赵飞扬，王志军，尹建平，王雪飞，王少宏，贾子健

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

【弹药工程】

预制破片/MEFP组合式战斗部数值仿真

赵飞扬，王志军，尹建平，王雪飞，王少宏，贾子健

(中北大学 机电工程学院， 太原 030051)

研究了一种组合式战斗部结构，利用ANSYS/LS-DYNA软件对其成型过程进行数值模拟。仿真结果表明：该新型预制破片/MEFP组合式战斗部可以形成速度高、数量多、杀伤面积大的多个毁伤元。MEFP毁伤元穿孔深而大，并且可以有效提高预制破片的密集度。此外还研究了起爆方式对毁伤元的影响，结果表明中心起爆方式形成的毁伤元速度高，密度分布较差，EFP飞行方向较为发散；环形起爆可以形成稳定轴向飞行的EFP，速度比较低。

爆炸成型弹丸；预制破片；组合式战斗部；数值模拟

在现代战争中，由于战场目标的多样化，根据目标特性，针对不同目标使用不同毁伤效果的战斗部可得到事半功倍的效果。常规毁伤战斗部中一般只包含单一毁伤元形式，如破片战斗部，通过炸药驱动壳体碎片形成有效毁伤元，一般用于杀伤人员、无装甲或轻装甲车辆、直升机等；聚能毁伤战斗部，通过爆轰产物压跨药型罩形成聚能射流或者爆炸成型弹丸对坦克或者其他装甲车辆进行毁伤[1]。近年来，国内外学者对组合毁伤战斗部进行了一定的研究。组合毁伤战斗部即单一战斗部可形成两个或多个毁伤元形式，通过调整战斗部结构，使多种毁伤元相互配合，对目标产生更加高效的打击[2]。Blache等[3]研究了MEFP对轻量级装甲目标的毁伤效果。Fong等[4]研究了药型罩材料和炸药性能对 MEFP成型的影响。周翔等[5]研究了 MEFP战斗部的径向飞散问题，分析了MEFP结构中弹丸飞散角与填充物以及相邻子装药间距之间的关系。赵长啸等[6]设计了一种新型整体式多爆炸成型弹丸，可以一次产生7枚形状良好的弹丸。

为了弥补常规战斗部毁伤元与毁伤形式单一的缺陷，更高效地利用战斗部爆轰产生的能量，适应多样性目标，本文将研究一种新型的，将预制破片与整体式多爆炸成型弹丸结合的组合式毁伤结构战斗部。这种战斗部在引爆装药后，将同时形成多个EFP毁伤元与预制破片毁伤元，形成多个毁伤元同时存在的弹幕，在提高破甲威力的同时大幅度提高了对空中目标的杀伤概率，可以有效的对飞行器、导弹、装甲目标与人员造成毁伤。是一种多用途同时具有大威力的战斗部，对其进行研究具有现实意义。

1 计算模型

本文所设计的新型组合式毁伤元防空反导穿甲战斗部是由5个药型罩和32个预制破片组成的。药型罩和预制破片设计在轴向，预制破片呈球缺状排列，具有定向聚焦的效应，增加在目标方向上破片的数量和速度，将能量集中，提高杀伤力。因为战斗部具有轴对称的性质，考虑到计算量的简化，节约计算时间，建立1/4模型并设置对称边界。为了固定药型罩和装药，前端设置一个挡板。起爆点安装在轴向顶端，设置不同起爆方式来研究对于毁伤元成型的影响。

1.1 几何模型的建立

几何模型采用如图1所示的战斗部结构,其中计算装药为8701炸药，装药直径CD=100 mm。药型罩采用五个球缺罩，药型罩直径是D=18 mm，材料为紫铜，其中一个中心与战斗部同轴，其余四个轴线与中心轴相距25 mm，每个药型罩相距90°，曲率半径为20 mm。破片每个直径是3 mm，分布在轴向最外侧，每层36个，一共设置两层预制破片，一共72个。预制破片的材料为钨，挡圈材料为45#钢。

1.2 有限元模型的建立及网格划分

在对新型防空反导战斗部结构模型进行有限元计算的过程中，结构材料参数的选取和有限元网格的划分对计算精度和真实性起着关键性作用，为了增加数值计算的真实性和可靠性，选择LS-DYNA 软件，但是由于该软件只能建立简单的有限元结构模型，比较复杂的需要借助其它前处理软件，本文选用拥有输出接口丰富 True Grid 软件建立其中的复杂模型。

图1 战斗部结构几何模型

本文运用Truegrid前处理软件进行网格划分，建立如图2所示的预制破片/MEFP组合式战斗部的有限元模型。由于该结构为轴对称结构，所以有限元模型采用1/4结构划分网格并添加对称约束的方式来以减少模型单元数目，节约计算时间，即限制模型对称界面中节点移动和自由旋转。为简化计算，本文模型中不考虑壳体影响，仅考虑药型罩、炸药和预制破片和挡圈的影响。考虑到要观察多EFP复杂的形态，选用拉格朗日算法来模拟EFP的形成过程。网格单元选用solid164八节点六面体单元。药型罩采用*MAT_JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程，炸药采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型、JWL状态方程。预制破片使用*MAT_ELASTIC。挡圈使用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC[7]。使用的单位制为：mm-ms-kg-GPa。

