陳　亮,劉榮忠,郭　銳,趙博博,袁　軍

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,南京　210094)

綜合效應(yīng)MEFP成型過程的數(shù)值仿真*

陳亮,劉榮忠,郭銳,趙博博,袁軍

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,南京210094)

摘要:為了擴展EFP戰(zhàn)斗部在新型智能彈藥中的應(yīng)用,設(shè)計了一種可成型一個主EFP和周向16個輔EFP的綜合效應(yīng)MEFP裝藥結(jié)構(gòu)。應(yīng)用AUTODYN軟件研究了藥型罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對這種MEFP戰(zhàn)斗部成型效果的影響。結(jié)果表明:輔藥型罩曲率半徑和壁厚對輔EFP的形狀和速度影響較大,輔EFP飛散角隨輔藥型罩傾角的增大而明顯減小,合理選取各參數(shù)值,可獲得動能較大、形狀接近球形、飛散角小的輔EFP,從而提高毀傷效能。

關(guān)鍵詞:MEFP;數(shù)值仿真;輔EFP;飛散角

0引言

為了提高對現(xiàn)代戰(zhàn)場上技術(shù)陣地目標(biāo)的毀傷效能,采用傳統(tǒng)單EFP裝藥進行點對點的攻擊已難以滿足作戰(zhàn)要求,綜合效應(yīng)MEFP可同時爆炸成型一個主EFP和周向多個輔EFP或破片,對目標(biāo)造成綜合毀傷,具有一定的面毀傷能力,可以有效提高命中概率和毀傷效果。

科技人員對EFP戰(zhàn)斗部已進行了大量的研究:文獻[1]利用數(shù)值方法研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對子裝藥結(jié)構(gòu)的MEFP飛散角的影響;文獻[2]對整體式MEFP成型和侵徹過程進行了仿真和實驗研究;文獻[3]分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對周向MEFP成型的影響;文獻[4]研究了EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)在防空反導(dǎo)中的應(yīng)用。但是,對于綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部的研究,國內(nèi)還少有涉及。

文中設(shè)計了一種整體式的綜合效應(yīng)MEFP裝藥結(jié)構(gòu),采用AUTODYN軟件研究了藥型罩主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對MEFP成型效果及飛散角的影響,為綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部的進一步研究提供參考。

1戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)

綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部包括藥型罩、裝藥以及殼體。其中,藥型罩由一個中心主罩和環(huán)繞主罩均勻排布的16個花瓣狀輔藥型罩組成。主藥型罩和輔藥型罩均采用等壁厚球缺罩,整個藥型罩為一個整體。圖1為綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部3D模型。

圖2給出了MEFP戰(zhàn)斗部的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),其中,D0為戰(zhàn)斗部口徑,L為戰(zhàn)斗部總長度,D1為主藥型罩口徑,R1為主藥型罩曲率半徑,R2為輔藥型罩曲率半徑,δ為輔藥型罩厚度。為有效控制輔EFP飛散角大小,文中引入了輔藥型罩傾角θ這一結(jié)構(gòu)參數(shù),即所設(shè)計輔藥型罩中心軸線與戰(zhàn)斗部軸線成一定夾角θ,以改變成型過程中爆轟波對輔藥型罩的作用角,產(chǎn)生一定聚焦作用,以減弱由于爆轟波作用不對稱性引起的輔EFP飛散效應(yīng)。

圖1　MEFP戰(zhàn)斗部3D模型

圖2　綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)簡圖

2戰(zhàn)斗部成型過程仿真

2.1　仿真模型

利用AUTODYN 3D軟件建立1/4有限元模型,仿真采用流固耦合方法,藥型罩采用Lagrange網(wǎng)格,其余部分均采用Euler網(wǎng)格,藥型罩、裝藥及殼體材料分別取為紫銅、8701炸藥和45號鋼,材料參數(shù)取自文獻[5]。擬定MEFP戰(zhàn)斗部初始計算方案如表1。圖3為戰(zhàn)斗部計算模型。

表1　初始方案

圖3　計算模型

2.2　戰(zhàn)斗部成型過程

采用中心點起爆方式,綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部不同時刻成型情況如圖4所示。

圖4　綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部成型過程

仿真結(jié)果表明:起爆28 μs后,各藥型罩基本分離,80 μs后,輔EFP基本成型結(jié)束,150 μs后,主EFP基本成型結(jié)束,最終形成了一個中心主EFP加周向16個輔EFP的毀傷元陣列。主EFP形狀勻稱,輔EFP的形狀不規(guī)則,這是由爆轟波作用不對稱性造成的。為了減小輔EFP的速度衰減,改進了藥型罩的結(jié)構(gòu)參數(shù),使輔EFP形狀接近球形。

3結(jié)構(gòu)參數(shù)對成型效果的影響

考慮輔藥型罩曲率半徑R2,輔藥型罩壁厚δ、輔藥型罩傾角θ三個因素,分析各因素對綜合效應(yīng)MEFP成型的影響。仿真結(jié)果中各符號含義如下:M1為主EFP質(zhì)量,M2為輔EFP質(zhì)量,v1為主EFP速度,v2為輔EFP軸向速度,vr為輔EFP徑向飛散速度,α為輔EFP飛散角。其中,飛散角α指輔EFP合速度方向與戰(zhàn)斗部軸線的夾角,其大小可由下式計算:

3.1　輔藥型罩曲率半徑的影響

在表1給出的基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)上,取輔藥型罩曲率半徑R2為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm,其余參數(shù)不變,進行仿真,結(jié)果如圖5所示。

