徑向型EFP戰斗部結構優化設計?

武天宇 朱建生 陳 朋 伍驚濤

（陸軍炮兵防空兵學院 合肥 230031）

1 引言

通過在彈丸內徑向放置EFP戰斗部，在彈丸掠飛到目標上方適當距離后，適時引爆EFP戰斗部，可實施對頂裝甲的攻擊。這種掠飛攻頂攻擊方式在反應裝甲、復合裝甲等新型防護技術的出現，裝甲武器的前裝甲，側裝甲防護顯著加強的情況下，是打擊裝甲武器薄弱之處既頂裝甲的一種有效攻擊方式［1］。

相對于普通破甲彈而言，掠飛攻頂戰斗部需采用徑向裝藥，其裝藥半徑和長徑比受到彈丸口徑的限制，戰斗部結構設計直接影響著EFP的成型，而EFP的速度、長徑比和比動能等［2］是影響侵徹能力的重要指標。本文將以徑向型EFP戰斗部作為研究對象，應用LS-DYNA仿真軟件，結合正交分析方法對不同裝藥半徑下變壁厚球缺型藥型罩壁頂厚、罩口罩頂厚度比、藥型罩外曲率半徑［3］和裝藥長徑比［4］對EFP成型規律的影響進行分析。在此基礎上對彈丸口徑為93mm的徑向型EFP戰斗部結構參數進行優化研究。

2 裝藥半徑的確定

在93mm口徑彈丸內徑向放置EFP戰斗部，戰斗部裝藥半徑D/2和裝藥長徑比h/D都要受到彈丸口徑的制約，如圖1所示，其中D/2為裝藥半徑，R為外切圓半徑，h為裝藥高度，三者需滿足三角函數關系，因此裝藥長徑比不能過大，本文中裝藥長徑比最大為1。當裝藥半徑為31mm時，最大裝藥高度為62mm，構成外切圓半徑為44.63mm，此時已達到最大裝藥半徑。同時綜合考慮彈丸壁厚、戰斗部殼體厚度和相關元器件所需空間，為了節省空間，EFP戰斗部采用船尾型裝藥。因此本文中選取29mm、30mm、31mm三個裝藥半徑分別進行優化設計。

圖1 徑向EFP戰斗部示意圖

3 EFP戰斗部仿真模型

本文中采用LS-DYNA進行仿真分析，藥型罩設計為變壁厚球缺型藥型罩，裝藥為船尾型裝藥［5］，由于裝藥為軸對稱結構，所以簡化為二維軸對稱問題，采用1/2模型。為了簡化計算，模型中不考慮戰斗部殼體的影響。如圖2所示，其中δ為藥型罩壁頂厚，r為藥型罩外曲率半徑，h為裝藥高度，裝藥半徑為D/2。在計算時間達到30μs時刪除掉炸藥單元和與藥型罩的接觸，計算到300μs時終止計算，此時EFP頭尾速度差為0，EFP已成型。計算模型采用LAGRANGE方法進行計算，炸藥選用8701炸藥，藥型罩材料為紫銅。具體材料參數見文獻［6］和文獻［7］。

圖2 仿真模型示意圖

4 正交優化設計

4.1 正交分析設計

本文中裝藥類型和藥型罩材料已經選定，裝藥半徑分為29mm、30mm、31mm三種分別進行分析討論。為優化EFP戰斗部結構，確定了藥型罩壁頂厚δ，藥型罩罩口與罩頂厚度比λ［8］，藥型罩外曲率半徑r，裝藥長徑比N四個設計因素，分為四個水平［9］，具體因素、水平取值見表1。

表1 因素、水平取值表［10］

使用L16（45）正交表對上述因素水平進行正交分析，正交表見表2。

表2 L16（45）正交表

4.2 正交分析結果對比

本文選取300μs時EFP的速度V，比動能Es，長徑比L/D三個指標對仿真結果進行評定［11］。計算結果使用極差法進行分析，具體方法參考文獻［9］，分析結果見表3。

表3 裝藥半徑為29mm的EFP極差分析

對裝藥半徑為30mm和31mm時的計算方法相同，為了節省版面，這里不再列出。下面使用曲線圖表示不同裝藥半徑下各因素對指標的影響，如圖3所示。

圖3 各指標隨因素變化曲線

根據圖3可以清晰看出藥型罩壁頂厚δ、罩口罩頂厚度比λ對EFP速度起反向作用，裝藥長徑比N對EFP速度起正向作用；藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r對EFP長徑比起反向作用，裝藥長徑比N對EFP長徑比起正向作用；當裝藥半徑為31mm時，EFP長徑比L/D受藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r和裝藥長徑比N影響均較大，但不具有方向性。各指標受各因素影響大小排序如表4。

