EFP成型數值模擬及侵徹威力試驗研究

白利紅，苗 成,2，武海玲，鐘 濤,2，周士猛,2，曾 晶

(1.中國兵器科學研究院 寧波分院， 山東 煙臺 264003； 2.沖擊環境材料技術重點實驗室，山東 煙臺 264003； 3.山東特種工業集團有限公司軍品研究所，山東 淄博 255201)

爆炸成型彈丸EFP(Explosive Formed Penetrator)戰斗部是一種具有高速度、大炸高等特點的介于穿甲彈和破甲彈之間的彈種，目前得到國際彈藥領域廣泛的重視和研究[1-2]。遠距離作用彈藥(末敏彈、反直升機彈藥)要求EFP飛行距離在50～150 m，甚至更遠[3]。這對EFP的氣動外形、飛行穩定性和威力提出了更高的要求，首先要求初速高、大質量、初始動能大，其次EFP具有較強的速度保持能力和較好的飛行穩定性，最終保證EFP對目標的命中和侵徹[4-7]。本文采用有限元分析軟件LS-DYNA，對EFP成型過程進行數值模擬，通過靶試試驗，測試EFP各距離處測速靶和天幕靶上的穿靶形態、速度和100 m處的侵徹威力，為EFP戰斗部的應用和工程設計提供參考。

1 EFP成型數值模擬計算

1.1 仿真模型

EFP裝藥結構主要由殼體、炸藥、藥型罩等部分組成。EFP裝藥結構如圖1所示， D80 mm口徑紫銅球缺罩，裝藥為8701壓裝，裝藥高度為0.8倍裝藥口徑。

圖1 裝藥結構示意圖

為了減少網格數量和計算時間，建立1/4實體三維模型，如圖2。基于LS-DYNA動力學分析軟件，采用拉格朗日算法(Lagrange),自動面面接觸。如此設計是由于拉格朗日算法建模相對歐拉(Euler)算法和任意拉格朗日-歐拉(ALE)算法，建模簡單，且已能夠保證計算準確性。

圖2 EFP仿真模型

1.2 材料本構模型與參數

1.2.1炸藥本構模型與參數

戰斗部裝藥采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN(高能炸藥燃燒)材料模型，計算JWL炸藥爆轟產物壓力使用JWL狀態方程(1)：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2、ω為輸入參數；E為初始比內能;DCJ為爆速;PCJ為CJ面的爆轟壓力。具體參數見表1。

表1 8701炸藥的爆轟性能參數及狀態方程參數

1.2.2藥型罩本構模型與參數

藥型罩的材料模型為*MAT_STEINBERG，該模型反應了高導無氧銅在高壓、高應變率下本構模型及狀態方程，其材料參數見表2。根據該模型理論，材料熔化前的剪切模量、屈服強度由式(2)～(3)確定。

(2)

(3)

材料熔化之后，σy和G設置為初始值的一半。

表2 高導無氧銅材料參數

1.2.3殼體采用*MAT_JOHNSON_COOK模型

Johnson-Cook材料模型是一個能反映應變率強化效應和溫升軟化效應的理想剛塑性強化模型。

(4)

表3 殼體材料參數

1.3 仿真計算結果

圖3是EFP成型過程的數值模擬。裝藥起爆后球形爆轟波向藥型罩運動，20 μs時藥型罩頂部在爆轟波作用下開始沿軸線壓垮，52 μs時藥型罩頂部較底部較早飛出，可知頂部微元的軸向速度明顯大于底部微元的速度，同時彈丸邊緣向軸向方向靠攏，形成擴展的尾部，可知邊緣處微元速度較附近沿徑向方向藥型罩微元速度大，此時EFP為向后翻轉成型模式。爆轟能量一部分用于加速藥型罩的運動，一部分用于藥型罩自身的塑性變形，在軸向拉伸和徑向壓縮作用下，200 μs時EFP完全成型為短桿狀。這種形狀有利于EFP的遠距離飛行、侵徹威力高。

