹性能。王輝等學者[7]對復合裝藥在偏心起爆條件下的波形進行了掃描實驗。李常青等學者[8]對復合裝藥的沖擊波超壓特性進行了研究。向梅等[9]學者還對復合裝藥安全性的優選進行了BP神經網絡建模，并對復合裝藥結構的能量輸出規律[10]進行了數值模擬。此外，國內外對于EFP(Explosive Formed Projectile，爆炸成型彈丸)的研究已相當成熟，在藥型罩材料、藥型罩結構、炸藥性能、起爆方式、帶隔板裝藥等方面均有詳細研究，但對于夾層聚能裝藥結構下EFP成型和侵徹的研究還十分缺乏。

利用非線性有限元軟件Autodyn對夾層聚能裝藥結構下3種典型藥型罩，即大錐角罩、球缺罩和弧錐結合罩，形成EFP及其侵徹過程進行了數值模擬，通過與單一裝藥結構對比，發現夾層聚能裝藥能夠顯著改善爆轟波形，提高EFP侵徹性能。

1 模型建立

1.1 裝藥幾何模型

裝藥幾何尺寸如下：裝藥口徑為80 mm，裝藥高度為70 mm，其中內層炸藥直徑為70 mm，外層炸藥厚度為5 mm。

藥型罩選擇3種典型結構，大錐角罩、球缺罩和弧錐結合罩。藥型罩厚度為2.5 mm，其中大錐角罩錐角為145°；球缺罩外曲率半徑為72 mm(0.9倍裝藥直徑)；弧錐結合罩圓弧部分外曲率半徑為72 mm，錐形部分錐角為145°。起爆方式為端面中心點起爆。幾何模型如圖1所示。

圖1 裝藥幾何模型

1.2 裝藥有限元模型及材料參數

利用Autodyn-2D建立仿真模型，鑒于裝藥結構的對稱性，建立1/2模型以節省計算時間，并在裝藥軸線和邊緣位置設置高斯點，如圖2所示。炸藥、藥型罩都采用Euler算法以適應其在爆轟過程中的大變形特點，Euler域設定Flow-out邊界條件以消除爆轟波反射的影響。在侵徹靶板過程中，靶板采用Lagrange算法，與Euler域的連接方式為自動流固耦合。

藥型罩材料為高導無氧銅，狀態方程為Shock，強度模型為Steinberg-Guinan；靶板材料為裝甲鋼(RHA)，模型主要參數見表1所示。外層炸藥為HMX炸藥，選擇JWL狀態方程；內層炸藥為B炸藥，選擇沖擊起爆的Lee-Tarver模型，其主要參數如表2所示。

圖2 裝藥有限元模型

材料ρ/(g·cm-3)G/GPaσY/GPaγ高導無氧銅8.9347.70.122.02RHA7.8664.11.51.67

表2 炸藥及其主要參數

2 EFP成型模擬

2.1 爆轟波傳播過程分析

夾層聚能裝藥結構由于內外層炸藥爆速的差異，爆轟波波形不同于傳統球形波，其傳播過程和特點如圖3(a)所示。作為對比，圖3(b)為單一裝藥中爆轟波傳播過程。圖4為夾層聚能裝藥軸線和邊緣處高斯點(見圖2)壓力歷程曲線。

圖3 爆轟波傳播過程

從圖3爆轟波形狀及圖4高斯點壓力歷程曲線可以發現：

1) 單一裝藥中，爆轟波為散心球形波。而夾層裝藥結構下爆轟波形更加接近平面波，有利于減小爆轟波與藥型罩母線夾角從而增加作用在罩面上的初始壓力。

2) 通過軸線上高斯點的壓力歷程曲線可以看出，爆轟波傳播過程中，波陣面峰值壓力逐漸增大。靠近罩頂處壓力達到37 GPa，遠大于內層炸藥的C-J爆轟壓力，說明內層炸藥發生了超壓爆轟，這無疑也增加了作用在藥型罩上的初始壓力。

