宋 平,李文彬,王曉鳴,董曉亮,朱建軍

(南京理工大學(xué) 智能彈藥國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210094)

周向多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed penetrators,MEFP)戰(zhàn)斗部起爆后能在戰(zhàn)斗部周向范圍內(nèi)形成多個(gè)EFP毀傷元,大大提高對目標(biāo)的毀傷概率。國內(nèi)外對周向MEFP戰(zhàn)斗部的研究主要集中在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和起爆方式對MEFP成型的影響。國外Fong等[1]將預(yù)控破片技術(shù)應(yīng)用到MEFP戰(zhàn)斗部中,設(shè)計(jì)出了一種增強(qiáng)型周向聚焦MEFP戰(zhàn)斗部,可以通過改變戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)來控制MEFP的速度和空間分布規(guī)律,但文中并未提及具體的起爆控制方式。國內(nèi)梁振剛等[2]、尹建平等[3]利用有限元軟件模擬研究了中心線起爆下不同藥型罩和戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)參數(shù)對MEFP成型的影響。楊寶良等[4]利用Ls-dyna軟件模擬了周向MEFP戰(zhàn)斗部在中心線和端面起爆方式下的成型過程。李鵬等[5]設(shè)計(jì)了一種偏心起爆周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu),并通過試驗(yàn)對比研究了單點(diǎn)中心起爆和兩點(diǎn)偏心起爆條件下MEFP的速度、空間分布以及侵徹性能的差異。到目前為止,尚未有學(xué)者針對不同起爆方式對周向MEFP戰(zhàn)斗部性能參數(shù)的具體影響規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文利用Ls-dyna對周向MEFP戰(zhàn)斗部在單點(diǎn)和多點(diǎn)起爆方式下的成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)對比研究了起爆點(diǎn)位置、數(shù)量以及起爆誤差對MEFP速度、飛散角以及成型的影響,為周向MEFP戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。

1 數(shù)值仿真模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

周向MEFP戰(zhàn)斗部模型包括主裝藥、藥型罩、殼體以及空氣域。主裝藥為圓柱型結(jié)構(gòu),藥型罩共計(jì)40枚(8列×5層)。其中裝藥高度h=100 mm,裝藥直徑d1=48 mm;殼體壁厚δ1=2 mm;藥型罩口徑d2=15 mm,采用變壁厚球缺式設(shè)計(jì),罩口壁厚δ2=2 mm?？紤]到模型具有對稱性,為提高計(jì)算效率,采用與文獻(xiàn)[2-4,6-7]相同的仿真方法,使用1/4模型進(jìn)行數(shù)值模擬,并在模型對稱面施加對稱約束,1/4模型如圖1所示(空氣域未顯示)。

圖1 有限元模型

1.2 算法及材料參數(shù)

為更好地模擬炸藥爆炸后藥型罩的成型過程,仿真采用流固耦合算法,炸藥和空氣域?yàn)镋uler網(wǎng)格,藥型罩和殼體為Lagrange網(wǎng)格。藥型罩和殼體以及藥型罩內(nèi)部設(shè)置單面自動(dòng)接觸。

表1 炸藥材料參數(shù)

表2 藥型罩及殼體材料參數(shù)

表3 空氣材料參數(shù)

1.3 起爆方式設(shè)置

本文首先研究戰(zhàn)斗部中心線上起爆點(diǎn)位置、數(shù)量的改變對MEFP毀傷元性能的影響規(guī)律。首先在戰(zhàn)斗部軸線設(shè)置11個(gè)等間距點(diǎn),由下至上依次編號為1,2,…,11,各點(diǎn)間距為10 mm,如圖2所示。通過11個(gè)點(diǎn)的不同組合,利用Ls-dyna數(shù)值模擬10種不同的起爆方式下MEFP的成型過程。綜合各仿真數(shù)據(jù),分別研究單點(diǎn)起爆方式下起爆點(diǎn)高度以及多點(diǎn)起爆方式下的起爆點(diǎn)數(shù)量對MEFP毀傷元速度v、飛散角α的影響規(guī)律,具體起爆設(shè)置見表4和表5。