圖3 EFP成型過程

圖4是EFP的速度- 時間曲線，反映了EFP成型過程中速度的變化過程，可以對于EFP的速度變化有一個直觀的了解。由圖4可知，20～52 μs時速度急劇上升，此階段EFP處于成型初始階段，頭部和尾部還沒有完全成型；52～200 μs時EFP處于軸向拉伸和徑向壓縮階段，速度趨于穩定，200 μs時EFP已完全成型，并在空氣中穩定飛行，速度為2 100 m/s。

圖4 EFP速度-時間曲線

2 試驗設計

試驗所設計EFP裝藥結構的材料及其尺寸參數與數值模擬一致，采用網靶記錄各距離處EFP的翻轉情況，根據各網靶留下的彈孔形狀判斷EFP的成型性，測速靶和天幕靶測各距離處EFP的速度。試驗樣彈如圖5所示，試驗現場布置見圖6，試驗布置見圖7。

圖5 試驗樣彈

圖6 試驗現場布置

圖7 試驗布置示意圖

3 試驗結果和分析

3.1 試驗結果及分析

穿靶形態與侵徹靶板情況如圖8、圖9所示。試驗結果如表4所示。

第2發EFP穿透100 m處10 mm厚的裝甲鋼，入孔和出孔尺寸約為45 mm×43 mm，孔形近似圓形，靶板呈現沖塞破壞。說明當EFP著靶攻角較小時，其威力較大，表現為穿孔近似圓形，且發生沖塞破壞。

EFP戰斗部加工所形成的不對稱性以及起爆時的位置偏差、地面反射波作用、橫風的影響都會對EFP飛行造成起始擾動。試驗中由于風的影響，第3發EFP未著威力靶，也未測到在 2、3號網靶的穿靶形狀。依據經驗和第1、2發EFP的侵徹威力來看，所設計的EFP完全可穿透100 m處10 mm厚裝甲鋼。

根據EFP形成機理和所掌握的EFP的X光照片反映的形態[8]，EFP為頭部密實，帶有一定的尾翼張角的飛行體。由于無旋轉性，若要達到飛行穩定必須如尾翼式彈丸一樣，應當具有相當的穩定儲備量。這種質心在前、壓心在后，在一定的攻角下迎風阻力繞質心所形成的力矩將是攻角變小的穩定力矩。在穩定力矩作用下，尾翼式彈丸攻角的變化呈簡諧振動，考慮阻尼力矩作用時將使起始擾動和穩定力矩的擺動運動很快衰減。

試驗所測得EFP的網靶穿孔形態和靶板穿孔形態均良好，表明EFP是在穩定力矩作用下克服起始擾動作周期擺動運動。

3.2 EFP飛行的速度與速度降

試驗測得EFP飛行速度如表5所示。由表5可知，所設計的EFP 20 m處平均速度為1 732 m/s，平均速度降為7.4 m·s-1·m-1，按照EFP速度衰減的趨勢估計，初速約為2 000 m/s，與數值模擬結果接近。文獻[2]采用高能炸藥、優質罩材料等設計的EFP，初速可達2 000～3 000 m/s時，其速度降約為4 m·s-1·m-1。根據EFP速度保持的特性：初速越高、氣動外形越好時，其速度降越小即保持速度能力越強。相對而言,本試驗測得EFP的速度降還是比較令人滿意的。

圖8 第1發彈穿靶形態與侵徹威力

表4 試驗結果

表5 EFP飛行的速度與速度降

4 結論

1) 數值模擬的EFP速度為2 100 m/s，形狀為短桿狀，這種形狀有利于EFP的遠距離飛行、侵徹威力高。

2) 試驗設計的EFP翻轉穩定性良好，可穿透100 m 處10 mm厚裝甲鋼，入孔和出孔尺寸約為45 mm×43 mm，孔形近似圓形，是遠距離攻擊硬目標的理想戰斗部選擇。

3) EFP在20 m、50 m、80 m的平均速度為1 732 m/s、1 530 m/s、1 291 m/s，平均速度降約為7.4 m·s-1·m-1，按照EFP速度衰減的趨勢估計，初速約為2 000 m/s，與數值模擬結果接近。