整體式MEFP戰(zhàn)斗部對(duì)柱殼裝藥的沖擊引爆研究

張 琨，張少光，趙長(zhǎng)嘯，唐 蓉，余 洋，孫宇翔

(1 陸軍工程大學(xué)，南京 220007; 2 63867部隊(duì)，吉林 白城 137001)

0 引言

爆炸成型彈丸在打擊“低小慢”來(lái)襲彈藥目標(biāo)、地面裝甲目標(biāo)、處置銷(xiāo)毀未爆彈等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。對(duì)于多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed penetrator，MEFP)戰(zhàn)斗部，起爆方式對(duì)彈丸群束總體特征影響明顯，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究。趙長(zhǎng)嘯等設(shè)計(jì)了一款整體式MEFP戰(zhàn)斗部，采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算相結(jié)合的方法得到了3種起爆方式下整體式MEFP成型過(guò)程及彈丸群束特征；李鵬等設(shè)計(jì)了一種偏心起爆MEFP戰(zhàn)斗部，通過(guò)數(shù)值分析對(duì)比了中心起爆和偏心起爆兩種方式下彈丸形態(tài)特征，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。沈慧銘等利用LS-DYNA軟件模擬了環(huán)形多點(diǎn)起爆方式相較于中心點(diǎn)起爆方式對(duì)EFP侵徹能力的增益特性。宋平等研究了單點(diǎn)起爆下起爆點(diǎn)高度以及多點(diǎn)起爆下起爆點(diǎn)數(shù)量、起爆同步誤差對(duì)MEFP性能影響規(guī)律。

根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn)及爆炸作用理論，起爆方式對(duì)整體式MEFP戰(zhàn)斗部彈丸群束總體性能影響顯著，但受戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)、殼體材料、藥型罩結(jié)構(gòu)等多因素影響，比較難得出普遍適用的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，且針對(duì)不同起爆方式下彈丸對(duì)柱殼裝藥毀傷規(guī)律鮮有公開(kāi)研究報(bào)道?；诖死肔S-DYNA數(shù)值仿真軟件，對(duì)整體式MEFP成形及沖擊侵徹柱殼裝藥過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，采用“升降法”改變起爆點(diǎn)密集度和柱殼裝藥厚度，分析不同起爆工況下彈丸對(duì)不同厚度柱殼裝藥的沖擊起爆效能規(guī)律，為工程化、軍事化實(shí)踐應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值仿真模型建立

1.1 計(jì)算模型

整體式MEFP戰(zhàn)斗部模型和有限元模型具體尺寸分別如圖1、圖2所示：戰(zhàn)斗部口徑為114 mm、高度為50 mm、殼體厚度為4 mm，相鄰藥型罩間距和周邊藥型罩距裝藥邊緣最短距離相等都為4 mm。戰(zhàn)斗部殼體材質(zhì)為6063鋁合金，裝藥采用8701炸藥，藥型罩材質(zhì)為紫銅，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和網(wǎng)格單元均與文獻(xiàn)[5]一致。所有計(jì)算模型均采用Lagrange網(wǎng)格和Solid164實(shí)體單元。由于戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間選用1/2模型進(jìn)行求解。

圖1 1/2整體式MEFP戰(zhàn)斗部模型

圖2 1/2整體式MEFP戰(zhàn)斗部有限元模型

1.2 仿真模型計(jì)算參數(shù)

8701炸藥采用高能炸藥燃燒本構(gòu)模型*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和Jones-Wilkins-Lee(JWL)狀態(tài)平衡方程進(jìn)行描述；紫銅和6063鋁合金均采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型表現(xiàn)其動(dòng)力學(xué)行為特征。

表1 8701炸藥*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型參數(shù)[6]

表2 紫銅與6063鋁合金兩種材料*MAT_JOHNSON_COOK材料模型主要參數(shù)[6]

