包覆式活性EFP成型机理与规律研究

为研究包覆式活性爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectiles,EFP)成型机理及药型罩结构对成型行为的影响规律,采用Lagrange和Euler组合算法开展包覆式活性EFP成型过程数值模拟。数值模拟结果首先揭示包覆式活性EFP成型机理,其典型包覆成型过程主要包括轴向双罩碰撞阶段、径向包覆闭合阶段和金属前驱侵彻体拉伸阶段。在轴向双罩碰撞阶段,双罩通过多次碰撞-分离-碰撞过程,实现轴向加速和动能传递;在径向包覆闭合阶段,金属罩向前折叠,其后部实现对活性罩完全包覆,前部形成速度梯度明显的金属前驱侵彻体;随后,金属前驱侵彻体随时间逐渐拉伸,甚至断裂。进一步得到紫铜罩和活性罩形状参数对包覆成型的影响规律,随紫铜罩边缘厚度从2.0 mm减小到0.5 mm,包覆闭合时间从57.9μs减小到23.9μs,同时头部速度从1851 m/s增大到2370 m/s,侵彻体长度从76 mm增大到110.5 mm;随紫铜罩曲率半径从60 mm减小到40 mm,包覆闭合时间从42.1μs减小到28.1μs,同时头部速度从1789 m/s增大到2242 m/s,侵彻体长度从66 mm增大到100 mm;随活性罩厚度由6 mm减小至2 mm,包覆时间从52.0μs减小至32.1μs,活性罩质量从6.47 g降低至2.37 g;随活性罩直径由32 mm减小至16 mm,包覆时间从34.4μs减小至30.8μs,活性罩质量从6.42 g降低为1.61 g。研究结果可为包覆式活性EFP聚能装药设计提供指导和参考。

不同药型罩结构对环形EFP成型及侵彻性能影响的数值模拟

为研究不同药型罩结构对环形EFP成型及侵彻性能的影响,利用LS-DYNA动力学分析软件对环形药型罩进行了数值模拟与对比分析。首先设计了环锥形罩、环半球罩和环亚半球罩3种典型药型罩结构,数值模拟发现环亚半球罩成型的环形EFP成型效果最好、侵彻效果最优,但成型过程环形EFP的姿态仍然具有向外偏斜的趋势。进一步采用变壁厚设计思路,对环亚半球罩进行了优化设计,当壁厚偏移量取0.15时,成型的环形EFP不仅具有优良的飞行稳定性,还具有最好的成型和侵彻效果。本研究对于环形药型罩结构设计具有一定的指导意义。

镍合金EFP威力性能数值模拟研究

为了探究新型镍合金EFP的威力性能,研究了向后翻转型和向前压拢型2种成型方式下镍合金EFP的成型过程。基于侵深威力较优的向后翻转型EFP结构,分析了药型罩曲率半径、壁厚、侵彻速度和靶厚对侵彻威力的影响规律。研究发现:随着外曲率半径的增大,侵彻深度随之先增大后减小,孔径则先减小后增大;随着药型罩壁厚的增大,对靶板的侵彻深度先增大后减小,孔径逐渐增大;随着侵彻速度的提升,镍合金EFP对半无限靶板侵彻深度先增大后减小,孔径逐渐增大,对穿透薄靶后的后效靶的有效毁伤面积逐渐增大;而随着靶板厚度的增大,镍合金EFP对后效靶的有效毁伤面积逐渐减小。试验结果与仿真结果一致性较好,研究结论可为EFP战斗部结构设计提供关键技术借鉴。

EFP模拟弹靶后碎片云特性数值模拟研究

为探究头部密实且小长径比的爆炸成型弹丸(EFP)后效碎片云特性,研究中采用FEM-SPH算法,针对长径比为1.2的紫铜和镍合金两种EFP模拟弹开展碎片云形成过程分析并进行拓展研究。研究发现:小长径比弹丸侵彻后效碎片云呈现由微小弹靶碎片组成的椭球状结构,弹丸尺寸和侵彻速度的增大使靶后形成数量更多且速度更高的碎片云,镍合金剩余弹丸以镦粗状存在于碎片云头部,对后效靶造成二次侵彻,而紫铜破片破碎程度较大,对后效靶形成较大面积毁伤区;在弹丸密度一定的情况下,靶板强度主要影响碎片云轴向膨胀能力,而对于不同弹靶材料,碎片云径向膨胀能力主要取决于弹靶材料密度比ρ_(b)。研究结论对EFP战斗部后效威力设计具有重要意义。

