何 俊，李欽生，王韋霞，程 春，王復(fù)利

(1 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241000； 2 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；3 黑龍江北方工具有限公司，黑龍江牡丹江 157013)

0 引言

多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部(MEFP)是基于爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部(EFP)的發(fā)展而研制出來(lái)的，作戰(zhàn)時(shí)可以產(chǎn)生大面積的彈幕，形成對(duì)攻擊目標(biāo)的面打擊，極大提升對(duì)目標(biāo)的命中和毀傷概率，尤其是對(duì)于集群輕型裝甲，如武裝直升機(jī)、雷達(dá)站、步兵戰(zhàn)車(chē)、導(dǎo)彈陣地等具有良好的應(yīng)用前景[1]。2002年，William Ng等研制了一新式軸向變形罩式MEFP，2005年，Richard Fong在此基礎(chǔ)上，研制出通過(guò)對(duì)整塊板材進(jìn)行沖壓而制成的MEFP[2-3]。吳小蓉等[4]研制出一種分布三罩式MEFP，通過(guò)試驗(yàn)，戰(zhàn)斗部形成了彈速為2 000 m/s左右的3個(gè)子彈丸，并在靶板上測(cè)得類(lèi)似正三角形形狀的3個(gè)橢圓形穿孔。趙長(zhǎng)嘯、紀(jì)沖等[5-7]通過(guò)在單個(gè)藥型罩前面適當(dāng)位置安裝高強(qiáng)度十字形網(wǎng)柵，使藥型罩在網(wǎng)柵的切割功用下，形成多個(gè)爆炸成型彈丸，并且通過(guò)數(shù)值仿真和穿甲試驗(yàn)，研究了成型彈丸的形成過(guò)程及其對(duì)鋼靶的穿甲效應(yīng)。尹建平等[8]通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出藥型罩的相關(guān)因素(曲率半徑、壁厚和口徑)對(duì)MEFP成型和毀傷效果的規(guī)律，并給出以上3個(gè)因素的最優(yōu)組合。黃德武等[9]首先提出了可生成多枚成型彈丸的刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，相升海等[10]通過(guò)數(shù)值分析，闡述了刻槽式MEFP貫徹雙層無(wú)間隔金屬靶的具體過(guò)程及影響因素。

文中在以上研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)藥型罩口徑為150 mm的刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部毀傷性能的主要影響因素(刻槽深度H、刻槽角度α、殼體厚度δ1、藥型罩內(nèi)徑D、裝藥長(zhǎng)度L、罩頂厚度δ2)，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)確定優(yōu)化方案，并結(jié)合LS-DYNA軟件數(shù)值計(jì)算，得出各因素對(duì)成型子彈丸動(dòng)能影響的主次關(guān)系及各因素的最優(yōu)組合。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部模型

文中所研究的MEFP戰(zhàn)斗部頂部預(yù)制V型槽，中心孔徑為1.5 mm，其結(jié)構(gòu)分為殼體、炸藥、藥型罩3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部模型

1.2 計(jì)算模型

殼體、炸藥和藥型罩的模型都采用Lagrange網(wǎng)格，單元?jiǎng)澐质褂肧olid164固體單元。通過(guò)模擬，當(dāng)計(jì)算時(shí)間到達(dá)40 μs時(shí)，殼體與炸藥的作用幾乎結(jié)束，故對(duì)于這兩部分劃分網(wǎng)格較稀疏，并在40 μs時(shí)，將這兩部分單元設(shè)置自動(dòng)刪除。對(duì)于藥型罩在計(jì)算過(guò)程將發(fā)生較大變形，為防止網(wǎng)格在計(jì)算過(guò)程中發(fā)生畸變，故而在劃分此部分網(wǎng)格時(shí)，較殼體和炸藥略微細(xì)化，這樣設(shè)置對(duì)觀察藥型罩的成型變化過(guò)程較為有利。

殼體的材料選擇45號(hào)鋼，藥型罩的材料選擇紫銅，這兩部分均采用Johnson-Cook材料模型，其狀態(tài)方程均為Gruneisen方程。藥型罩的主要參數(shù)為ρ=8.96 g/cm3，G=46 GPa，A=0.09 GPa，B=0.29 GPa，n=0.31，C=0.025，m=1.09，Tm=1 356 K，Tr=293 K。炸藥材料選用B炸藥，使用High-Explosive-Burn材料模型，狀態(tài)方程為JWL方程，B炸藥參數(shù)見(jiàn)表1[11]。

