白利红，苗 成,2，武海玲，钟 涛,2，周士猛,2，曾 晶

(1.中国兵器科学研究院 宁波分院， 山东 烟台 264003； 2.冲击环境材料技术重点实验室，山东 烟台 264003； 3.山东特种工业集团有限公司军品研究所，山东 淄博 255201)

爆炸成型弹丸EFP(Explosive Formed Penetrator)战斗部是一种具有高速度、大炸高等特点的介于穿甲弹和破甲弹之间的弹种，目前得到国际弹药领域广泛的重视和研究[1-2]。远距离作用弹药(末敏弹、反直升机弹药)要求EFP飞行距离在50～150 m，甚至更远[3]。这对EFP的气动外形、飞行稳定性和威力提出了更高的要求，首先要求初速高、大质量、初始动能大，其次EFP具有较强的速度保持能力和较好的飞行稳定性，最终保证EFP对目标的命中和侵彻[4-7]。本文采用有限元分析软件LS-DYNA，对EFP成型过程进行数值模拟，通过靶试试验，测试EFP各距离处测速靶和天幕靶上的穿靶形态、速度和100 m处的侵彻威力，为EFP战斗部的应用和工程设计提供参考。

1 EFP成型数值模拟计算

1.1 仿真模型

EFP装药结构主要由壳体、炸药、药型罩等部分组成。EFP装药结构如图1所示， D80 mm口径紫铜球缺罩，装药为8701压装，装药高度为0.8倍装药口径。

图1 装药结构示意图

为了减少网格数量和计算时间，建立1/4实体三维模型，如图2。基于LS-DYNA动力学分析软件，采用拉格朗日算法(Lagrange),自动面面接触。如此设计是由于拉格朗日算法建模相对欧拉(Euler)算法和任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法，建模简单，且已能够保证计算准确性。

图2 EFP仿真模型

1.2 材料本构模型与参数

1.2.1炸药本构模型与参数

战斗部装药采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN(高能炸药燃烧)材料模型，计算JWL炸药爆轰产物压力使用JWL状态方程(1)：

(1)

式(1)中：A、B、R1、R2、ω为输入参数；E为初始比内能;DCJ为爆速;PCJ为CJ面的爆轰压力。具体参数见表1。

表1 8701炸药的爆轰性能参数及状态方程参数

1.2.2药型罩本构模型与参数

药型罩的材料模型为*MAT_STEINBERG，该模型反应了高导无氧铜在高压、高应变率下本构模型及状态方程，其材料参数见表2。根据该模型理论，材料熔化前的剪切模量、屈服强度由式(2)～(3)确定。

(2)

(3)

材料熔化之后，σy和G设置为初始值的一半。

表2 高导无氧铜材料参数

1.2.3壳体采用*MAT_JOHNSON_COOK模型

Johnson-Cook材料模型是一个能反映应变率强化效应和温升软化效应的理想刚塑性强化模型。

(4)

表3 壳体材料参数

1.3 仿真计算结果

图3是EFP成型过程的数值模拟。装药起爆后球形爆轰波向药型罩运动，20 μs时药型罩顶部在爆轰波作用下开始沿轴线压垮，52 μs时药型罩顶部较底部较早飞出，可知顶部微元的轴向速度明显大于底部微元的速度，同时弹丸边缘向轴向方向靠拢，形成扩展的尾部，可知边缘处微元速度较附近沿径向方向药型罩微元速度大，此时EFP为向后翻转成型模式。爆轰能量一部分用于加速药型罩的运动，一部分用于药型罩自身的塑性变形，在轴向拉伸和径向压缩作用下，200 μs时EFP完全成型为短杆状。这种形状有利于EFP的远距离飞行、侵彻威力高。

图3 EFP成型过程

图4是EFP的速度- 时间曲线，反映了EFP成型过程中速度的变化过程，可以对于EFP的速度变化有一个直观的了解。由图4可知，20～52 μs时速度急剧上升，此阶段EFP处于成型初始阶段，头部和尾部还没有完全成型；52～200 μs时EFP处于轴向拉伸和径向压缩阶段，速度趋于稳定，200 μs时EFP已完全成型，并在空气中稳定飞行，速度为2 100 m/s。

图4 EFP速度-时间曲线

2 试验设计

试验所设计EFP装药结构的材料及其尺寸参数与数值模拟一致，采用网靶记录各距离处EFP的翻转情况，根据各网靶留下的弹孔形状判断EFP的成型性，测速靶和天幕靶测各距离处EFP的速度。试验样弹如图5所示，试验现场布置见图6，试验布置见图7。

图5 试验样弹

图6 试验现场布置

图7 试验布置示意图

3 试验结果和分析

3.1 试验结果及分析

穿靶形态与侵彻靶板情况如图8、图9所示。试验结果如表4所示。

第2发EFP穿透100 m处10 mm厚的装甲钢，入孔和出孔尺寸约为45 mm×43 mm，孔形近似圆形，靶板呈现冲塞破坏。说明当EFP着靶攻角较小时，其威力较大，表现为穿孔近似圆形，且发生冲塞破坏。

EFP战斗部加工所形成的不对称性以及起爆时的位置偏差、地面反射波作用、横风的影响都会对EFP飞行造成起始扰动。试验中由于风的影响，第3发EFP未着威力靶，也未测到在 2、3号网靶的穿靶形状。依据经验和第1、2发EFP的侵彻威力来看，所设计的EFP完全可穿透100 m处10 mm厚装甲钢。

根据EFP形成机理和所掌握的EFP的X光照片反映的形态[8]，EFP为头部密实，带有一定的尾翼张角的飞行体。由于无旋转性，若要达到飞行稳定必须如尾翼式弹丸一样，应当具有相当的稳定储备量。这种质心在前、压心在后，在一定的攻角下迎风阻力绕质心所形成的力矩将是攻角变小的稳定力矩。在稳定力矩作用下，尾翼式弹丸攻角的变化呈简谐振动，考虑阻尼力矩作用时将使起始扰动和稳定力矩的摆动运动很快衰减。

试验所测得EFP的网靶穿孔形态和靶板穿孔形态均良好，表明EFP是在稳定力矩作用下克服起始扰动作周期摆动运动。

3.2 EFP飞行的速度与速度降

试验测得EFP飞行速度如表5所示。由表5可知，所设计的EFP 20 m处平均速度为1 732 m/s，平均速度降为7.4 m·s-1·m-1，按照EFP速度衰减的趋势估计，初速约为2 000 m/s，与数值模拟结果接近。文献[2]采用高能炸药、优质罩材料等设计的EFP，初速可达2 000～3 000 m/s时，其速度降约为4 m·s-1·m-1。根据EFP速度保持的特性：初速越高、气动外形越好时，其速度降越小即保持速度能力越强。相对而言,本试验测得EFP的速度降还是比较令人满意的。

图8 第1发弹穿靶形态与侵彻威力

表4 试验结果

表5 EFP飞行的速度与速度降

4 结论

1) 数值模拟的EFP速度为2 100 m/s，形状为短杆状，这种形状有利于EFP的远距离飞行、侵彻威力高。

2) 试验设计的EFP翻转稳定性良好，可穿透100 m 处10 mm厚装甲钢，入孔和出孔尺寸约为45 mm×43 mm，孔形近似圆形，是远距离攻击硬目标的理想战斗部选择。

3) EFP在20 m、50 m、80 m的平均速度为1 732 m/s、1 530 m/s、1 291 m/s，平均速度降约为7.4 m·s-1·m-1，按照EFP速度衰减的趋势估计，初速约为2 000 m/s，与数值模拟结果接近。