基于AUTODYN的EFP动能干扰协同作用仿真研究

为提高传统特种能源成型干扰器(EFP)侵彻部的侵彻范围和干扰效果,通过对EFP侵彻部进行结构优化,在不影响EFP成型的基础上,将预制破片和EFP侵彻部这2种干扰元进行融合,形成EFP动能干扰复合侵彻部。采用AUTODYN有限元分析软件将动能干扰侵彻部的壳体结构和药型罩外形对破片运动状态和药型罩变形情况的影响进行数值模拟。结果表明,采用球缺形药型罩有利于形成EFP;当壳体与水平角度在-8°~-10°范围内,预制破片和形成的EFP速度最大,可增大侵彻部的干扰效果。

球缺型EFP在不同介质中的成型形态及侵彻性能研究

为了研究不同介质对变壁厚球缺罩形成爆炸成型弹丸的影响,设计了直径为12 cm中间厚、边缘薄的变壁厚球缺型聚能装药。利用LS-DYNA软件对不同介质中EFP的形成与侵彻进行了数值模拟,重点探讨不同长度空气和水介质对球缺型EFP成型形态及侵彻性能的影响。研究表明:变壁厚球缺罩型聚能装药在水中无法翻边和压合成EFP,EFP形成需要在药型罩前端增加一段空气,其空气长度对EFP入水形态、水中形态以及速度分布有明显的影响。水介质对未成型EFP形态有自锻作用,对成型EFP形态改变较大,使得前者水中侵彻性能相对优于后者。不同长度的空气和水介质影响下变壁厚球缺型EFP仍具有穿透3 cm靶板的威力,能满足灭雷具不同作战工况下的毁伤效能要求。

单点起爆形成多模式EFP的可行性研究

针对同一成型装药形成多模毁伤元问题,利用LS-DYNA程序,研究了单点起爆位置对爆炸成型侵彻体(explosively formed penetrator,EFP)成型的影响规律。当起爆点距离药型罩的轴向距离从0倍装药口径增加到0.72倍装药口径,EFP速度提高了37.8%,长径比增加了1倍多;优化设计成型装药结构,分析了主装药端面中心点起爆和药型罩顶点起爆爆轰波传播规律,实现了杆式EFP、EFP 2种模态的转换。通过X光成像实验进行了验证,实验结果与数值模拟结果吻合较好。

综合效应MEFP成型过程的数值仿真

为了扩展EFP战斗部在新型智能弹药中的应用,设计了一种可成型一个主EFP和周向16个辅EFP的综合效应MEFP装药结构。应用AUTODYN软件研究了药型罩结构参数对这种MEFP战斗部成型效果的影响。结果表明:辅药型罩曲率半径和壁厚对辅EFP的形状和速度影响较大,辅EFP飞散角随辅药型罩倾角的增大而明显减小,合理选取各参数值,可获得动能较大、形状接近球形、飞散角小的辅EFP,从而提高毁伤效能。

单尾裙式EFP超音速气动特性及飞行稳定性研究

飞行稳定性对爆炸成型弹丸(EFP)的存速能力和着靶姿态有直接显著的影响,进而影响EFP远距离飞行后的侵彻威力。为了获得低阻且飞行稳定的EFP构型,针对超音速(马赫数为4~7)飞行的单尾裙式EFP,数值研究了结构参数(尾裙角为0°~25°、尾裙长与总长之比为0.2~0.7、长径比为3~7、实心长与总长之比为0.2~1)对EFP的升力系数、阻力系数、静稳定储备量等气动参数的影响规律。结果表明:升力系数、阻力系数与尾裙角、尾裙长和长径比均呈正相关。静稳定储备量与尾裙角和长径比均呈正相关,随尾裙长的增大,其先增大后减小。实心长对EFP的升力系数、阻力系数和压心位置几乎无影响,但实心长通过改变EFP质心位置进而影响静稳定储备量。当尾裙角为20°、尾裙长与总长比为0.265、实心长与总长比为0.755及长径比为5时,单尾裙EFP结构兼具较低的阻力和良好的飞行稳定性。探究了马赫数和攻角对该型EFP的升阻力系数和静稳定储备量的影响规律,结果表明:马赫数越大,阻力系数越小;攻角越大,阻力系数和静稳定储备量越大。研究结果从空气动力学角度为具有高侵彻性能EFP战斗部的设计提供参考。