圖3為MEFP戰(zhàn)斗部攻擊柱殼裝藥模型圖，柱殼裝藥的殼體為45#鋼，內(nèi)部貼敷被發(fā)裝藥為T(mén)NT。經(jīng)過(guò)預(yù)計(jì)算，相同口徑及壁厚情況下沖擊起爆環(huán)形貼敷式裝藥結(jié)構(gòu)模型所需條件比密實(shí)填充裝藥結(jié)構(gòu)更加苛刻，用環(huán)形貼敷式裝藥結(jié)構(gòu)代替密實(shí)填充裝藥結(jié)構(gòu)既能節(jié)約計(jì)算時(shí)間，又能確保計(jì)算結(jié)果具有更大冗余度，因此柱殼裝藥采用環(huán)形敷式裝藥結(jié)構(gòu)，TNT厚度為10 mm。設(shè)定MEFP戰(zhàn)斗部與45#鋼殼體的作用距離為400 mm，45#鋼采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，利用Lee-Tarver3項(xiàng)式點(diǎn)火增長(zhǎng)方程來(lái)描述TNT被引爆的反應(yīng)速率，LS-DYNA材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)的材料模型*MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO，狀態(tài)方程為*EOS_IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE，材料參數(shù)均與文獻(xiàn)[7]中相同。

圖3 整體式MEFP戰(zhàn)斗部作用柱形殼體裝藥

1.3 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

根據(jù)起爆點(diǎn)設(shè)置差異共確定5種計(jì)算工況，起爆點(diǎn)數(shù)量分別為7，13，21，29，61，分布規(guī)律如表3所示。工況1的起爆點(diǎn)位于各藥型罩中心所對(duì)應(yīng)裝藥底部如圖4(a)所示；工況2～工況5所設(shè)起爆點(diǎn)均呈網(wǎng)格化等距分布，橫向間隔與縱向間隔相同；圖4(b)為工況4的起爆點(diǎn)分布示意圖，==17 mm，因采用1/2計(jì)算模型，圖中只顯示出18個(gè)起爆點(diǎn)。

表3 MEFP戰(zhàn)斗部計(jì)算工況設(shè)置

圖4 工況1和工況4的起爆點(diǎn)設(shè)置示意圖

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 爆轟波傳播特性和波陣面壓力動(dòng)態(tài)分析

圖5為工況1不同時(shí)刻爆轟波結(jié)構(gòu)和壓力動(dòng)態(tài)變化分布圖。裝藥被同步起爆后，以起爆點(diǎn)為球心形成7個(gè)爆轟波向裝藥內(nèi)部傳播，持續(xù)引爆裝藥所產(chǎn)生的能量匯聚使波陣面峰值壓力不斷增加。

圖5 工況1不同時(shí)刻爆轟波陣面壓力等值面圖

當(dāng)=5.69 μs時(shí)，爆轟波經(jīng)過(guò)復(fù)雜的相互疊加作用，波陣面前端最先抵達(dá)裝藥上表面與藥型罩發(fā)生作用。此時(shí)碰撞點(diǎn)尚未抵達(dá)裝藥上表面，裝藥內(nèi)最大壓力點(diǎn)仍是碰撞點(diǎn)壓力為34.7 GPa。隨著時(shí)間增加爆轟波與藥型罩外表面作用點(diǎn)的連線(xiàn)擴(kuò)展為半徑不斷增大的同心圓。

當(dāng)=6.59 μs時(shí)，碰撞點(diǎn)抵達(dá)裝藥上表面兩藥型罩中間縫隙處，對(duì)藥型罩邊緣發(fā)生擠壓作用，作用壓力為34.6 GPa。中心藥型罩周向邊緣同時(shí)受碰撞點(diǎn)擠壓，周邊藥型罩只內(nèi)邊緣受碰撞點(diǎn)擠壓，整體受力不再均衡，藥型罩將發(fā)生偏轉(zhuǎn)變形。碰撞點(diǎn)后的爆轟波陣面經(jīng)過(guò)二次疊加產(chǎn)生新的碰撞點(diǎn)。

當(dāng)=7.29 μs時(shí)，二次疊加產(chǎn)生的新碰撞點(diǎn)持續(xù)增長(zhǎng)并向中心藥型罩移動(dòng)。初始碰撞點(diǎn)與藥型罩?jǐn)D壓作用產(chǎn)生反射波與初始碰撞點(diǎn)后的爆轟產(chǎn)物發(fā)生作用，再加上側(cè)壁的反射作用，3種復(fù)雜波系疊加產(chǎn)生新的超壓區(qū)，可計(jì)做第三階段碰撞點(diǎn)。當(dāng)=9.39 μs時(shí)，二次疊加產(chǎn)生的新碰撞點(diǎn)已與中心藥型罩底端發(fā)生擠壓作用，第三階段碰撞點(diǎn)也對(duì)周邊藥型罩進(jìn)行由內(nèi)向外的擠壓作用，周邊藥型罩受力失衡狀態(tài)持續(xù)加劇。