如圖5(a)、圖5(b)所示,隨著輔藥型罩曲率半徑R2增大,輔EFP長度逐漸減小,當(dāng)R2取值為35 mm時有拉斷趨勢,當(dāng)R2取值為45 mm時,輔EFP形狀最接近球形;輔EFP軸向速度v2隨著R2增大而增加,這是由于爆轟波對輔藥型罩軸向推動作用增強造成的。當(dāng)R2取值為45 mm時,獲得的主EFP的質(zhì)量約為51.5 g,速度約為2 750 m/s,輔EFP質(zhì)量約為16.5 g,軸向速度約為2 250 m/s,能保證較強的侵徹威力。圖5(c)的結(jié)果表明:隨著R2增大,飛散角和徑向飛散速度,均隨之減小,因此為獲得較小飛散角,R2不宜過小。綜上所述,對于該戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)而言,為獲得形狀接近球狀且飛散角較小的輔EFP,輔罩曲率半徑R2取值在40~50 mm,即取0.26

圖5　輔藥型罩曲率半徑R2的影響

3.2　輔藥型罩厚度的影響

取輔藥型罩壁厚δ為2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm、4.5 mm,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,仿真結(jié)果如圖6所示。

如圖6(a)、圖6(b)所示,隨著輔藥型罩厚度δ的增加,輔EFP長度隨之減小,當(dāng)δ取值在3~4 mm時,形狀較接近球形;此外,隨δ減小,輔EFP速度明顯增大,但同時其質(zhì)量也隨之明顯減小,由此可知,當(dāng)δ取某一特定值時,輔EFP動能將達(dá)到最大值;主EFP的速度有所增加,這主要是由于隨著δ增大,爆轟產(chǎn)物的泄出時間將被延遲,從而增強了爆轟波對主罩的作用。從圖6(c)可以看出,隨著δ增大,輔EFP徑向飛散速度和飛散角均隨之減小,當(dāng)δ取值為2.5 mm時,飛散角達(dá)到1°左右,故δ取值不宜過小。綜上所述,厚度δ取值在3~4 mm,即取0.02<δ/D0<0.026較為合理。

圖6　輔藥型罩壁厚δ的影響

3.3　輔藥型罩傾角的影響

取輔藥型罩傾角θ為0°、3°、4°、5°、6°、7°,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,仿真結(jié)果如圖7。

如圖7(a)、圖7(b)所示,隨著輔藥型罩傾角θ的增大,除輔EFP軸向速度v2有小幅減小外,輔EFP形狀和質(zhì)量以及主EFP速度和質(zhì)量均無明顯變化,這說明當(dāng)θ取值較小時,其大小對MEFP戰(zhàn)斗部的侵徹威力影響不大。從圖7(c)可以看出:輔EFP飛散角和徑向飛散速度,隨著θ增大而明顯減小,且當(dāng)不引入θ(即θ為0°)時,飛散角超過4°,當(dāng)θ為5°時,飛散角α減小到1°以下,當(dāng)θ為7°時,飛散角已出現(xiàn)負(fù)值,即輔EFP不僅不飛散,反而會向戰(zhàn)斗部軸線匯聚,這對提高毀傷效能也是不利的。綜上所述,通過引入輔藥型罩傾角θ這一結(jié)構(gòu)參數(shù),可有效控制輔EFP飛散角,當(dāng)θ取值為5°<θ<6°時較為合理。

圖7　輔藥型罩傾角θ的影響

4結(jié)論

通過對綜合效應(yīng)MEFP戰(zhàn)斗部成型過程的數(shù)值仿真,得到以下結(jié)論:

1)對該戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)而言,輔藥型罩曲率半徑R2、壁厚δ是影響輔EFP形狀和速度的主要因素,當(dāng)R2取值在0.26

2)輔EFP飛散角隨輔藥型罩傾角θ增大明顯減小,當(dāng)θ取值在5°<θ<6°時可保證輔EFP具有合理的飛散角。

參考文獻:

[1]周翔, 龍源, 余道強, 等. 多彈頭爆炸成形彈丸數(shù)值仿真及發(fā)散角影響因素 [J]. 兵工學(xué)報, 2006, 27(1): 23-26.

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[5]李剛. 緊湊型末敏彈EFP戰(zhàn)斗部技術(shù)研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

收稿日期:2014-06-14

基金項目:國家自然科學(xué)基金(11102088;11372136);上海航天科技創(chuàng)新基金(SAST201333)資助

作者簡介:陳亮(1990-),男,四川瀘州人,博士研究生,研究方向:彈藥靈巧化與智能化技術(shù)。

中圖分類號:TJ410.33

文獻標(biāo)志碼:A

Numerical Simulation of Forming Process of Multi-effect MEFP

CHEN Liang,LIU Rongzhong,GUO Rui,ZHAO Bobo,YUAN Jun

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing 210094, China)

Abstract:In order to expand application of EFP warhead in new intelligent ammunition, a multi-effect MEFP charge structure was designed which could form a main EFP and 16 circumferential auxiliary EFP. Numerical simulations using AUTODYN software were carried out to research influence of the parameters of liner on formation of this kind of MEFP warhead. The results show that both curvature radius and thickness of the auxiliary liner have a great influence on shape and velocity of the auxiliary EFP, while radial dispersion of the auxiliary EFP decreases obviously with increase of the auxiliary liner angle. When the parameters of liner are reasonable, the kinetic energy of the auxiliary EFP is larger, the shape is close to spherical, and the damage effectiveness is better.

Keywords:MEFP; numerical simulation; auxiliary EFP; radial dispersion