药型罩壁厚对EFP成型性能影响试验

为了得到EFP成型性能与药型罩壁厚之间的关系,进行了不同药型罩壁厚的EFP侵彻钢靶板实爆试验。通过网靶测速、EFP对40 mm钢靶板的破孔深度和大小试验,获得了大量EFP速度、破孔深度和大小等数据。试验结果表明:药型罩壁厚对EFP速度和侵彻能力的影响很大,在适当的壁厚条件下EFP能穿透40mm钢靶板。在试验数据分析基础上,得到了药型罩壁厚与EFP的速度和侵彻深度之间的关系和σ/Dk

球缺型EFP战斗部结构优化设计研究

该文采用正交优化设计方法,利用数值模拟手段,对球缺型EFP战斗部优化设计进行研究。分析了战斗部结构参数对EFP成型性能的影响规律,优化得到了口径为Φ65 mm的变壁厚球缺型EFP装药结构方案。该装药形成的EFP速度约为2.5 km/s、长径比约为3.15,对应方案的EFP外形及速度的X光试验结果与仿真计算结果吻合较好。

多点起爆装药结构参数对尾翼EFP成型的影响

采用LS-DYNA建立三组多点起爆爆炸成型弹丸(EFP)装药数值模型进行计算,系统研究了起爆点数量(N)、起爆环直径(DI)、装药长径比(LC/DC)等结构参数对尾翼EFP成型性能的影响规律。研究结果表明:起爆点数量、起爆环直径、装药长径比对尾翼EFP的速度、长径比和翼径比等基本性能均有显著影响;起爆点的数量N与所形成尾翼的数量相同,N=4时翼径比最大,增加起爆环直径和装药长径比是提高EFP速度和长径比最为有效和直接的途径。对不同曲率半径的等壁厚和变壁厚球缺罩对比分析,结果表明采用变壁厚球缺罩更有利于获得形态良好的尾翼EFP,并且N取4、DI取40 mm、LC/DC取0.8为宜。

三点起爆形成尾翼EFP的数值模拟和实验研究

利用LS-DYNA软件对三点起爆形成尾翼EFP的过程进行了数值模拟,深入研究了爆轰波传播过程中的波形结构和强度的变化规律以及药型罩材料在复合爆轰波作用下驱动变形的特性和规律,加深了对三点起爆条件下药型罩形成带尾翼EFP机理的认识。在此基础上,设计了三点同步起爆装置和EFP装药进行实验。研究结果表明:设计的三点起爆装置作用可靠,满足三点起爆EFP装药的设计要求;形成的EFP弹形稳定,与计算结果吻合较好;尾翼EFP飞行过程中的速度降减小,稳定性提高。

装药长径比对EFP动能影响的数值模拟研究

采用 LS-DYNA3D 对爆炸成型弹丸(EFP)的成型过程进行了数值模拟.其模拟结果与实验数据基本一致。通过数值模拟分析了装药长径比 L/D 对 EFP 动能的影响并对有关数据进行了拟合,得出了装药长径比和 EFP 动能之间的关系式,对 EFP 设计具有实际意义。

EFP水中飞行特性及侵彻间隔靶的仿真与试验研究

针对爆炸成型弹丸(EFP)战斗部在水下弹药的应用问题,利用LS-DYNA有限元软件,仿真研究了EFP在水中的速度衰减与质量损失规律及对不同距离的间隔靶侵彻规律,并通过高速摄影试验进行了试验验证。结果表明,EFP入水后形态极不稳定,质量急剧减小甚至碎裂,随着在水中飞行距离的增加质量逐渐减少至初始质量的1/3~1/5,EFP在水中速度先以线性下降后呈指数规律衰减,且EFP飞行2.5倍装药直径距离可贯穿5 mm靶板,但是EFP飞行超过5倍装药直径时已不具有侵彻能力。