工況2～工況5的爆轟波結(jié)構(gòu)和波陣面壓力動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與工況1大致相似，但由起爆點(diǎn)設(shè)置的差異決定了爆轟波碰撞點(diǎn)位置和數(shù)量不同，導(dǎo)致爆轟波結(jié)構(gòu)形態(tài)也呈現(xiàn)不同特征。圖6為=4.09 μs時(shí)刻不同工況爆轟波結(jié)構(gòu)和壓力等值面圖。

圖6 4種工況4.09 μs時(shí)刻爆轟波結(jié)構(gòu)和壓力等值面圖

圖中工況2爆轟波尚未出現(xiàn)二次疊加碰撞的情形，工況3爆轟波正在進(jìn)行二次疊加碰撞，工況4、工況5已經(jīng)歷多階段疊加碰撞?？傮w看，隨著起爆點(diǎn)增多，爆轟波碰撞點(diǎn)更加密集，爆轟波系碰撞疊加更加均勻，爆轟波陣面更加趨于平面。

2.2 藥型罩受力及運(yùn)動(dòng)分析

藥型罩被擠壓成形是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，會(huì)受爆炸載荷強(qiáng)度、方向和作用時(shí)間等多因素共同影響。一般而言，當(dāng)起爆點(diǎn)對(duì)稱(chēng)設(shè)置在裝藥底部時(shí)炸藥內(nèi)部會(huì)形成對(duì)稱(chēng)波系，受此作用中心藥型罩被壓垮翻轉(zhuǎn)形成軸對(duì)稱(chēng)彈丸；對(duì)于周邊藥型罩，因?yàn)楸Z波系的復(fù)雜疊加作用而不再對(duì)稱(chēng)，使得藥型罩同一半徑圓環(huán)上微元所受爆炸載荷不同，受沖擊波作用最強(qiáng)部位形成彈丸頭部，其它微元因壓力差被拉伸并向徑向擠壓形成彈丸尾部，導(dǎo)致彈丸在飛行過(guò)程中產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)和發(fā)散現(xiàn)象。

以工況1為研究對(duì)象，選取中心藥型罩觀測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為#958，#925，#892，#859，#1209，#1206，#1203的微元，如圖7所示。

圖7 中心藥型罩觀測(cè)點(diǎn)分布

圖8為中心藥型罩各點(diǎn)壓力變化過(guò)程，當(dāng)作用時(shí)間在5.6～7.0 μs范圍，爆轟波前沿抵達(dá)藥型罩底部開(kāi)始對(duì)藥型罩進(jìn)行第一階段沖擊擠壓；當(dāng)=6.59 μs時(shí)，碰撞點(diǎn)傳播至裝藥上表面兩藥型罩中間縫隙處，此時(shí)稀疏波從爆轟波與空氣界面處不斷向爆轟產(chǎn)物內(nèi)部傳播，碰撞點(diǎn)壓力由外向內(nèi)逐漸下降，對(duì)中心藥型罩邊緣的沖擊擠壓作用大幅降低。在=7.6 μs時(shí)刻，#1209，#1206兩點(diǎn)所受沖擊壓力峰值為12.3 GPa，較碰撞點(diǎn)在裝藥中傳播的峰值壓力34.6 GPa下降64.4%，此時(shí)碰撞點(diǎn)擠壓藥型罩邊緣。當(dāng)作用時(shí)間處于8.8～9.6 μs范圍，二次疊加產(chǎn)生的碰撞點(diǎn)抵達(dá)藥型罩底部繼續(xù)沖擊作用，在=9.2 μs時(shí)刻中心點(diǎn)#958壓力峰值為33.5 GPa，相鄰#925點(diǎn)壓力峰值雖下降明顯但也達(dá)到17.1 GPa，為7.6 μs時(shí)刻藥型罩邊緣#1209，#1206點(diǎn)所受沖擊壓力的1.4倍。與底部中心點(diǎn)所受強(qiáng)烈沖擊相比，藥型罩邊緣所受沖擊擠壓較弱，此現(xiàn)象容易導(dǎo)致彈丸被縱向拉伸成柱形且中間出現(xiàn)縫隙、存在一定程度裙擺。

在1號(hào)周邊藥型罩12 mm內(nèi)圓環(huán)上均勻取、、、、、共計(jì)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為#2113，#2120，#1854，#2846，#2580，#2657，其中，觀測(cè)點(diǎn)、、與、、呈對(duì)稱(chēng)分布，并且∠=∠=∠=∠=30°，如圖9所示。