圖2 起爆點(diǎn)示意圖

表4 單點(diǎn)起爆結(jié)果

表5 多點(diǎn)起爆設(shè)置

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 起爆點(diǎn)高度對MEFP性能的影響

定義起爆高度hp為起爆點(diǎn)距1號點(diǎn)的距離。利用Ls-dyna對表4中6種起爆方式下毀傷元的成型過程進(jìn)行仿真,起爆方式A1時(shí)毀傷元成型及飛散如圖3所示。選取對稱面上的一列共5個(gè)藥型罩為研究對象,其代號N分別為1,2,3,4,5,如圖4所示,進(jìn)一步分析不同起爆工況下各層MEFP速度v和飛散角α的變化規(guī)律。

圖3 起爆方式A1的MEFP成型(t=30 μs)

圖4 藥型罩編號

圖5、圖6分別為起爆高度hp對MEFP速度及飛散角的影響。由圖5可知,隨著起爆高度的增加第1層MEFP的起爆半徑增大,其最大速度增益可達(dá)13.5%;起爆點(diǎn)位置由1變至6時(shí),第2層MEFP的起爆半徑先減小后增大,因而速度先下降后升高,但總體變化不明顯;其余3層MEFP隨著起爆點(diǎn)高度的增加速度呈衰減趨勢。此外,當(dāng)hp/h=0.5時(shí),各層MEFP速度趨于一致,約為1 560 m/s。

圖5 hp對MEFP速度的影響

圖6 hp對MEFP飛散角的影響

分析圖6中的數(shù)據(jù),起爆點(diǎn)高度增加使得各層MEFP飛散角減小。整體上看,起爆點(diǎn)從1點(diǎn)變至3點(diǎn),毀傷元軸向飛散區(qū)域從-3.5°～+7.6°改變?yōu)?4.3°～+7.13°,其相對變化量為3.0%;起爆點(diǎn)從1點(diǎn)變至4點(diǎn),毀傷元軸向飛散區(qū)域相對變化量為7.7%;起爆點(diǎn)從1點(diǎn)變至5點(diǎn),毀傷元軸向飛散區(qū)域相對變化量為11.0%;起爆點(diǎn)從1點(diǎn)變至6點(diǎn),毀傷元軸向飛散區(qū)域相對變化量為11.7%。因此,起爆點(diǎn)高度hp的增加使得各層MEFP毀傷元軸向飛散方向發(fā)生向下(方向由6點(diǎn)指向1點(diǎn))偏移,并使毀傷元的散布角度增加。同時(shí),受爆轟波和稀疏波的共同作用,單點(diǎn)起爆下第1層MEFP飛散角始終為負(fù)。

2.2 起爆點(diǎn)數(shù)量對MEFP性能的影響

對B1,C1,D1,E1這4種起爆方式下(見表5)MEFP成型過程進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)合起爆方式A6,比較起爆點(diǎn)數(shù)量對MEFP速度v、飛散角α的影響。

圖7為不同起爆方式時(shí)爆轟波傳播特性。在多點(diǎn)起爆條件下,各點(diǎn)產(chǎn)生的爆轟波獨(dú)立傳播,并在其對稱位置發(fā)生包括馬赫碰撞在內(nèi)的一系列碰撞過程從而形成多個(gè)高壓區(qū),高壓區(qū)波陣面壓力較單點(diǎn)起爆有顯著提升。以起爆方式B1為例,2 μs時(shí)刻高壓區(qū)波陣面壓力為36.1 GPa,相較于起爆方式A6,壓力提升了36.7%。

圖7 2 μs時(shí)刻不同起爆方式時(shí)爆轟波傳播特性

如圖8所示,相對于起爆方式A6,采用起爆方式B1第2層、第3層、第4層毀傷元速度分別為1 694 m/s、1 720 m/s、1 695 m/s,其速度增益分別為8.1%,9.6%,8.2%。多點(diǎn)起爆條件下,相同時(shí)刻爆轟波能夠在藥型罩壁面上產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)壓力,如圖9所示,從而使得戰(zhàn)斗部第2層、第3層、第4層MEFP的速度得到顯著提升。但對于裝藥兩端的MEFP而言,起爆點(diǎn)數(shù)量的增加對其速度提升效果不明顯,其主要原因是裝藥端部毀傷元在成型過程中受稀疏波的影響較為嚴(yán)重,使得最終速度降低。