复合药型罩EFP的形成及数值模拟

设计了两种可形成复合EFP的复合药型罩装药结构,即内层等壁厚、外层变壁厚以及内层变壁厚、外层等壁厚的复合药型罩。通过数值模拟及破甲毁伤实验,对复合EFP的形成和透靶毁伤效果进行了研究。结果表明,两种装药结构都可以形成复合EFP。与内层等壁厚、外层变壁厚组成的复合药型罩相比,内层变壁厚、外层等壁厚形成的药型罩效果更好,其后效毁伤区域更大。与单层EFP相比,复合药型罩形成的EFP对目标的毁伤后效效果更好。

弧锥结合罩的结构参数对EFP成型的影响

运用LS-DYNA仿真软件研究了弧锥结合罩的结构参数对形成侵彻体的影响规律。采用中心点起爆方式,通过改变弧锥结合罩的圆弧曲率半径、锥角和壁厚,对比分析形成的侵彻体性能规律,得出药型罩结构参数对EFP速度、长径比等成型参数的影响规律,拟合得到变化曲线及曲线方程。结果表明:弧锥结合罩的圆弧曲率半径、锥角和壁厚存在最优值。基于研究结果优化设计了一种弧锥结合形药型罩,仿真得到了成型形态和成型参数都较佳的EFP,为多模战斗部的进一步设计提供参考依据。

爆轰波形对EFP性能影响的数值模拟

文中利用ANSYS/LS-DYNA软件,通过改变起爆方式(点起爆、环形起爆及平面起爆)产生不同的爆轰波形(球面波、喇叭波及平面波),对不同爆轰波形作用下EFP的成型过程进行了数值模拟,对不同爆轰波作用下EFP的成型性、飞行稳定性及穿甲能力进行了比较,从而得出不同爆轰波形对EFP性能的影响。结果表明:平面波、喇叭波作用下所形成的EFP较球面波作用下所形成的EFP有更高的性能。

双层药型罩EFP战斗部性能参数的灰色系统理论分析及实验研究

通过LS-DYNA有限元软件计算得到不同装药结构的双层药型罩爆炸成型弹丸(EFP)战斗部成型侵彻体的特征参数,利用灰色系统理论分析了药型罩材料密度、曲率半径、厚度比以及装药密度、装药长径比(L/D)对成型侵彻体不同特征参数的影响规律。基于灰色系统理论分析结果设计了不同装药结构的双层药型罩EFP战斗部并进行了毁伤效应实验研究。实验结果表明当内外药型罩的厚度比为1.33时,双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体的侵彻深度达到0.67倍装药口径,是具有相同装药结构EFP战斗部成型侵彻体侵彻深度的两倍左右;具有Cu-Cu或Cu-Fe药型罩组合方式的双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体在侵彻深度方面的能力大致相当,但是Cu-Cu药型罩组合方式的战斗部成型侵彻体侵彻钢板的形状近似呈圆形。

基于爆炸成型弹丸(EFP)的大锥角喇叭罩成型规律

为了进一步拓展适用于爆炸成型弹丸(EFP)的药型罩结构,基于弧锥结合罩结构,提出了一种可形成密实EFP的大锥角喇叭罩。根据药型罩结构特点,分析了大锥角喇叭罩与传统弧锥结合罩和球缺罩在压垮过程中的区别和特点;运用LS-DYNA数值模拟软件,计算得到了大锥角喇叭罩的结构参数(虚拟罩高、喇叭曲率半径、圆弧曲率半径和罩厚)对EFP侵彻体速度、长度、密实度等成型参数的影响规律。结果表明,大锥角喇叭罩罩厚对侵彻体的影响主要体现在头部速度,虚拟罩高和圆弧曲率半径则决定了侵彻体长度及密实度,而喇叭曲率半径则主要影响侵彻体头部的成型状态;与传统弧锥结合罩和球缺罩形成的EFP相比,相同质量的大锥角喇叭罩形成的EFP在头部速度、长度、长径比及密实度等方面均具有一定优势,可将侵彻体密实度提高1~3.5倍,具有应用于EFP战斗部的潜力;其适用于较佳EFP成型时各结构参数的取值范围为:虚拟罩高0.14~0.16倍装药直径,喇叭曲率半径1.5倍装药直径以上,圆弧曲率半径0.4~0.8倍装药直径,罩厚0.04~0.045倍装药直径。