圖8 中心藥型罩觀測(cè)點(diǎn)所受壓力變化過(guò)程

圖9 工況1中1號(hào)周邊藥型罩6個(gè)觀察點(diǎn)分布

圖10為1號(hào)周邊藥型罩各觀察點(diǎn)壓力變化過(guò)程。1號(hào)周邊藥型罩第1、第2階段的沖擊擠壓過(guò)程與中心藥型罩相同，藥型罩底部首先被壓垮，然后內(nèi)側(cè)邊緣被受稀疏波影響后的碰撞點(diǎn)沖擊擠壓。通過(guò)觀察壓力變化曲線(xiàn)可知受碰撞點(diǎn)擠壓作用后的、、點(diǎn)壓力明顯高于對(duì)稱(chēng)分布的、、點(diǎn)壓力。在=7.6 μs時(shí)刻、、點(diǎn)壓力分別是、、點(diǎn)的1.57、1.77和1.31倍。由于藥型罩左右兩側(cè)受力不平衡，受力較大一側(cè)被逐步壓垮成彈丸頭部，受力較小一側(cè)被壓垮拉伸成尾部。在8.2～9.4 μs時(shí)間范圍，第3階段碰撞點(diǎn)對(duì)周邊藥型罩?jǐn)D壓作用，、、點(diǎn)壓力依然明顯高于、、點(diǎn)，周邊藥型罩偏向作用進(jìn)一步加強(qiáng)，藥型罩的徑向速度和發(fā)散角持續(xù)加大。圖11(a)所示周邊彈丸的最終形態(tài)恰能反應(yīng)這種特征，圖11為5種工況下134 μs時(shí)刻穩(wěn)定成形的MEFP。

圖10 工況1中1號(hào)周邊藥型罩6個(gè)觀察點(diǎn)壓力變化過(guò)程

圖11 5種工況下134 μs時(shí)刻穩(wěn)定成形的MEFP

不同起爆方式產(chǎn)生的爆轟波結(jié)構(gòu)不同，會(huì)導(dǎo)致彈丸最終穩(wěn)定成形及總體性能存在差異。經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，工況1、工況2的彈丸性能和形態(tài)相差很大，工況3～工況5的彈丸性能和形態(tài)非常相近，表4為不同起爆方式下MEFP性能參數(shù)的仿真計(jì)算結(jié)果。

表4 MEFP性能參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果

3 對(duì)柱殼裝藥沖擊引爆能力研究

根據(jù)文獻(xiàn)[8]當(dāng)整體式MEFP戰(zhàn)斗部與柱形殼體裝藥目標(biāo)距離發(fā)生變化時(shí)，彈丸群束的有效打擊半徑及有效打擊面積將同步發(fā)生變化，周邊彈丸與柱殼裝藥目標(biāo)可能存在小角度著靶、大角度著靶以及因彈丸偏移過(guò)大而不會(huì)著靶等3種情況。戰(zhàn)斗部軸線(xiàn)與柱殼裝藥著角發(fā)生變化時(shí)，彈丸群束著靶情況也會(huì)變化，只研究戰(zhàn)斗部軸線(xiàn)與柱殼裝藥軸線(xiàn)垂直的狀況，具體如圖12所示。此作用模式下，中心彈丸首先著靶并與殼體垂直作用，1號(hào)周邊彈丸與2號(hào)周邊彈丸隨后相繼著靶且與柱形殼體作用時(shí)均存在一定著角。

由于周邊彈丸發(fā)散，其對(duì)目標(biāo)有效侵徹速度為垂直作用柱形殼體的分速度。加之藥型罩分布特點(diǎn)及柱殼形狀，MEFP沖擊柱殼裝藥時(shí)1號(hào)周邊彈丸的有效侵徹速度小于2號(hào)周邊彈丸有效侵徹速度。將柱殼裝藥鋼殼厚度設(shè)為10 mm，12 mm，14 mm，16 mm，18 mm共計(jì)5種厚度，分別對(duì)5種工況下中心彈丸、1號(hào)周邊彈丸和2號(hào)周邊彈丸沖擊起爆5種厚度柱形殼體裝藥過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖12 工況3的MEFP沖擊16 mm厚柱形殼體裝藥