图2 战斗部有限元模型

2 数值模拟结果与分析

2.1 预制破片/MEFP组合式战斗部成型过程

为研究该战斗部的成型机理，通过对装药口径为CD=100 mm，装药长径比为0.8，曲率半径R=20 mm，药型罩壁厚为δ=2 mm的带挡环的装药结构进行数值模拟，起爆方式为顶端环形起爆，在装药顶端每隔45°设置一个起爆点，一共设置8个起爆点。

如图3所示，主装药起爆后大约15 μs，药型罩受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击和推动作用，开始被压垮变形，在22 μs时，罩顶微元首先被压垮变形，药型罩了发生翻转，罩壁微元向对称中心集中，在对称中心发生堆积并且发生相互挤压、碰撞，药型罩被压合形成弹丸的形状向前高速运动。四周的药型罩因为受到冲击波作用的情况不同，形成向前压垮形EFP。由于有速度梯度，EFP会在运动中被逐渐拉长。最终在t=32 μs时，侵彻体头尾速度趋于一致，速度差小于20 m/s，形成稳定的EFP。

通过图3可以明显的观察到在传统的圆柱形装药结构中，在炸药端面中心起爆后，爆轰波在6 μs 时传播到轴向预制破片，在8 μs时传播到了药型罩。

图4为圆柱形装药环形起爆轴向预制破片与EFP平均加速度曲线和平均速度历程曲线。球形预制破片在爆轰波驱动作用下开始向前做加速逐渐增大的加速运动。在12 μs 时加速度达到最大，最大值为1.65×102m/(如图4下排二图所示之圆柱形装药轴向预制破片平均加速度曲线)，随后开始做加速逐渐减小的加速运动，在20 μs 速度基本达到相对稳定。药型罩在10 μs时加速度达到最大值，最大值为3.6×102m/(如图4上排二图所示之圆柱形装药轴向EFP平均加速度曲线所示)，随后开始做加速逐渐减小的加速运动，在20 μs 速度基本达到相对稳定，首尾速度差逐渐减小，基本达到了稳定飞行的状态。最终速度为1 750 m/s。

图3 环形起爆时不同时刻形成侵彻体的外形

图4 圆柱形装药环形起爆轴向预制破片(下排)与EFP(上排)平均加速度(左列)和平均速度(右列)历程曲线

2.2 不同起爆方式对于成型结果的影响

由于该战斗部的长径比比较小，而起爆方式不同，炸药中爆轰波传播的方式有很大差别。在中心起爆的条件下爆轰波传播的方式是一个球面。爆轰波会首先传播到中央的药型罩，再以偏心的方式传播到四周的药型罩上。这种爆轰波的传播方式会导致四周的EFP成型是偏心的，在空中的运动方式是由中心向外发散的，形成的EFP的飞行稳定性也必将受到影响。环形起爆的方式是在炸药的顶端设置数个起爆点，同时起爆。起爆点越多，炸药形成的爆轰波的形状就越接近一个平面。在起爆点趋于无限多的情况下就达到了面起爆的效果。平面型爆轰波会使各个药型罩同时受到爆轰波的驱动，同时形成EFP，并且形成的EFP飞行的方向是一致的，EFP的飞行稳定性会提高。

为了研究不同起爆方式对于预制破片/MEFP组合式战斗部毁伤元成型的影响，本文对于中心起爆的方式进行了讨论。

战斗部的结构参数与环形起爆完全相同，起爆方式为中心起爆。

图5所示为中心起爆时不同时刻形成侵彻体的外形。

图5 中心起爆时不同时刻形成侵彻体的外形

如图5所示，由于炸药材料没有改变，爆速与爆轰波的传播速度与环形起爆相同，主装药同样起爆后大约15 μs，药型罩受到炸药爆轰压力和爆轰产物的冲击和推动作用，开始被压垮变形。在22 μs时，罩顶微元首先被压垮变形，药型罩被压垮，罩壁微元向对称中心集中，在对称中心发生堆积并且发生相互挤压、碰撞，药型罩被压合形成弹丸的形状向前高速运动。所有的药型罩都形成了形成向前压垮形EFP。EFP会在运动中被逐渐拉长后，最终在t=40 μs时，侵彻体头尾速度趋于一致，速度差小于20 m/s，形成稳定的EFP。

由于中心起爆所形成的爆轰波是一个球面，所以预制破片的飞散角明显大于环形起爆时预制破片的飞散角。破片由中心向外圈飞散，定向效果减弱，在一定范围内杀伤力减小，但是杀伤范围增加。EFP飞散的方向同样向外扩张，而环形起爆时EFP飞行的方向是近似同向的。

