0 引言
现代战争中,由于传统单一的爆炸成型弹丸(EFP)对分布密度大的集群作战目标毁伤效率不高,已经不满足作战需要,随即逐渐发展起多爆炸成型弹丸(multiple explosively formed projectile, MEFP)战斗部技术。多爆炸成型弹丸(MEFP)是由多个单一的EFP弹丸组成,可以大密度、大面积地攻击武装集群力量,作战时更加有效地提高了弹丸命中率以及毁伤装甲目标的概率[1]。
目前,国内外专家已经对多爆炸成型弹丸战斗部开展了大量的研究。赵长啸[2]发现整体式MEFP中心弹丸速度和长径比都随着装药长径比的增加而大幅提高,弹丸发散角则随着装药长径比的增加呈现先增大后减小的趋势。通过改变起爆方式观察整体式多爆炸成型弹丸的侵彻效果,发现平面起爆方式相对于点起爆、环形起爆方式,形成的弹丸对目标侵彻效果最好[3]。Liu等[4]对七罩整体式MEFP进行数值模拟与实验研究,发现MEFP在距离为1.2 m时周边EFP发散角最大。张洪成[5]研究发现组合式MEFP的各个EFP随着装药间距的增大,尾裙直径和长度逐渐减小。
组合式MEFP成型规律除了受药型罩参数、装药参数、起爆方式等因素影响之外,战斗部自身的结构也是重要的影响因素,由于配置多个装药结构,弹丸爆炸过程中会产生多个爆轰波。为了保证各个子装药间不发生殉爆,必须填充介质以起到隔爆的作用。吕进[6]为进一步优化带环形切割器串联战斗部,对比六种隔爆方式后发现聚氨酯可以有效的降低冲击波对战斗部的影响。张康[7]选用尼龙和铝作为整体式MEFP战斗部结构内部隔板材料,发现MEFP的头部速度及长径比随着隔板厚度、直径以及罩顶药高的增加而逐渐增加。朱福林等[8]分别采用聚氨酯泡沫、酚醛树脂和泡沫铝作为新型复合隔爆结构的隔爆板材料,发现相同条件下,聚氨酯泡沫隔爆板的抗爆吸能作用最大。池朋飞[9]在组合式MEFP中填充EPS泡沫,发现泡沫密度为0.04 g/cm3时,隔爆性能最好。目前,针对填充介质对组合式MEFP战斗部弹丸成型的影响研究较少,且填充不同介质对组合式MEFP成型影响规律未知,还需要进一步的研究。
本文在不改变药型罩参数、装药参数、起爆方式以及外部壳体结构的基础上,通过改变各个EFP之间的填充介质,对组合式MEFP战斗部的子弹丸成型进行数值模拟。分析不同填充材料条件下,MEFP的头部速度、长径比及发散角的变化规律,为进一步优化轴向组合式 MEFP战斗部性能设计提供参考。
1 数值计算模型
1.1 模型建立
本文研究的七罩轴向组合式MEFP战斗部是由7个相互分离的单个EFP装药结构组成,主要包括挡板、药型罩、装药以及填充介质,其几何模型结构如图1所示。
图1 组合式MEFP战斗部模型结构图
Fig.1 Model structure diagram of combined MEFP warhead
战斗部装药口径26 mm,装药高度80 mm。中心药型罩与周边药型罩间距为7 mm,周边药型罩之间间距为7 mm,周边药型罩与装药边缘最短距离为4 mm。图2为七罩轴向组合式MEFP战斗部示意图。
图2 组合式MEFP战斗部示意图
Fig.2 Schematic diagram of combined MEFP warhead
本次采用等壁厚球缺形药型罩,药型罩直径为26 mm,内曲率半径为18 mm,壁厚2 mm,图3为药型罩结构示意图。
图3 药型罩结构示意图
Fig.3 Schematic diagram of liner structure
在战斗部弹药之间增加填充物目的是为了减小子装药爆炸时产生的多个爆轰波之间的相互干扰,从而保证子装药间不发生殉爆。因此填充物优先采用惰性介质,并且需要考虑填充介质的隔爆性能、材料密度以及强度等条件。采用SOILDWORKS软件开展MEFP三维模型构建,导入HYPERMESH软件,对模型网格划分,网格大小为1 mm×1 mm,最后使用LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,本次采用拉格朗日算法,单位采用cm-g-μs。
1.2 材料参数