圖13、圖14為工況3中心彈丸垂直沖擊殼體厚度為18 mm的柱殼裝藥過(guò)程。=122.4 μs時(shí)刻，被發(fā)裝藥TNT的內(nèi)部壓力為10.7 GPa，超過(guò)TNT臨界起爆點(diǎn)，表明TNT被沖擊起爆。起爆時(shí)刻先于柱殼被擊穿時(shí)刻，此狀況下中心彈丸對(duì)柱殼裝藥的作用過(guò)程為沖擊引爆機(jī)制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的起爆能力。工況3～工況5的彈丸總體性能特征具有高度相似性，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)3種工況下彈丸對(duì)柱形殼體裝藥的沖擊起爆過(guò)程基本一致。工況3的2號(hào)周邊彈丸沖擊12 mm厚柱形殼體裝藥過(guò)程中臨界起爆點(diǎn)時(shí)刻先于鋼殼體被侵徹?fù)舸r(shí)刻，該作用過(guò)程同樣屬于沖擊引爆機(jī)制，如圖15、圖16所示。

圖13 工況3中心彈丸沖擊起爆18 mm厚柱形殼體裝藥壓力等值線(xiàn)圖

圖14 工況3中心彈丸沖擊起爆18 mm厚柱形殼體裝藥峰值壓力曲線(xiàn)圖

圖15 工況3的2號(hào)周邊彈丸沖擊12 mm厚柱形殼體裝藥壓力等值線(xiàn)

圖16 工況3的2號(hào)周邊彈丸沖擊12 mm厚柱形殼體裝藥峰值壓力變化曲線(xiàn)圖

表5所示詳細(xì)記錄了5種工況下整體式MEFP戰(zhàn)斗部中心彈丸和周邊彈丸對(duì)不同厚度柱形殼體裝藥的沖擊毀傷結(jié)果及對(duì)應(yīng)的起爆機(jī)制。

通過(guò)對(duì)比所有計(jì)算工況可得：工況3～工況5的中心彈丸可成功沖擊起爆18 mm厚柱形殼體裝藥，工況1、工況2的中心彈丸可成功沖擊起爆鋼殼厚度為16 mm的柱形殼體裝藥，但不能沖擊起爆18 mm厚的柱形殼體裝藥；工況3～工況5的2號(hào)周邊彈丸可成功沖擊起爆10 mm，12 mm，14 mm厚柱形殼體裝藥，對(duì)于另外2種厚度的裝藥卻無(wú)法沖擊起爆；對(duì)于10 mm厚柱形殼體裝藥，工況1、工況2的周邊彈丸均可成功沖擊起爆，但對(duì)其它另外4種厚度裝藥卻不具備沖擊起爆能力。相同工況下各周邊彈丸沖擊起爆能力存在差異，主要原因是周邊彈丸在飛行過(guò)程中軸向?qū)ΨQ(chēng)，導(dǎo)致對(duì)柱形攻擊目標(biāo)時(shí)著角不同；與此同時(shí)，不同工況相同周邊彈丸沖擊起爆能力也存在差異，主要起爆方式所導(dǎo)致。

表5 不同工況下MEFP對(duì)不同厚柱形殼體裝藥的沖擊毀傷結(jié)果

4 結(jié)論

研究了不同起爆點(diǎn)設(shè)置工況下整體式MEFP成形過(guò)程及彈丸總體性能變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)各工況彈丸沖擊侵徹不同厚度柱殼裝藥過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，系統(tǒng)分析各彈丸沖擊起爆效能變化規(guī)律，可得如下結(jié)論：

1)對(duì)于工況2～工況5，起爆點(diǎn)等間距設(shè)置越密集彈丸總體性能越好。工況3中心彈丸軸向速度較工況2提升5.4%，周邊彈丸速度較工況2提升6.0%，表明戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)設(shè)置的密集程度在一定范圍內(nèi)對(duì)彈丸性能影響明顯。

2)工況3～工況5的彈丸性能指標(biāo)具有相近性，工況5的彈丸總體性能最優(yōu)。工況4中心彈丸軸向速度是工況3的1.007倍，兩種工況下的周邊彈丸軸向速度相同；工況5周邊彈丸軸向速度是工況3、工況4的1.02倍，工況5中心彈丸軸向速度分別是兩種工況的1.02、1.01倍，表明對(duì)于文中設(shè)計(jì)的MEFP起爆點(diǎn)等間距設(shè)置超過(guò)21之后并不會(huì)對(duì)彈丸總體性能有較大提升。

3)整體式MEFP戰(zhàn)斗部各彈丸沖擊引爆柱形殼體裝藥時(shí)表現(xiàn)出明顯性能差異，主要受柱形裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式等影響。