图6所示为圆柱形装药中心起爆轴向预制破片与EFP平均加速度和平均速度历程曲线。

由图6可以看出，中心起爆时EFP和预制破片受到炸药驱动的时间基本相同，最终预制破片的速度稳定在 1 200 m/s，EFP的速度稳定在3 000 m/s。可以发现，中心起爆方式由于对炸药利用比较充分，产生的毁伤元速度比较高，杀伤半径也比较大。

2.3 仿真结果与分析

通过对预制破片/MEFP组合式战斗部进行的数值仿真，得到了爆轰驱动药型罩和破片毁伤元的全过程。得到了每个预制破片和EFP的形状、空间分布和速度分布。

图7所示为圆柱形装药轴向预制破片中心起爆和环形起爆内外圈破片的速度曲线。

图6 圆柱形装药中心起爆轴向预制破片(下排)与EFP(上排)平均加速度(左列)和平均速度(右列)历程曲线

图7 圆柱形装药中心起爆(左)和环形起爆(右)轴向预制破片内外圈的速度曲线

环形起爆时，里圈破片的速度最终稳定在1 000 m/s左右，外圈破片的速度最终稳定在800 m/s。中心起爆时，内圈预制破片的速度稳定在1 100 m/s左右，外圈预制破片的速度稳定在1 300 m/s左右。由此可见，内外圈预制破片的速度差接近。中心起爆时对于炸药的利用比较充分，所以预制破片的速度较高，飞散角较大；环形起爆时的定向性好。

3 结论

1) 本文研究了一种新型的组合式战斗部的结构，可以生成预制破片与MEFP两种毁伤元；两种毁伤元均可以对于导弹之类的空中目标造成有效打击，对于防空反导有重要意义。

2) 起爆方式对于该战斗部的影响很大，环形起爆时MEFP具有较好的成型效果，同时可以得到较好的破片群密度分布和驱动速度。中心起爆时MEFP和预制破片具有较高的速度，但是飞行姿态差，向四周发散飞行，杀伤面积增大但是密度分布性差。在以后的研究中应考虑分析逆序起爆对战斗部的影响。

[1] 苗润源,梁争峰.防空反导用多爆炸成型弹丸技术现状与发展[J].飞航导弹,2017(7):89-93.

[2] 戚康乾,李文彬,李伟兵,等.格栅结构对复合毁伤战斗部影响研究[J].弹箭与制导学报,2016,36(3):47-50,68.

[3] BLACHE A,WEIMANN K.Multi-EFP-charge for light weight armor defeat [C]//18thIntertional Symposium on Ballistics.San Antonio:TX Institute for Advanced Technology, 1999:419-425.

[4] FONG R,NG W,THOMPSON I M,et al.Multiple explosively formed penetrator (MEFP) warhead technology development [C]//19thInternational Symposium on Ballistics.Switzerland:IBC,2001:563-567.

[5] 周翔,龙源,余道强,等.多弹头爆炸成型弹丸数值仿真及散角影响因素[J].兵工学报,2006,27(1):23-26.

[6] 赵长啸,龙源,纪冲,等.整体式多爆炸成形弹丸战斗部数值模拟及试验研究[J].兵工学报,2013,34(11):1392-1397.

[7] 李运禄.EFP/破片组合式防空反导战斗部对反舰导弹毁伤的数值模拟研究[D].太原：中北大学,2016.

NumericalSimulationofPrefabricatedFragment/MEFPCombatWarhead

ZHAO Feiyang， WANG Zhijun， YIN Jianping， WANG Xuefei, WANG Shaohong, JIA Zijian

(School of Mechanical Engineering， North University of China, Taiyuan 030051, China)

A new type of combined warhead structure, which can form prefabricated fragments and MEFP, is used to simulate the forming process of ANSYS/LS-DYNA software. The simulation results show that the new prefabricated fritters/MEFP combined warheads can form multiple damage elements with high speed, large quantity and large killing area. MEFP Damage Element has the characteristics of deep perforation and can cause large perforation. The prefabricated fragmentation group has the characteristics of large killing area and has the design of directional prefabricated warheads, which can effectively improve the density of prefabricated fragments. In addition, the effect of the detonation method on the damage element is studied. The results show that the damage rate of the center point is high, but the density distribution is poor and the EFP flight direction is more divergent. Ring initiation can form a stable axial flight of the EFP, but the speed is relatively low.

explosive forming projectile; prefabricated fragments; combined warhead; numerical simulation

2017-09-27；

2017-10-09

国家自然科学基金项目(11572291)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目资助项目(20160033)；中北大学第十四届研究生科技立项项目(20171404)

赵飞扬(1994—)，男，硕士，主要从事弹药高效毁伤技术研究。

10.11809/scbgxb2017.12.013

本文引用格式：赵飞扬，王志军，尹建平，等.预制破片/MEFP组合式战斗部数值仿真[J].兵器装备工程学报，2017(12):52-56.

formatZHAO Feiyang， WANG Zhijun， YIN Jianping，et al.Numerical Simulation of Prefabricated Fragment/MEFP Combat Warhead[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):52-56.

TJ410.3

A

2096-2304(2017)12-0052-05

(责任编辑周江川)