圖8 起爆點(diǎn)數(shù)量對MEFP速度的影

圖9 3 μs時(shí)刻藥型罩壓力云圖

圖10 起爆點(diǎn)數(shù)量對MEFP飛散角的影響

此外,相較于起爆方式B1,采用E1起爆方式對第2層、第3層、第4層毀傷元的速度增益不足1%。其主要原因?yàn)?當(dāng)起爆點(diǎn)數(shù)量繼續(xù)增加,爆轟波波陣面壓力逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。因此,中間3層MEFP的速度增益效果開始減弱。

由圖10可知,多點(diǎn)起爆方式能夠有效降低戰(zhàn)斗部中間3層毀傷元的飛散角;但對于裝藥端部MEFP而言,起爆點(diǎn)數(shù)量的增加對飛散角的影響并不明顯。同時(shí),在不改變結(jié)構(gòu)的前提下,繼續(xù)增加中心軸線上起爆點(diǎn)數(shù)量并不能減少因稀疏作用而產(chǎn)生的飛散角度。

2.3 起爆同步誤差對MEFP成型性能的影響

在起爆方式D1的基礎(chǔ)上研究起爆同步誤差對MEFP成型性能的影響。本文將對起爆同步誤差的研究簡化為順貫延遲起爆(D2)和間隔延遲起爆(D3)2種形式。其中,D2起爆次序?yàn)?—3—5—7—9—11;D3起爆次序?yàn)?—5—9—3—7—11。設(shè)置起爆延遲間隔為t,t分別取100 ns,300 ns,500 ns,1 000 ns,結(jié)果如圖11～圖14所示。

圖11 起爆方式D2起爆延時(shí)對MEFP速度的影響

圖12 起爆方式D2起爆延時(shí)對MEFP飛散角的影響

圖13 起爆方式D3起爆延時(shí)對MEFP速度的影響

圖14 起爆方式D3起爆延時(shí)對MEFP飛散角的影響

由圖11～圖14可知:當(dāng)起爆延遲時(shí)間小于500 ns時(shí),D2和D32種起爆方式下MEFP速度和飛散角同起爆方式D1相差并不明顯;而當(dāng)延遲時(shí)間增加至1 000 ns,與起爆方式D1相比,起爆方式D2和D3下各層MEFP飛散角有明顯的增大。因此,在多點(diǎn)起爆條件下，小于500 ns的同步起爆誤差不會(huì)對MEFP的速度和飛散角產(chǎn)生明顯影響。

圖15為不同起爆方式MEFP的最終成型,其中D2和D3對應(yīng)的起爆間隔時(shí)間為500 ns。相比單點(diǎn)起爆,采用多點(diǎn)起爆方式能夠獲得長徑比更高的MEFP毀傷元。但受端部稀疏效應(yīng)和起爆同步誤差的影響,多點(diǎn)起爆時(shí)戰(zhàn)斗部端部MEFP成型較差;當(dāng)起爆同步誤差以D3的形式出現(xiàn)時(shí),各層MEFP成型更加不規(guī)則。

圖15 不同起爆方式的MEFP成型

3 結(jié)論

①對于周向多層MEFP戰(zhàn)斗部,采用軸線中心起爆能夠獲得各層速度差最小的MEFP毀傷元。

②受稀疏波影響,裝藥端部MEFP飛散角較大,速度較低。中心線多點(diǎn)起爆能夠有效提升中間3層MEFP的速度, 但對裝藥端部MEFP的速度增益不明顯。

③在中軸線多點(diǎn)起爆條件下,對于口徑大于48 mm的周向MEFP戰(zhàn)斗部,若起爆精度控制在500 ns以內(nèi),起爆同步誤差不會(huì)對MEFP的速度和飛散角產(chǎn)生明顯影響。