刻槽式多爆炸成形弹丸对双层有限厚钢靶侵彻能力及后效研究

相升海，徐文龙，2，唐恩凌，李然，张健，龙腾宇，赵玉荣

(1.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁沈阳110159;2.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081;3.东北工业集团有限公司 吉林江机公司，吉林 吉林132021;4.北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京100124)

0 引言

在现代反装甲弹药中，绝大部分采用的是对付重型装甲的穿甲弹和单一爆炸成形弹丸(EFP)战斗部，它们对厚重装甲目标具有较高穿透率，但对大量、防护相对较弱的集群装甲运兵车、侦察车、指挥车、发射架、雷达站、导弹阵地、武装直升机、地面装备器材和人员等目标的毁伤效能不高。多爆炸成形弹丸(MEFP)战斗部可以在保证一定侵彻威力的前提下，形成多个爆炸成形弹丸，而且按一定的飞散方向分布在一定空间内，对目标进行大密度攻击，造成大面积毁伤，能有效提高弹丸命中和毁伤装甲目标的概率，因此成为国内外战斗部技术研究的热点［1-3］。

在MEFP 战斗部研究方面，付璐等应用显式有限元程序LS-DYNA，分析了药型罩间距、锥角、壁厚、装药高度和装药直径对组合式MEFP 结构发散角的影响过程［4］;周翔等对含有7 枚子装药的组合式MEFP 结构的形成过程及发散角影响因素进行了数值仿真研究［5］;李裕春等利用LS-DYNA 有限元软件对切割式MEFP 的弹丸形成过程进行了数值模拟，分析了药型罩的变形、蜂巢结构的切割特性和MEFP 的速度和空间分布特点［6］;王猛等对刻槽式MEFP 进行了实验研究，证明了刻槽式MEFP 的可行性［7］。

与其他类型MEFP 战斗部相比，刻槽式MEFP战斗部能有效提高炸药利用率。本文基于ANSYS/LS-DYNA 软件研究了影响刻槽式MEFP 对双层有限厚钢靶的侵彻能力的主要因素，同时对刻槽式MEFP 侵彻双层有限厚钢靶后效进行了研究。

1 计算模型与MEFP 战斗部

1.1 计算模型

计算模型如图1所示，主要由MEFP 战斗部和靶板组成。MEFP 战斗部与靶板的距离为20 000 mm，靶板为两层厚15 mm 的45#钢靶，计算中，靶板选用Johnson-Cook 材料模型和Gruneisen 状态方程。

1.2 刻槽式MEFP 战斗部

刻槽式MEFP 战斗部主要由炸药、壳体和药型罩等组成。炸药类型为黑索今(RDX)炸药，计算中，材料模型选用高能炸药爆轰模型，状态方程选用JWL 状态方程，表达式为

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

式中:A、B、R1、R2和ω 为JWL 状态方程常数;p 为爆轰产物压力;E 为RDX 炸药具有的比内能。所用参数值为E=10 GPa，A=564 GPa，B=6.801 GPa，R1=4.1，R2=1.3，ω=0.36，炸药密度ρ0=1.7 g/cm3，炸药中爆轰波的传播速度v=8.4 km/s，炸药爆轰压力pc=30 GPa;壳体材料为铝，密度ρ=2.8 g/cm3，药型罩材料为紫铜。计算中，均使用Johnson-Cook 材料模型和Gruneisen 状态方程，在Johnson-Cook 模型中，屈服应力σy表示为

图2 战斗部实物及其计算模型Fig.2 Warhead and its calculation model

1.3 刻槽式MEFP 战斗部的药型罩

与普通EFP 战斗部相比，刻槽式MEFP 战斗部的特点是在药型罩上有预制刻槽。文中研究的刻槽式MEFP 战斗部的药型罩沿圆周120°间隔被Ⅴ型刻槽均匀地分成3 部分，药型罩顶端开有通孔。试验中，药型罩为变壁厚，以药型罩顶端壁厚为基准，药型罩内面相对曲率半径27.2;外面相对曲率半径25.2;中心孔相对直径为0.45;从中心孔到罩沿刻槽深度不变，相对刻槽深度为0.421.药型罩及其计算模型如图3所示。

图3 药型罩及其计算模型Fig.3 Liner and its calculation model

1.4 算法设置及边界条件

模型采用拉格朗日算法，单点起爆，起爆点位于装药底部中心;设置药型罩自身单面接触;药型罩与炸药为滑移接触算法;炸药与壳体、药型罩与靶板及两块靶板间采用侵蚀接触算法;在靶板边界处施加非反射边界。

