隔板参数对整体式多爆炸成型弹丸成型的影响

2021-11-08展婷变谢长友李小军王维占陈智刚

兵器装备工程学报 2021年10期

张康，展婷变，谢长友，李小军，王维占，陈智刚

(1.中北大学机电工程学院，太原 030051；2.中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，太原 030051；3.军事科学研究院防化研究院，北京 102205)

1 引言

多爆炸成型弹丸(MEFP)是在爆炸成型弹丸基础上发展而来的一种高效毁伤战斗部,战斗部爆炸后可以生成多个弹丸对目标进行密集攻击，从而极大提高对目标打击毁伤的概率[1]。Blache等[2]在战斗部径向上放置多个EFP子装药，采用专门的起爆系统，使各子装药同时起爆形成多个弹丸。赵长啸等[3]研究了装药间距和装药长径比对整体式MEFP成型参数的影响，研究结果表明炸药间距和装药长径比参数的改变，影响着弹丸飞行稳定性和飞散角；王芳等[4]研究了不同的起爆方式对定向多爆炸成型弹丸成型性能的影响，结果表明单点起爆时，弹丸的长径比最接近球形，但速度低且飞散角较大。采用线起爆时弹丸速度最高，有较好的飞散角和长径比；牛文煜等[5]研究了药型罩厚度、曲率半径以及药型罩外形对定向多爆炸成型弹丸成型性能的影响，优化后的药型罩形成的EFP更加密实。

通过对EFP成型及对目标的毁伤效应进行的大量研究发现，在聚能装药结构中加入隔板，可以有效控制装药内爆轰波的传播途径和波形形状，减小爆轰波阵面与药型罩外壁的夹角，增加作用在药型罩上的压力[6]。Sachdeva S等[7-9]对有隔板聚能装药中爆轰波作用原理和隔板对EFP成型的影响进行了详细的研究，进行了数值计算，得出带隔板装药结构可以有效提高EFP的速度。Fong R等[10]研究了隔板直径对EFP长度的影响，隔板直径从0增加到0.33倍装药直径，EFP长度增加了14%，得出隔板可以调整爆轰波形。贺金金等[11]通过仿真模拟研究了隔板各结构参数对EFP速度和长径比的影响；潘建等[12]以小长径比装药EFP战斗部为研究对象，开展了隔板结构和药型罩结构的正交优化设计数值计算，得出隔板的嵌入不但弥补了隔板带来的装药量损失，而且可以提高EFP的速度和长径比。

本文设计了一种小长径比轴向MEFP，借助LS-DYNA软件研究隔板参数和罩顶药高及材料对轴向MEFP成型性能的影响，旨在进一步提高MEFP的性能，为优化轴向MEFP战斗部设计提供参考。

2 方案及算法

2.1 方案设计

轴向MEFP战斗部装药结构模型如图1所示，由壳体、炸药、中心药型罩、周边药型罩、隔板组成。装药直径为110 mm，装药高度为90 mm，壳体壁厚为5.5 mm，中心药型罩直径为35mm，曲率半径45 mm。周边药型罩直径为30 mm，曲率半径33 mm。中心药型罩与周边药型罩相距2.5 mm，周边药型罩之间距离为5mm，周边药型罩距离炸药边缘5 mm。MEFP装药1/4截面示意图如图2，其中虚线轮廓表示隔板。

图1 MEFP战斗部几何模型示意图

图2 MEFP战斗部装药1/4结构截面示意图

其中炸药为整块圆柱形装药，隔板为圆柱形隔板，隔板直径为d，隔板厚度为s，隔板底部到药型罩顶距离为h。1枚药型罩位于中间，6枚相同的药型罩均匀分布在周围。药型罩采用球缺罩，罩顶厚度为3.84 mm。

2.2 模型及参数

计算模型如图3所示，采用TrueGrid软件进行建模与网格划分，使用LSDYNA-3D软件进行数值模拟，单位制为cm-g-μs，整个计算模型采用Solid164实体单元，算法为拉格朗日算法。炸药与壳体采用自动面面接触，炸药与药型罩之间采用自动面面接触，药型罩设置为自接触，起爆方式为装药底部中心点处起爆。

图3 MEFP战斗部有限元模型和网格划分示意图

装药为8701炸药，采用高能炸药材料模型，药型罩材料为紫铜，壳体材料为钢。隔板材料为完全阻隔爆轰波的钢隔板。隔板的相关参数见表1，其余材料物理参数见表2。

表1 隔板材料本构模型及相关参数

表2 材料物理参数

3 MEFP成型理论分析

如图4、表3所示，当没有添加隔板的时候，爆轰波以球面波的形式在装药中传播，爆轰波阵面与药型罩外壁夹角较大，导致中心药型罩形成的EFP长径比较小，呈椭球形，且周边药型罩成型后会有一定的飞散角，影响MEFP的毁伤面积。而添加了钢隔板后，在隔板作用情况下，爆轰波绕过隔板以锥面波的形式在装药中传播，并且会在装药轴线上产生马赫波[13]。从而显著提高EFP的速度和长径比，减小飞散角。

