相升海，徐文龍，張 健，王 猛，黃德武，王 迪

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

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刻槽式MEFP的成形及侵徹鋼靶模式

相升海，徐文龍，張 健，王 猛，黃德武，王 迪

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

多爆炸成形彈丸(MEFP)能有效提高炸藥利用率和命中概率?；贚S-DYNA軟件對(duì)刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹雙層無間隔鋼靶模式進(jìn)行了研究，得到了刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及對(duì)靶板侵徹的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。結(jié)果表明：刻槽式MEFP成形過程要經(jīng)過翻轉(zhuǎn)、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個(gè)階段,聚能爆轟波對(duì)藥型罩的徑向力是其交叉飛散的主要原因；侵徹過程要經(jīng)過開坑、聯(lián)合侵徹、貫穿3個(gè)階段。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

爆炸力學(xué)；成形；LS-DYNA；多爆炸成形彈丸(MEFP)

多爆炸成形彈丸(MEFP)與爆炸成形彈丸(EFP)相比，具有更高的命中概率，因此成為戰(zhàn)斗部技術(shù)研究的熱點(diǎn)[1-2]。

現(xiàn)存MEFP結(jié)構(gòu)主要包括：組合式MEFP結(jié)構(gòu)、切割式MEFP結(jié)構(gòu)、周向MEFP結(jié)構(gòu)和變形罩MEFP結(jié)構(gòu)。周翔等[3]對(duì)含有7枚子裝藥的組合式MEFP結(jié)構(gòu)的形成過程及影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬。李裕春等[4]利用LS-DYNA軟件對(duì)切割式MEFP的形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。王猛等[5]對(duì)刻槽式MEFP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

本文中基于LS-DYNA軟件，研究刻槽式MEFP成形及侵徹過程，對(duì)成形及侵徹的各個(gè)階段進(jìn)行分析，從原理上給出各種宏觀現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 刻槽式MEFP幾何模型的建立

圖1 MEFP實(shí)物及其網(wǎng)格劃分Fig.1 Photographs and mesh of MEFP

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置與計(jì)算模型Fig.2 Experimental arrangement and calculation model

MEFP實(shí)物和計(jì)算模型分別如圖1、2所示。裝藥高度為Hc，藥型罩為變壁厚, 藥型罩頂端壁厚為δ(δ/Hc=0.086)，內(nèi)壁曲率半徑為R0(R0/Hc=2.34)，外壁曲率半徑為R1(R1/Hc=2.16)，中心孔直徑為D0(D0/Hc=0.038)；殼體側(cè)面壁厚為δ1(δ1/Hc=0.077),底部厚度為δ2(δ2/Hc=0.129)；空氣長度為L(L/Hc=258.4)；靶板為2層厚1.5cm的鋼靶。

1.2 材料模型及狀態(tài)方程

1.2.1 炸藥材料模型及狀態(tài)方程

戰(zhàn)斗部的裝藥類型為RDX(黑索今)炸藥，材料模型為高能炸藥爆轟模型(high-explosive-burn)，狀態(tài)方程選用JWL狀態(tài)方程：

(1)

式中：A、B、R1、R2和ω為JWL狀態(tài)方程常數(shù)，p為爆轟產(chǎn)物壓力，E為RDX炸藥具有的比內(nèi)能，其數(shù)值參見文獻(xiàn)[6]。炸藥密度ρ0=1.7 g/cm3，炸藥中爆轟波的傳播速度D=8.4 km/s，炸藥爆轟壓力pc=30 GPa。

1.2.2 藥型罩、殼體與靶板材料模型及其狀態(tài)方程

計(jì)算中，藥型罩材料為紫銅，殼體材料為鋁，靶板材料為鋼。藥型罩、殼體與靶板均使用Johnson-Cook材料模型和Grüneisen狀態(tài)方程。

Johnson-Cook材料模型等效應(yīng)力表達(dá)式為：

(2)

Grüneisen狀態(tài)方程表達(dá)式在壓縮狀態(tài)(即μ>0)時(shí)為：

(3)

在膨脹狀態(tài)(即μ<0)時(shí)為：

(4)

藥型罩、殼體與靶板所用參數(shù)的具體值參見文獻(xiàn)[7-9]。

1.2.3 空氣材料模型及其狀態(tài)方程

空氣材料采用MAT_NULL模型；狀態(tài)方程為線性多項(xiàng)式，表達(dá)式為：

(5)

1.3 算法設(shè)置及邊界條件

模型采用后點(diǎn)起爆方式；設(shè)置藥型罩自身單面接觸；藥型罩與炸藥為滑移接觸算法；炸藥與殼體、藥型罩與靶板及兩塊靶板間采用侵蝕接觸算法；空氣與靶板采用自動(dòng)面面接觸算法；空氣與藥型罩間采用耦合算法；在空氣及靶板邊界處施加非反射邊界。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 刻槽式MEFP成形過程計(jì)算分析

圖3是刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部的成形過程計(jì)算結(jié)果的三視圖。當(dāng)裝藥引爆后，在炸藥內(nèi)將產(chǎn)生球面爆轟波并從起爆點(diǎn)向外傳播，這種爆轟波的聚集可提高局部作用力，藥型罩從爆轟波中獲得能量，裝藥的種類、形狀，殼體的材料、厚度是影響爆轟波能量及波形的主要因素。