药型罩材料为紫铜,材料模型选用 JOHNSON_COOK,状态方程采用GRUNEISEN[10];装药采用8701炸药,材料模型选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN,状态方程采用JWL[11]。
考虑到对填充介质质量及隔爆性能的要求,本次数值模拟分别选用聚乙烯、尼龙、聚氨酯和铝进行仿真实验。数值模拟中所用到的材料参数如表1、表2所示。本次数值模拟起爆方式采用装药底部各中心点同时起爆。
表1 各材料模型
Table 1 Material model
材料EOS本构模型紫铜GRUNEISENJOHNSON_COOK8701JWLHIGH_EXPLOSIVE_BURN聚乙烯—PLASTIC_KINEMATIC尼龙GRUNEISENELASTIC_PLASTIC_HYDRO聚氨酯GRUNEISENNULL铝GRUNEISENJOHNSON_COOK
表2 填充介质材料参数
Table 2 Filling medium material parameters
聚乙烯ρEμ0.930.012 80.4尼龙ρGC1.140.020.257聚氨酯ρC1.2650.254铝ρCμ2.750.3940
2 数值模拟结果
2.1 EFP成型过程
组合式MEFP战斗部弹丸成型过程如图4所示,EFP从0～80 μs这段时间内完全成型,可以明显看到成型初期EFP出现尾翼裙边外翻的情况,这是由于炸药起爆后产生球面波形爆轰波,对药型罩压垮不均匀,中心药型罩被压垮后带动周边药型罩发生改变,从而周边EFP会出现一定程度的翻转[12]。
图4 EFP成型过程
Fig.4 EFP forming process
图5为50 μs时不同填充材料对应的弹丸成型情况。显然填充聚乙烯、尼龙和铝材料时,MEFP中心弹丸和周边弹丸成型姿态不同,其中铝相较于其他2种材料弹丸速度更高;而填充聚氨酯材料时,MEFP各子EFP成型姿态一致。
图5 50 μs时不同填充材料MEFP成型情况
Fig.5 MEFP forming condition of different filling materials at 50 μs
组合式MEFP战斗部填充不同材料时,取同轴线子装药爆轰波观察其传递过程,如表3所示。
表3 不同材料作填充物时爆轰波传播过程
Table 3 Detonation wave propagation with different materials as fillers
2.2 填充材料对EFP影响
图6为4种材料填充介质条件下EFP头部速度变化曲线。如图6(a)(b)(d)所示,当分别采用聚乙烯、尼龙和铝作为填充材料时,中心EFP头部速度均大于周边EFP速度,并且铝作为隔爆材料时,相较于前2种材料,中心EFP与周边EFP头部速度均可以达到更高的数值,其中中心EFP最高可达3 713 m/s,周边EFP最高可达3 444 m/s。当采用聚氨酯作隔爆材料时,中心EFP与周边EFP头部速度相同。
图6 不同填充材料下EFP头部速度随时间的变化
Fig.6 Variation of EFP head velocity with time under different filling materials
通过对比以上4种材料填充条件下EFP速度变化曲线图发现:显然在铝填充条件下,MEFP头部速度可达到的数值更高。铝中心EFP最高头部速度是聚乙烯的1.23倍,尼龙的1.33倍,聚氨酯的1.59倍;而填充聚氨酯材料时,MEFP可达到的速度数值最小。当隔爆材料为聚乙烯、尼龙和铝时,中心EFP的头部速度明显高于聚氨酯材料。原因是聚乙烯、尼龙和铝材料冲击阻抗较低[13],爆轰波透过填充介质传递给药型罩的冲击压力较大,故炸药爆炸大部分能量转化为药型罩动能,使得EFP速度较高。
图7为4种材料填充介质条件下弹丸长径比变化曲线。如图7(a)所示,当采用聚乙烯材料填充时,周边EFP长径比增长速率明显大于中心EFP长径比,在100 μs时中心EFP长径比达到4.23,周边EFP长径比达到8.16,同时随着时间的变化长径比上升曲线出现了明显的变缓趋势。尼龙作为填充材料时,中心EFP与周边EFP长径比增长态势一致,如图7(b)所示。当聚氨酯和铝作为填充材料时,出现了MEFP长径比增长过快和长径比过大的情况,如图7(c)(d)所示。