3) 從夾層裝藥壓力云圖和高斯點7-10的壓力歷程曲線可以發現，內層裝藥邊緣處壓力最大且峰值壓力約為50 GPa，這有利于藥型罩邊緣部分的壓垮。

圖4 高斯點壓力歷程曲線

2.2 EFP成型及分析

80 μs時，EFP成型已趨近穩定。此時，3種典型藥型罩在單一裝藥結構和夾層裝藥結構下形成的EFP如圖5所示。

EFP參數如表3所示，其中Vh為EFP頭部速度，Ek為EFP動能，η為EFP頭部密實度(EFP頭部密實部分占EFP總長度的比值)，λ為EFP長徑比。

從圖5可以發現，3種典型結構的藥型罩所形成的EFP形狀差異很大。大錐角罩EFP外形粗短，中心壓攏密實并存在明顯的反向凸起；球缺罩EFP較為細長且內部空腔大；弧錐罩EFP外形類似較球缺罩但頭部更為密實。夾層裝藥下形成的EFP保留了由藥型罩結構所產生的形狀特點，但EFP的密實度明顯增加。

根據表3，對于相同幾何形狀的藥型罩，夾層裝藥條件下形成的EFP在頭部速度、動能、密實度、長徑比方面均有明顯提升，這與上述對夾層裝藥爆轟波的傳播特點的分析是一致的。對于大錐角罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了145 m/s(約6%)，動能提高了49 kJ(約20%)，密實度提高了16%，長徑比增加了0.4。對于球缺罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了99 m/s(約4%)，動能提高了54 kJ(約22%)，密實度提高了12%，長徑比增加了0.22。對于弧錐罩，夾層裝藥下EFP頭部速度提高了186 m/s(約9%)，動能提高了45 kJ(約19%)，密實度提高了4%，長徑比增加了0.21。通過上述數據分析可以發現：相比于單一裝藥，夾層裝藥條件下弧錐罩EFP頭部速度提升最大，但其密實度提升最不明顯；大錐角罩EFP密實度和長徑比提升最顯著；球缺罩EFP動能提升最高。

圖5 不同裝藥結構下EFP成型圖

Vh/(m·s-1)Ek/kJη/%λ大錐角罩(單一裝藥)2 357247321.44大錐角罩(夾層裝藥)2 502296481.84球缺罩(單一裝藥)2 331243152.21球缺罩(夾層裝藥)2 430297272.43弧錐罩(單一裝藥)2 160239281.13弧錐罩(夾層裝藥)2 346284321.34

2.3 EFP侵徹能力分析

夾層裝藥下EFP頭部速度、動能、密實度、長徑比均有所提高，但這并不能直觀、準確的判斷EFP侵徹性能。為更進一步了解夾層裝藥下EFP的侵徹能力，進行了侵徹裝甲鋼的數值分析。炸高取190 mm(約2.4倍裝藥直徑)，起爆后80 μs，EFP開始侵徹鋼靶(厚100 mm)。150 μs時，侵徹結束(EFP速度已降至10 m/s以下，完全失去了侵徹能力)，此時，靶板開孔情況如表4所示，其中Dp是侵徹深度，d1是開孔直徑。

表4 侵徹模擬結果

通過靶板開孔形狀可以發現3種藥型罩形成的EFP侵徹特點，大錐角罩EFP開孔形狀中間深四周淺，這是由于大錐角罩EFP軸心處密實度高，能量密度高，所以中心處能夠獲得更大的侵徹深度。球缺罩EFP侵徹靶板時，開孔四周深中間淺，孔中心處產生一個“凸芯”，這是由于球缺罩EFP內部空腔大，頭部密實度差從而導致軸心部分沒有足夠能量繼續侵徹。弧錐罩EFP開孔特點類似球缺罩，但中間的“凸芯”并不明顯，因為弧錐罩EFP頭部密實度較高。

與單一裝藥結構相比，夾層裝藥條件下大錐角罩EFP侵深增加了12 mm，增幅為40%，開孔直徑增加了9 mm。球缺罩EFP侵徹深度增加了6 mm，增幅約為18%，開孔直徑略有下降且“凸芯”高度明顯降低。弧錐罩EFP侵徹深度增加了6 mm，增幅約26%，開孔直徑略有增加且孔底“凸芯”近乎消失。綜上，夾層裝藥結構能夠有效提高EFP的侵徹性能，其中大錐角罩提升最為顯著。

3 結論

1) 夾層裝藥結構能夠有效改善爆轟波形，減小波陣面與藥型罩表面夾角；夾層裝藥中內層炸藥發生超壓爆轟，使得波陣面壓力遠大于單一裝藥，上述兩方面都使作用在藥型罩表面壓力增加。

2) 夾層裝藥結構能夠有效提高EFP的速度、動能、頭部密實度和長徑比，使EFP侵徹能力明顯提升。