图4 600 μs时MEFP成型情况图

表3 有无隔板时爆轰波传播过程

当隔板厚度s取20 mm，隔板直径d取55 mm，罩顶药高h取40 mm时，与无隔板MEFP成型结构数据对比见表4。

表4 600 μs时2种MEFP的基本参数

由表4可知：添加隔板后，中心EFP头部速度由2 417提高到了2 697，提高了11.58%，长径比是原来的1.4倍，周边EFP飞散角减小了0.74°。

4 结果及分析

4.1 隔板厚度对MEFP成型的影响

选取隔板直径d为55 mm，罩顶药高h为40 mm不变，设计隔板厚度s分别为20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm进行数值模拟，对MEFP在600 μs时的基本参数进行了统计，具体如图5所示。

图5为MEFP速度、长径比以及飞散角度随隔板厚度的变化曲线。观察曲线可得，随着隔板厚度的增加，中心EFP和周边EFP的头部速度有明显的增加，中心EFP长径比明显增加，周边EFP的飞散角明显减小，减小了1.4°左右。这是因为虽然隔板厚度的增加减小了装药量，但是由于爆炸的过程中隔板到罩顶距离几乎不发生变化，有效装药量没有改变。而且由于隔板的作用，爆轰波波形发生了改变，轴线处产生马赫波，从提升EFP的速度和长径比。随着隔板厚度的增加，爆轰波阵面与周边药型罩罩外壁面的夹角逐渐减小，周边药型罩获得的径向速度减小，径向位移减少，使得周边弹丸飞散角减小。

图5 MEFP成型参数随隔板厚度变化曲线

4.2 隔板直径对MEFP成型的影响

选取隔板厚度s为20 mm，罩顶药高h为40 mm不变，设计隔板直径d分别为40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm进行数值模拟，对MEFP在600 μs时的基本参数进行了统计，具体如图6所示。

图6 MEFP成型参数随隔板直径变化曲线

图6显示了MEFP速度、长径比以及飞散角度随隔板直径的变化曲线。观察曲线可得，随着隔板直径的增加，中心EFP的头部速度明显增加，周边EFP的头部速度略微增加，中心EFP长径比显著增加，周边EFP的飞散角明显减小，减小了1°左右。这是因为爆轰波绕过隔板在轴线处汇聚，作用于中心药型罩罩顶，使罩顶微元压力显著增加。同时药型罩径向压垮速度也逐渐增加，减小了EFP的直径，而径向应变又利于增加轴向应变[14]，从而增加EFP的长径比。随着隔板直径的增加，爆轰波阵面与周边药型罩罩外壁面的夹角也逐渐减小，使得周边弹丸飞散角减小。

4.3 罩顶药高对MEFP成型的影响

选取隔板厚度s为20 mm，隔板直径d为55 mm不变，设计罩顶药高h分别为35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm进行数值模拟，对MEFP在600 s时的基本参数进行了统计，具体如图7所示。

图7显示了MEFP速度、长径比以及飞散角度随罩顶药高的变化曲线。观察曲线可得，随着罩顶药高的增加，中心EFP和周边EFP的头部速度有明显的增加，中心EFP的长径比显著增大，周边EFP长径比先增加后不变，周边EFP的飞散角略微减小。这是因为随着罩顶药高的增加，作用在药型罩顶部的有效装药量增加，从而显著提升了EFP的头部速度和长径比，但是随着罩顶药高的增加，爆轰波阵面与药型罩外壁面的夹角并没有太大改变，所以周边EFP的飞散角无明显变化。

图7 MEFP成型参数随罩顶药高变化曲线

4.4 隔板材料对MEFP成型的影响

聚能装药的隔板材料影响爆轰波的传播速率，从而影响爆轰波绕射过隔板后的爆轰波波形。金属隔板材料可以完全阻挡爆轰波的透射，使得爆轰波只能从隔板两侧绕射传播。非金属隔板材料无法完全阻挡爆轰波，部分爆轰波可以透射过隔板，再与绕射过隔板的爆轰波一起相互作用后继续传播[15]。虽然金属材料隔板的隔爆性能优于非金属材料。但在实际应用中，由于非金属材料的密度小、质量轻并可以尽量减少装药总重量，所以在隔板厚度s为20 mm，隔板直径d为55 mm，罩顶药高h为40 mm的条件下，选取隔板材料分别为尼龙和铝进行数值模拟分析。

表5为不同隔板材料情况下爆轰波传递过程，从表5中可得尼龙材料隔爆性能最弱，几乎不隔爆，铝材料能阻隔一部分爆轰波，但是不能完全阻隔爆轰波，钢隔板可以做到完全隔爆。

表5 不同隔板材料时爆轰波传递方式

图8分别为隔板材料为尼龙、铝和钢时600 μs处的MEFP成型情况。结合表6分析可得:当隔板材料换为铝和尼龙时，中心EFP的头部速度会明显的增加，头尾速度差逐渐增大，EFP的长径比也随之增加。原因是铝和尼龙材料密度小，材料阻抗低，爆轰波透过隔板作用在中心药型罩上的透射波压力大。并且尼龙材料塑性、延展性较好，质量小，变形时吸收的能量远小于金属材料变形所吸收的能量[16]，故形成的中心EFP长径比大，头部速度高。隔板材料的改变对周边EFP的飞散角没有太大的影响。