图7 不同填充材料下弹丸长径比随时间的变化
Fig.7 The change of projectile length-diameter ratio with time under different filling materials
图8为周边EFP发散角变化曲线。通过观察图中曲线发现:只有聚氨酯材料周边EFP发散角在80 μs后趋于稳定,其他材料周边EFP发散角都继续呈现上升趋势。如图8(a)所示,聚乙烯作隔爆材料时,发散角的增长速率随着时间的变化出现变缓趋势;尼龙和铝作填充材料时,MEFP发散角变化曲线呈现增长趋势且逐渐加快,如图8(b)(d)所示。
图8 不同填充材料下周边EFP发散角随时间的变化
Fig.8 Variation of peripheral EFP divergence angle with time under different filling materials
当t=100 μs时,聚氨酯周边EFP发散角为0.82°,聚乙烯周边EFP发散角达到0.84°,铝周边EFP发散角达到5.6°,尼龙周边EFP发散角达到4.9°。这是由于聚乙烯和聚氨酯作为多孔材料,刚度小材质松散具有对冲击波的衰减作用[14],在稀疏作用下,使得弹丸发散角较小。
2.3 对比验证
为了提高本次研究的七罩轴向组合式MEFP战斗部仿真过程的可靠性,与前人所做试验进行对比验证。
池朋飞[15]研究了一种三罩组合式MEFP战斗部,结构如图9所示。通过填充不同密度聚苯乙烯、聚氨酯及泡沫铝材料来观察弹丸成型情况。
图9 组合式MEFP战斗部120°旋转剖视图
Fig.9 120 ° rotary sectional view of combined MEFP warhead
对池朋飞所研究的三罩组合式MEFP战斗部进行模型的构建,采用聚氨酯作为隔爆材料,并通过本次数值模拟采用的拉格朗日算法进行计算,仿真结果得到弹丸发散角为0.78°。弹丸成型结果如图10所示。
图10 填充聚氨酯时EFP成型过程
Fig.10 EFP molding process when filling polyurethane
池朋飞对填充物为聚氨酯的装药结构进行试验研究[15],得到弹丸成型结果及弹丸发散角大小,将试验得到的弹丸发散角与仿真结果对比,如表4所示。
表4 弹丸发散角对比结果
Table 4 Comparison results of projectile divergence angle
序号试验发散角/(°)仿真发散角/(°)误差/%10.850.788.220.870.7810.330.830.786.0
采用本文的数值模拟参数和模型仿真得到的结果与真实试验结果相比误差不大于10.3%,说明本文的数值模拟参数和建模方法是可信的,本文仿真得到的规律性结论可靠。
3 结论
本文中针对轴向组合式MEFP战斗部,通过改变其中的填充介质进行数值模拟仿真,分析不同填充介质条件下MEFP弹丸成型规律,得出如下结论:
1) MEFP填充物材料对弹丸的成型规律影响明显。填充聚乙烯、尼龙、铝材料时,中心EFP与周边EFP速度不同且中心EFP速度大于周边EFP;其中铝作为隔爆材料时,MEFP相较于其他3种材料可以达到更高的速度,聚氨酯作为隔爆材料时,MEFP速度最小,中心EFP与周边EFP速度相同。
2) 在0～100 μs,MEFP长径比随时间变化逐渐增大。相较于其他3种材料,聚氨酯作为隔爆材料时,MEFP长径比最大。
3) 采用聚氨酯作为隔爆材料时,MEFP发散角在80 μs后稳定在0.82°;而聚乙烯、尼龙和铝作为隔爆材料时,周边EFP的发散角随着时间的增长呈现上升趋势。聚氨酯作为隔爆材料时发散角最小,是由于隔爆效果在4种材料中最好。
[1] 尹建平.多爆炸成型弹丸战斗部技术[M].北京:国防工业出版社,2012.
YIN Jianping.Multiple explosive forming projectile warhead technology[M].Beijing:National Defence Industry Press,2012.
[2] 赵长啸,冉东岳,刘凯,等.装药参数对整体式多爆炸成型弹丸成型的影响[J].含能材料,2017(11):79-85.
