曲率半径对爆炸复合侵彻体性能的影响

韩阳阳，尹建平，陈 杰，孙家肖

(中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051)

摘要：为了提高战斗部毁伤性能，设计了一种复合变壁厚球缺型药型罩战斗部，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件研究药型罩曲率半径对爆炸复合侵彻体成型及终点毁伤效应的影响规律。结果表明：不同曲率半径的药型罩均形成向前压拢型复合侵彻体。复合侵彻体的速度与曲率半径呈负相关，长径比随曲率半径的增大先骤增后维持不变。复合EFP对靶板的侵彻具有横向效应，相比纯铜药型罩形成的EFP对靶板的侵彻入孔增大4～8 mm，出孔直径增大10～22 mm。

关键词：爆炸复合侵彻体；曲率半径；毁伤效应；数值模拟

中图分类号：TJ413  文献标识码：A  文章编号：2096-2304(2018)01-0058-04

Analysis of the Effect of Curvature Radius on thePerformance of Explosive Compound Penetration

HAN Yangyang, YIN Jianping, CHEN Jie, SUN Jiaxiao

(School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract: In order to improve the damage performance of warheads, a compound wall-type thick-type liner is designed. ANSYS/L S-DYNA finite element analysis software was used to study the influence of radius of curvature of the liner on the formation and terminal damage effects of explosive compound penetrator. The results showed that the warhead with different curvature radius liner are formed forward pressed type compound penetrator. Compound projectile velocity decreases with the increase of curvature radius, the ratio of length to diameter increases with the radius of curvature of the first surge after the penetration has remained unchanged. The transverse effect of compound EFP on the targets, compared to pure copper liner forming the EFP of target penetration into the hole, it increases 4～8 mm, and a large hole diameter increases 10～22 mm.

Key words: explosive compound penetration; curvature radius; damage effect; numerical simulation

横向效应增强型侵彻体(penetrator with enhanced lateral effect，PELE)是一种基于新型毁伤机理的弹药[1-2]，主要由弹体和内部低密度惰性装填物组成。PELE击中目标后，外壳侵彻靶板，惰性弹芯被挤压在弹坑与外壳之间，弹芯所受压力不断升高，对外壳产生径向作用力使周围外壳膨胀，最终达到扩孔效果。目前PELE研究热点主要集中在影响其横向效应的填充材料、着靶参数以及弹靶参数上[3-5]。Paulus[6]等人对弹芯填充材料对PELE横向效应影响进行了研究。姬鹏远[7]利用数值模拟和实验验证相结合的方法，对PELE侵彻体侵彻靶板的过程进行了研究。张洪成[8]在 PELE的基础上，提出了半预制破片PELE弹丸的概念，分析了刻槽深度和刻槽长度对内槽、外槽式半预制破片 PELE弹丸毁伤性能的影响。

因受横向效应增强型侵彻体作用原理的启发，在传统战斗部形成爆炸成型弹丸毁伤元基础上，作者设计了一种外钢内铝新型复合战斗部，旨在通过侵彻体的横向效应达到增大开孔口径，有效提高战斗部毁伤效果。通过改变药型罩的曲率半径，研究其对战斗部成型及终点毁伤效应的影响规律。

1 模型建立

1.1 战斗部结构设计

战斗部结构示意图如图1，为形成具有类似于PELE侵彻体毁伤机理的包覆式复合侵彻体，该战斗部变壁厚药型罩中间夹层部分材料选为铝，外部罩材为钢，两罩之间不存在自由面。装药直径D1为60 mm，装药长径比H/D1为1，罩顶厚5 mm，罩底厚1 mm。

图1 战斗部结构示意图

1.2 有限元模型的建立

根据战斗部结构特点，运用Truegrid前处理软件建立的复合战斗部侵彻装甲钢的1/2有限元模型，如图2所示。进行毁伤元侵彻钢靶过程数值模拟研究时，起爆方式选取装药底端面中心点起爆，算法选取拉格朗日算法[4-5]，该算法简单快速，能够清晰地对材料边界和界面的变化进行描述，所呈侵彻体的成型过程与现实实际情况非常接近。靶板尺寸为100 mm×100 mm×20 mm，炸高为6倍装药口径。

图2 战斗部侵彻靶板有限元模型

1.3 料模型选择及参数选取

炸药采用*MAT_ HIGH_EXPLOSIVE_BU-RN材料模型、JWL状态方程。药型罩和靶板均采用*MAT_JONSON_COOK材料模型，*EOS_GRUNEISEN状态方程。表1为战斗部各部分材料基本参数。