表4 裝藥半徑29mm時各指標受因素影響排序

根據表4中數據綜合分析可得裝藥半徑為29mm的EFP戰斗部優化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

由表5中可以看出EFP長徑比L/D已基本符合要求，如果長徑比過大，EFP容易發生斷裂，因此在影響程度相同時可先考慮速度V和比動能Es，結合表5數據綜合分析可得裝藥半徑為30mm的EFP戰斗部優化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（49mm），N（1）。

表5 裝藥半徑30mm時各指標受因素影響排序

根據表6中數據綜合分析可得裝藥半徑為31mm的EFP戰斗部優化方案為δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）。

表6 裝藥半徑31mm時各指標受因素影響排序

4.3 優化方案仿真分析

將優化方案使用LS-DYNA分別進行建模仿真，再進行對比分析。仿真結果如下。

如圖4所示，裝藥半徑為29mmEFP戰斗部仿真時間為300μs時，EFP頭尾速度差為0，EFP成型過程已結束。采用優化方案的EFP戰斗部結構在300μs速 度 V 為 2230m/s，比 動能 Es為 158.77J·mm-2，長徑比L/D為4.92。

圖4 裝藥半徑為29mm時優化方案EFP成型過程

裝藥半徑為30mm的EFP戰斗部成型過程如圖5所示，在300μs時EFP速度V為2280m/s，比動能Es為168.79J·mm-2，長徑比L/D為5.58。

圖5 裝藥半徑為30mm時優化方案EFP成型過程

裝藥半徑為31mm的EFP戰斗部成型過程如圖6所示，在300μs時EFP速度V為2270m/s，比動能 Es為 176.34J·mm-2，長徑比 L/D 為 8.72。此方案下EFP長徑比過長，且由圖6可以看出最終成型的EFP腰部過細，在侵徹過程中很容易發生斷裂［12］，且半徑較小，導致侵徹半徑小。由表6可以看出藥型罩曲率半徑r對速度V和比動能Es影響最小，但對長徑比L/D影響較大，可通過調整藥型罩曲率半徑r減小長徑比。其他因素仍使用優化方案，藥型罩曲率半徑r不同時EFP戰斗部在300μs的成型結果如圖7所示。

圖6 裝藥半徑為31mm時優化方案EFP成型過程

圖7 不同藥型罩曲率半徑下的EFP成型結果

當藥型罩曲率半徑r為48mm時，EFP戰斗部在300μS時速度V為2290m/s，比動能Es為175.58J·mm-2，長徑比L/D為7.28。當藥型罩曲率半徑r為49mm時，EFP戰斗部在300μs時速度V為2300m/s，比動能 Es為 178.17J·mm-2，長徑比 L/D為 6.38。當藥型罩曲率半徑r為50mm時，EFP戰斗部在300μs時速度V為2320m/s，比動能Es為 180.16J·mm-2，長徑比L/D為5.56。可以明顯看出藥型罩曲率半徑r為50mm時，各指標數據最優，且通過圖7可以看出r=50mm時，EFP戰斗部腰部明顯改善，且半徑增大，因此當裝藥半徑為31mm時δ（21mm），λ（0.6），r（47mm），N（1）為最優方案。

通過比較29mm，30mm，31mm三個裝藥半徑下的優化方案可以得出最終設計方案為裝藥半徑31mm，藥型罩壁頂厚δ=21mm，藥型罩罩口與罩頂厚度比λ=0.6，藥型罩外曲率半徑r=47mm，裝藥長徑比N=1。

5 結語

利用通過LS-DYNA仿真軟件，結合正交分析方法對不同裝藥半徑下變壁厚球缺型藥型罩壁頂厚、罩口罩頂厚度比、藥型罩曲率半徑和裝藥長徑比對EFP成型規律的影響進行研究。得出結論如下。

1）藥型罩壁頂厚δ、罩口罩頂厚度比λ對EFP速度起反向作用，裝藥長徑比N對EFP速度起正向作用；藥型罩壁頂厚δ、藥型罩曲率半徑r對EFP長徑比起反向作用，裝藥長徑比N對EFP長徑比起正向作用。

2）EFP結構參數對EFP速度、比動能和長徑比的影響大小順序并不是固定的，是裝藥半徑和結構參數的共同作用結果。

3）裝藥半徑的增大，會不同程度地提高EFP的速度、比動能和長徑比。

4）得到了彈丸口徑為93mm的徑向型EFP戰斗部結構優設計方案，EFP速度V為2320m/s，比動能Es為180.16J·mm-2，長徑比L/D為5.56，各項指標均較好。