藥型罩在炸藥爆轟波作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在翻轉(zhuǎn)過程中藥型罩頭部首先發(fā)生擠壓破壞，由于刻槽處應(yīng)力集中，在頭部刻槽處產(chǎn)生擠壓斷裂，如圖3第2列圖片(36μs)所示；在藥型罩繼續(xù)翻轉(zhuǎn)的過程中沿徑向半徑變大，致使藥型罩尾部及中部沿刻槽處發(fā)生拉伸斷裂，如圖3第3列圖片(66μs)所示。

聚能裝藥在爆轟過程中，爆轟波沿軸向向外傳播，沿徑向向軸心集聚。軸心附近爆轟波密度大于外圍，這就導(dǎo)致了藥型罩頭部所受軸向力大于尾部并產(chǎn)生速度差異發(fā)生翻轉(zhuǎn)。在爆轟波沿徑向向軸心集聚的過程中，對(duì)藥型罩產(chǎn)生指向軸心的徑向作用力，使藥型罩具有指向軸心的徑向速度，因此產(chǎn)生交叉飛散，如圖3第4列圖片(156μs)所示。

藥型罩沿軸向飛行沿徑向分散的過程中，由于頭尾速度差異產(chǎn)生的拉伸變形使每個(gè)彈丸整體徑向蜷縮，且蜷縮方向向外(背離原藥型罩軸心為向外)。每個(gè)彈丸近似形成一個(gè)內(nèi)部中空、邊緣并未完全封閉的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的爆炸成形彈丸(EFP)戰(zhàn)斗部，如圖3第5(280μs)、6(560μs)列圖片所示。

圖3表明刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部的成形過程可以分為翻轉(zhuǎn)、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個(gè)階段。

圖3 MEFP成形過程計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulated results obtained with formation process of MEFP

2.2 刻槽式MEFP侵徹過程計(jì)算分析

圖4 開坑階段Fig.4 Spud in stage

(1)開坑階段。圖4為彈頭開坑階段效果圖，彈頭撞擊靶板時(shí)速度迅速降低，撞擊產(chǎn)生高溫與塑性變形區(qū)，并在靶體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，撞擊點(diǎn)及周圍靶板的抗侵徹能力迅速下降。

(2)聯(lián)合侵徹階段。圖5為聯(lián)合侵徹階段效果圖，由于開坑階段產(chǎn)生的高溫高壓及沖擊波作用使靶板的抗侵蝕能力下降，此階段的侵徹速度較為穩(wěn)定，主要以彈丸的磨蝕為主，彈丸質(zhì)量迅速減小。

(3)貫穿階段。圖6為貫穿階段效果圖，靶板背面有明顯花瓣形穿孔，穿孔口徑大于彈丸半徑。

圖5 聯(lián)合侵徹階段Fig.5 United penetration stage

圖6 貫穿階段Fig.6 Breakthrough stage

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7(b)中計(jì)算出的彈孔為橢圓形，3孔呈等邊三角形，與實(shí)驗(yàn)彈孔(圖7(a)相似，計(jì)算出的等邊三角形邊長為47 cm，實(shí)驗(yàn)為46 cm，誤差2%；第2靶板背面計(jì)算出的花瓣破壞與實(shí)驗(yàn)鋼板破壞形式相似，彈孔為圓形，實(shí)驗(yàn)彈孔直徑為100 mm，計(jì)算值為97 mm,誤差3%，如圖8所示。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者基本相符。

圖7 第1板正面Fig.7 The first target’s front

圖8 第2板背面Fig.8 The second target’s back

4 結(jié) 論

基于LS-DYNA軟件對(duì)刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部成形及侵徹模式進(jìn)行研究，主要結(jié)論為：

(1)刻槽式MEFP成形過程主要經(jīng)過翻轉(zhuǎn)、頭部擠壓斷裂、尾部拉伸斷裂、交叉飛散、穩(wěn)定飛行5個(gè)階段, 裝藥的種類、形狀，殼體的材料、厚度是影響爆轟波能量及波形的主要因素，聚能爆轟波對(duì)藥型罩的徑向力是刻槽式MEFP交叉飛散的主要原因。

(2)刻槽式MEFP侵徹雙層無間隔靶板主要經(jīng)過開坑、聯(lián)合侵徹、貫穿3個(gè)階段。

(3)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，兩者基本相符。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Groove type MEFP formation and penetrating steel target’s pattern

Xiang Sheng-hai, Xu Wen-long, Zhang Jian, Wang Meng, Huang De-wu, Wang Di

(SchoolofEquipmentEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,Liaoning,China)

Multiple explosively formed projectile (MEFP) can effectively raise the utilization rate of explosive and the hit rate. The forming process of groove type MEFP and the process of penetrating double nonseptate steel target based on LS-DYNA are studied. The results show that the forming process of groove type MEFP should pass through five stages: overturn, the head extrusion fracture, the rear tensile fracture, cross flying and stable flying. The cross flying is caused by the radial force which comes from detonation wave. Penetration process should pass through three stages: Spud in, united penetration and breakthrough stage. The simulated results are consistent with the experimental results.

mechanics of explosion; formation; LS-DYNA; multiple explosively formed projectile (MEFP)

10.11883/1001-1455(2015)01-0135-05

2013-05-21；

2013-09-11

遼寧省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研基金項(xiàng)目(LS2010139)

相升海(1960— )，男，教授;通訊作者： 徐文龍,18660843770@163.com。

O389；TJ414.2 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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