表1 战斗部材料基本参数

2 曲率半径对侵彻体性能的影响分析

2.1 曲率半径对复合侵彻体成型的影响

药型罩曲率半径是战斗部设计的重要参数之一。在分析药型罩曲率半径的影响时，固定其他结构参数不变，在端部中心点起爆的情况下，数值模拟药型罩外曲率半径R为50～60mm(每种方案增加2.5mm)时复合侵彻体性能变化。毁伤元的终点效应与其接触靶板时刻的状态有直接关系，不同曲率半径形成的侵彻体到达靶板时(炸高6倍口径)成型状态如图3所示。

图3 复合侵彻体着靶时成型状态

由图3可以看出：随着药型罩曲率半径R的增大，战斗部均形成了向前压拢型的复合EFP。图4、图5表示EFP速度与长径比分别随曲率半径变化曲线。可以得到：复合侵彻体的速度与曲率半径近似呈反比关系；曲率半径在50～52.5 mm时，曲率半径的变化对形成的EFP长径比影响较大，EFP长径比随着曲率半径的增大而增大；曲率半径在52.5～60 mm时，随着药型罩曲率半径逐渐增大，EFP长径比基本维持在2.1附近，变化不大。

2.2 曲率半径对侵彻体毁伤效应的影响

图6表示不同曲率半径时，复合侵彻体对靶板的侵彻压力云图。分别取侵彻体刚开始着靶、刚开始穿透靶板以及完全贯穿靶板三个典型时刻进行对比分析。可以看出，复合侵彻体对靶板的侵彻主要有两个明显的作用区域：一是EFP对靶板正面的压缩剪切区域；二是靶板背面材料的拉伸破坏区域。

复合EFP对靶板的侵彻孔径随着侵彻深度增加而增大，这是由于侵彻体内部为低密度材料，外部为高密度材料时，内外材料物理特性差异大，随着复合EFP对靶板的侵彻，钢材部分EFP受到靶板作用面积越来越大，所受压力不断增大，内部铝材受到约束与压缩，产生高压，在此压力作用下，外层的钢材质毁伤元产生径向膨胀，进而达到对靶板的扩孔，即横向效应。

不同曲率半径形成的毁伤元对靶板的侵彻效果仿真如图7所示，曲线如图8。曲率半径R越大，侵彻体对靶板的侵彻入孔越小；复合罩形成的EFP对靶板侵彻的出孔直径相对入孔直径增加了12～23 mm；相同战斗部结构，当药型罩为铜时，曲率半径对铜罩成型无影响；复合EFP对靶板的侵彻入孔直径比铜材质EFP大4～8 mm，出孔直径大10～22 mm。由因此设计的新型复合药型罩战斗部毁伤效果较普通纯铜药型罩战斗部更好。

图4 毁伤元速度随外曲率半径变化曲线

图5 毁伤元长径比随外曲率半径变化曲线

图6 不同曲率半径时靶板破坏过程

图7 不同曲率半径时靶板最终破坏效果(正视图、1/2侧视图)

图8 不同毁伤元对靶板侵彻结果曲线

3 结论

1) 不同曲率半径的药型罩形成的毁伤元均呈向前压拢状态，随着曲率半径逐渐增大，复合EFP速度逐渐减小，长径比先增大然后几乎保持不变。

2) 复合EFP对靶板的侵彻具有横向效应。相比铜材质药型罩，复合药型罩对靶板侵彻的入孔直径增大4～8 mm，出孔直径大10～22 mm。

参考文献：

[1] PAULUS G,SCHIRM V.Impact behaviour of PELE projectiles perforating thin target plates[J].International Journal of Impact Engineering,2006,33(1/12):566-579.

[2] JO J H,LEE Y S.Numerical Simulation of Failure Mechanism of PELE Perforating Thin Target Plates[J].Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A,2012,36(12):1577-1583.

[3] 王海福,殷艺峰,金学科,等.梯度密度弹芯材料PELE侵彻行为数值模拟[J].北京理工大学学报,2013.

[4] PEDERSEN B. PELE at hypervelocity[C].26th International Symposium on Ballistic.Miami,Florida,USA,12 -16 September, 2011:209-211.

[5] 朱建生,赵国志,杜忠华,等.着靶速度对PELE横向效应的影响[J].力学与实践,2007,29(5):12-16.

[6] PAULUS G,CHANTERET P Y,WOLLMANN E.PELE:A new penetrator-concept for the generation of lateral e ffects[C].Adelaide,Australia,2004(4)：19-23

[7] 姬鹏远.侵彻膨胀弹终点效应数值模拟研究[D].北京:北京理工大学,2007.

[8] 张洪成.PELE对低空目标毁伤性能研究[D].太原：中北大学,2013.

[9] 林加剑,任辉启,沈兆武,等.Lagrange法在EFP成型和侵彻模拟中的应用[J].兵器材料科学与工程,2013(2):27-30.

[10] LSTC inc.LS-DYNA Keyword user’s manual(Version 970) [M].北京:水利水电出版社,2008.