2 计算结果及分析

2.1 刻槽式MEFP 对双层有限厚钢靶侵彻能力的研究

2.1.1 弹丸成型形状的研究

刻槽式MEFP 战斗部理想弹丸形状为弹丸成型后头部与尾部位于同一条直线，因此对于弹丸形状的研究是弹丸侵彻能力研究的一部分。以试验所用药型罩尺寸为研究对象，以药型罩顶端壁厚为基准，图4为不同刻槽深度与不同装药长径比弹丸形状图，图4(a)～图4(d)展示了装药长径比L =1.0时，相对刻槽深度H 分别为0.631、0.602、0.526、0.481 时所得到弹丸的形状;图4(d)～图4(h)为相对刻槽深度H = 0.481 时，装药长径比L 分别为1.0、0.8、0.9、1.1、1.2 时所得到弹丸的形状。由图4(a)～图4(d)可见，在装药长径比L 不变，只改变刻槽深度H 的情况下，弹丸形状完全不同，H =0.631 时，弹丸尾翼较小;H =0.602 时，弹丸尾翼大小约为弹体一半;H =0.526 时，弹丸尾翼与头部压合在一起;H=0.481 时，弹丸尾翼不明显，弹丸头部与尾部近似一条直线。由图4(d)～图4(h)可见，在刻槽深度H 不变，只改变装药长径比L 的情况下，弹丸形状基本相同(弹丸大小不同是视场不同导致的)，故装药长径比对弹丸的形状影响很小。因此，弹丸的形状可以通过改变刻槽深度H 进行控制，弹丸速度可以通过装药长径比L 进行控制。

2.1.2 着靶姿态对侵彻的影响

药型罩在炸药爆轰波作用下翻转并沿刻槽处发生断裂，炸药爆轰波的径向作用力使断裂的药型罩交叉飞散。图5为交叉飞行后的MEFP 飞散图，由图5可见弹丸成型后头部与尾部不在同一直线，579 μs 时弹丸头部朝向与弹丸轴向速度方向一致，每个弹丸在径向飞散的同时各自沿背离其轴向速度的方向旋转，1 620 μs 时弹丸头部朝向与弹丸轴向速度方向相反，5 000 μs 时弹丸头部朝向与弹丸轴向速度方向一致。经过对不同刻槽方式、不同药型罩厚度及不同装药长径比条件下对比分析发现:药型罩在沿轴向飞行、沿径向飞散的过程中，每个弹丸各自沿背离其轴向速度的方向旋转，以图5弹丸为例其周期约为5 000 μs，在此期间弹丸轴向飞行9 ～10 m.

图4 不同刻槽深度与装药长径比弹丸形状图Fig.4 The shapes of projectiles with different groove depths and length-to-diameter ratios of charge

图5 MEFP 飞散图Fig.5 The dispersion of MEFP

弹丸各自沿背离其轴向速度方向的旋转直接影响了弹丸的着靶姿态。图6为相同的弹靶距离时，刻槽深度与装药长径比不同的弹丸着靶姿态，其不同着靶姿态主要是由不同的轴向速度及旋转造成的。图6(a)为尾翼着靶，其穿孔直径较图6(b)整体着靶小，但其穿靶过程中侵蚀少，有较好的穿靶深度，能穿透双层15 mm 厚45#钢板，而相同情况下整体着靶则无法穿透。

图6 不同着靶姿态Fig.6 The different target impact attitudes

图7为同一刻槽式MEFP 战斗部通过调节弹靶距离获得的不同着靶姿态下弹丸对双层20 mm 厚45#钢靶的侵彻效果图。图7(a)为弹丸头部着靶时的侵彻图，由图可见，弹丸头部首先着靶尾部在后，穿靶后弹丸仍有一定质量，主要是因为药型罩为变壁厚，头部厚度大于尾部;由弹丸尾部着靶时的侵彻图7(b)可知，弹丸尾部首先着靶头部在后，穿靶后弹丸消失。因此弹丸头部着靶侵彻能力最好，尾部着靶其次，整体着靶较弱。

2.1.3 药型罩厚度对侵彻深度的影响

在药型罩内外面曲率半径等条件不变下，研究采用弹丸头部着靶时，药型罩顶端厚度D 分别为1.0、1.15、1.3、1.45、1.6、1.75、1.9 对双层有限厚钢靶的侵彻深度。