表1 B炸藥參數(shù)

1.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果示例

MEFP模型采用底部中心(單點(diǎn))引爆方式。炸藥引爆后，由于藥型罩的球面形狀，炸藥的轟擊波將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩的作用，致使藥型罩沿刻槽位置發(fā)生斷裂破壞，生成3個(gè)成型子彈丸。 這3個(gè)成型子彈丸，在自身動(dòng)能作用下，對(duì)目標(biāo)形成毀傷效應(yīng)。

如圖2所示為一組數(shù)值計(jì)算得到的MEFP飛散圖，其參數(shù)為：H=3.29 mm，α=30°，δ1=6.97 mm，δ2=6.55 mm，D=176.7 mm，L=123.84 mm。

圖2 MEFP飛散圖

2 刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部影響因素的正交優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

通過(guò)數(shù)值分析和相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，影響藥型罩?jǐn)嗔殉尚妥訌椡铓阅艿闹饕绊懸蛩貫椋嚎滩凵疃菻、刻槽角度α、殼體厚度δ1、藥型罩內(nèi)徑D、裝藥長(zhǎng)度L、罩頂厚度δ2。以上述6因素為研究對(duì)象，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)，各因素設(shè)定5個(gè)水平變量，建立6因素5水平取值表，具體取值見(jiàn)表2。

表2 正交優(yōu)化因素水平表

成型子彈丸的動(dòng)能直接影響其侵徹靶板深度和毀傷性能，將成型子彈丸的動(dòng)能y作為優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)法，具體方案及結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

由正交優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)仿真計(jì)算得到子彈丸動(dòng)能隨以上6個(gè)因素的估算邊際均值變化如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，子彈丸動(dòng)能y隨α的增加先增加后減少，在α為60°時(shí)取得最大值，當(dāng)α為120°～150°時(shí)，y值顯著減小，原因是α為150°時(shí)，藥型罩質(zhì)量顯著減少。從圖3(b)中可以得到，y值隨H的增大，先減小再增大，之后又減小，總體的變化幅度較小，這是由于藥型罩比較薄，H本身的變化幅度就小，當(dāng)H為0.35 cm時(shí)，y值最大。由于藥型罩的質(zhì)量隨罩厚δ2增大而增大，同時(shí)隨著槽深H的增大而減小，綜合兩者的共同影響，最終y隨δ2的改變呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，整體變化量也不大。在圖3(d)中，y隨D的增加先增大而后略有減小，在D取18.67 cm時(shí)，y值達(dá)到最大。y隨L的增加先有較明顯的增加而后增加幅度較小，在L為13.932 cm和15.48 cm時(shí)y變化不大，顯然綜合武器的整體效能和經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫嬉蛩兀琇取13.932 cm為最佳選擇。子彈丸在δ1為0.774 cm時(shí)取得最大值，綜合考慮整個(gè)彈丸的質(zhì)量，0.774 cm是一個(gè)比較理想的取值。

圖3 子彈丸動(dòng)能隨各因素的估算邊際均值變化

由圖3，得到y(tǒng)隨各因素變化的極差表，見(jiàn)表4。從表4可以看出，影響子彈丸動(dòng)能的因素按主次關(guān)系排列，依次是L、α、δ1、δ2、D、H。

表4 子彈丸動(dòng)能隨各因素變化的極差表

綜合以上因素的影響，可以得出影響刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部子彈丸動(dòng)能的最優(yōu)參數(shù)組合為：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。

3 結(jié)論

1)通過(guò)正交設(shè)計(jì)和極差分析得到，影響成型子彈丸動(dòng)能的因素按主次關(guān)系排列，依次是裝藥長(zhǎng)度L、刻槽角度α、殼體厚度δ1、罩頂厚度δ2、藥型罩內(nèi)徑D、刻槽深度H。

2)針對(duì)藥型罩口徑為150 mm的刻槽式MEFP戰(zhàn)斗部，由正交優(yōu)化設(shè)計(jì)得到影響其子彈丸動(dòng)能的最優(yōu)化參數(shù)組合為：L=13.932 cm、α=60°、δ1=0.774 cm、δ2=0.665 cm、D=18.67 cm、H=0.35 cm。