ZHAO Changxiao,RAN Dongyue,LIU Kai,et al.Influence of charge parameters on the forming of integral multiple explosive forming projectile[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2017(11):79-85.
[3] 赵长啸,龙源,隋元松,等.起爆方式对整体式MEFP战斗部参数的影响[J].陆军工程大学学报,2012,13(5):121-127.
ZHAO Changxiao,LONG Yuan,SUI Yuansong,et al.Effect of detonation mode on parameters of integral MEFP warhead[J].Journal of Army Engineering University of PLA,2012,13(5):121-127.
[4] LIU J F,LONG Y,JI C,et al.Numerical and experimental study on the formation and dispersion patterns of multi-ple explosively formed penetrators[J].Latin American Journal of Solids and Structures.2017,14(4):685-699.
[5] 张洪成,尹建平,王志军.药型罩参数及装药对MEFP效能的影响[J].弹箭与制导学报,2013,33(1):45-53.
ZHANG Hongcheng,YINJianping,WANG Zhijun.The influence of drug type cover parameters and charge on MEFP efficacy[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2013,33(1):45-53.
[6] 吕进,王伟力,李永胜,等.基于环形切割器的串联战斗部隔爆材料的优选[J].弹箭与制导学报,2014,34(5):105-109.
LYU Jin,WANG Weili,LI Yongsheng,et al.Optimization of flameproof material for series warhead based on ring cutter[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2014,34(5):105-109.
[7] 张康,展婷变,谢长友,等.隔板参数对整体式多爆炸成型弹丸成型的影响[J].兵器装备工程学报,2021,42(10):109-114.
ZHANG Kang,ZHAN Tingbian,XIE Changyou,et al.Influence of diaphragm parameters on the forming of integral multiple explosive forming projectile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2021,42(10):109-114.
[8] 朱福林,陈阳.结构形状、材料对新型复合隔爆结构抗爆能力的影响研究[J].爆破,2019,36(3):112-115,140.
ZHU Fulin,CHEN Yang.Study on the influence of structure shape and material on the anti-explosion ability of new composite flameproof structure[J].Blasting,2019,36(3):112-115,140.
[9] 池朋飞,曹兵,史庆杰.EPS泡沫密度对组合式 MEFP 战斗部的隔爆性能研究[J].弹箭与制导学报,2019,39(2):61-67.
CHI Pengfei,CAO Bing,SHI Qingjie.Study of EPS foam density on the flame-proof performance of combined MEFP war-head[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2019,39(2):61-67.
[10] ZHAO C X,QIAN F,XU J G,et al.Influence of structural parameters of drug cover on the forming of integral MEFP[J].Energetic Material,2016,24(5):485-490.
[11] 张琨,隋元松,纪冲,等.两种MEFP战斗部对平面带壳装药起爆能力的数值分析[J].火工品,2021(1):23-26.
ZHANG Kun,SUI Yuansong,JI Chong,et al.Numerical analysis of initiation capability of two MEFP warheads against planar shell charge[J].Initiators and Pyrotechnics,2021(1):23-26.
[12] 曹明阳,王金相,郝春杰,等.成型弹丸的成型及侵彻性能[J].高压物理学报,2017,31(4):486-493.
CAO Mingyang,WANG Jinxiang,HAO Chunjie,et al.Forming and penetration properties of molded projectiles[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2017,31(4):486-493.
[13] 王维占,赵太勇,陈智刚,等.复合杆式射流成型及威力性能的数值模拟及试验验证[J].火炸药学报,2017,40(5):93-97,106.
WANG Weizhan,ZHAO Taiyong,CHEN Zhigang,etal.Experimental verification and numerical simulation on composite rod-type jet molding and power performance[J].Chinese Journal of explosives and propellants,2017,40(5):93-97,106.
[14] 董人玮.强尺寸约束下的组合式MEFP战斗部参数优化[D].北京理工大学,2018.
DONG Renwei.Parameter optimization of combined mefp warhead under strong dimensional constraints[D].Beijing University of Technology,2018.
[15] 池朋飞.紧临装药多EFP成型控制研究[D].南京:南京理工大学,2019.
CHI Pengfei.Study on forming control of adjacent charge multiple EFP[D].Nanjing:Nanjing University of Technology,2019.