图7 不同弹靶距离侵彻图Fig.7 The penetrations at different target distances

图8为药型罩相对顶端厚度与其对双层有限厚靶板的侵彻深度关系图(图中侵彻深度指弹丸可以穿透的单层靶板厚度)。由图8可知，当D =1.3时，弹丸的穿靶深度最大，可以侵彻贯穿双层厚27 mm 的45#钢靶。产生这种现象的原因是:当D ＜1.3 时，药型罩速度较大，但其厚度小、抗侵蚀能力弱而无法穿透较厚的靶板;当1.3 ＜D ＜1.75 时，随着药型罩厚度的增加其速度减小，速度的减小增加了弹丸的侵蚀量，弹丸增加的侵蚀量抵消了药型罩厚度的增加，故无法穿透较厚的靶板;当D ＞1.75时，药型罩的抗侵蚀能力较强，但其速度较小而无法穿透较厚的靶板;因此当D =1.3 时其侵彻能力较强。

2.2 刻槽式MEFP 对双层有限厚钢靶侵彻后效的研究

对装药长径比L 分别为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6时，不同相对刻顶端槽深度H 分别为0.421、0.481、0.526、0.602、0.631 侵彻双层厚15 mm 钢靶的后效进行研究，得到如图9、图10所示的关系图，va为弹丸稳定后的轴向速度，vr为弹丸穿靶后的速度，vl为弹丸穿靶后的速度损失，vl= va-vr，η 为弹丸速度损失率，

图8 药型罩顶端厚度与侵彻深度关系图Fig.8 The relationship between liner thickness and penetration depth

图9 弹丸速度与相对刻槽深度和装药长径比关系图Fig.9 The relationship among EFP speed，relative groove depth and length-to-diameter ratio of charge

图9和图10表明:

1)从整体上看，相对刻槽深度较深的刻槽式MEFP 战斗部，出现弹丸破碎的概率高;刻槽深度较浅的刻槽式MEFP 战斗部，出现弹丸破碎的概率低。

2)与刻槽深度相比，装药长径比对刻槽式MEFP 战斗部轴向速度的影响更明显，轴向速度随装药长径比的增加而增大，当L ＞1.4 时，随装药长径比的增加轴向速度几乎不再增大。

3)刻槽深度较浅的槽式MEFP 战斗部在侵彻厚度为15 mm 的双层钢靶时，速度损失率较小。

图10 弹丸速度损失率与相对刻槽深度和装药长径比关系Fig.10 The relationship among loss rate of speed，relative groove depth and length-to-diameter ratio of charge

3 试验验证

对装药长径比L = 1.0，相对刻槽深度H =0.421 的刻槽式MEFP 战斗部进行试验。试验现场布置如图11所示。

图11 试验现场布置Fig.11 The experimental arrangement

试验测得弹丸速度为1 850 m/s，计算值为1 904 m/s，误差3%;图12为第一层靶板正面侵彻图，计算出的弹孔为椭圆形(见图12(b))，三孔呈等边三角形，与试验弹孔(见图12(a))相似，计算出的3 个弹孔的间距为48 cm，试验为46 cm，误差4%;图13为第二层靶板背面侵彻图，计算出的第二层靶板背面花瓣形破坏与试验钢靶破坏形式相似，弹孔近似为圆形，试验测得3 个弹孔直径平均值为100 mm，计算值为97 mm，误差3%.计算结果与试验结果对比，二者基本相符。

图12 第一层靶板正面Fig.12 The front of the first target

图13 第二层靶板背面Fig.13 The back of the second target

4 结论

1)药型罩分裂后各个弹丸沿背离其轴向速度的方向旋转，药型罩轴向速度、旋转速度、弹丸与靶板距离影响弹丸的着靶姿态，不同弹丸着靶姿态导致其侵彻能力不同。

2)其他条件不变，装药长径比对弹丸形状影响很小，刻槽深度对弹丸形状影响较大。

3)其他条件不变，药型罩厚度增加时，弹丸轴向速度逐渐减小，弹丸轴向速度的减小增加了药型罩侵彻时的侵蚀量，基于侵彻能力角度的药型罩厚度存在最优值，其值为D=1.3.

4)与刻槽深度相比，装药长径比对刻槽式MEFP 战斗部轴向速度的影响更明显，刻槽式MEFP战斗部的轴向速度随装药长径比的增加而增大，当L ＞1.4 时，随装药长径比的增加轴向速度几乎不再增大。

References)

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