多点起爆对双层药型罩爆炸成型弹丸成型及侵彻特性的数值模拟研究

起爆方式对双层药型罩爆炸成型弹丸（EFP）成型特征参数及终点毁伤效应具有重要影响。基于双层药型罩EFP战斗部静爆试验结果,利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元动力学软件研究了起爆点数目对双层药型罩EFP战斗部成型及侵彻特性的影响规律。研究结果表明：当起爆点数目在4～8时,双层药型罩EFP战斗部可起爆成型具有良好空气动力学特性及优良终点毁伤效应的带尾翼大长径比聚能侵彻体;当起爆点数目为6时,双层药型罩EFP战斗部成型侵彻体终点毁伤效应的最大侵彻深度达到1.07倍的装药口径,较端面单点中心起爆方式获得侵彻体侵彻钢靶的最大深度提高了32%.     

起爆环半径对双层药型罩爆炸成形弹丸成形和侵彻特性的影响

起爆方式对双层药型罩爆炸成形弹丸(EFP)成形特征参数和终点毁伤效应有重要影响。利用ANSYS/LS-DYNA非线性有限元动力学软件研究了起爆环半径对双层药型罩EFP战斗部成形和侵彻特性的影响规律。研究结果表明,当起爆环半径的相对值φ为0.33~0.67时,随着起爆环半径相对值的增大炸药的能量利用率和侵彻体的特征参数显著提高。与端面单点中心起爆方式相比,当起爆环半径相对值为0.5时,双层药型罩EFP战斗部稳定成形侵彻体获得的动能增长了约19.7%,侵彻体的长径比增大了1.15倍,战斗部终点毁伤效应的最大侵彻深度约为1.14倍的装药口径。     

同轴式多罩体EFP战斗部成型与侵彻的仿真分析

为提高爆炸成型弹丸(explosively formed penetrators,EFP)战斗部侵彻钢靶目标的深度,设计多层药型罩EFP战斗部装药结构.利用ANSYS/LS-DYNA软件,对5种药型罩层数的EFP战斗部成型和侵彻间隔靶板进行数值模拟,分析不同层药型罩的EFP战斗部对炸药能量利用率及穿深能力.结果表明:多层同材料的球缺型药型罩堆叠、贴合放置可形成多个分离的同轴EFP,与单层药型罩结构相比,多层药型罩结构形成串联EFP对炸药能量利用率更高,具有更大的穿深能力,对靶板侵彻后效更强,其中3层和5层结构侵彻深度提高63.4％.     

多层串联EFP成型及侵彻对比分析研究

为了研究多层串联EFP的成型及侵彻特性,设计了一种同轴放置的多层球缺药型罩战斗部。运用ANSYS/LS-DYNA软件首先对三层球缺药型罩的成型和侵彻过程进行仿真分析,然后与相同结构的双层串联EFP的成型及侵彻结果进行对比。结果表明:相同结构的两种串联EFP对100mm厚装甲钢靶的侵彻深度基本相同(侵深约1.1倍装药口径);两种EFP获得的总动能基本不变,但双层EFP内外层罩各转移了整体动能的15%到三层串联EFP的中层罩上,重新分配各层EFP的动能。本研究可为多层串联战斗部设计提供参考。     

爆炸成型弹丸性能参数灰关联分析

为了分析药型罩和装药参数对爆炸成型弹丸成型的影响,采用数值模拟方法计算出18种不同方案下EFP成型后的性能参数,基于灰理论对影响EFP成型性能的参数进行了灰关联分析.结果表明:影响EFP速度的主要因素依次为装药爆速、装药密度、药型罩锥角、装药高度、药型罩材料密度、药型罩壁厚;影响EFP长径比的主要因素依次为装药爆速、装药密度、药型罩材料密度、装药高度、药型罩锥角、药型罩壁厚;研究结果可为EFP战斗部优化设计和毁伤性能的提高提供参考.     

多点起爆方式对EFP侵彻能力增益的研究

为了提高爆炸成型弹丸EFP的侵彻能力,选择环形多点起爆的方式形成EFP侵彻体。利用有限元程序LS-DYNA模拟不同起爆半径、药型罩弧度半径和药型罩切边角对EFP成型的影响规律,通过优化得到了2个成型较好的EFP结构。结果表明:相比中心点起爆方式,多点起爆方式形成的2个EFP速度分别提高了14%和11.6%,长径比分别提高了100%和13.2%,密实度分别提高了95.3%和72.1%,侵彻深度分别提高约1.54倍和0.378倍。3个参数中,起爆半径和药型罩弧度半径对EFP的速度、长径比影响较大,对密实度影响较小; 药型罩切边角对EFP的密实度影响较大。     

网格密度对聚能侵彻体成型有限元仿真的影响

针对仿真模型的网格密度对聚能侵彻体成型的影响问题,通过LS-DYNA仿真软件和X光成像试验的对比研究,得到了网格密度对毁伤元EFP和JPC速度、长径比等成型参数的影响规律。结果表明,当取装药网格尺寸为0.024倍装药口径时,满足聚能侵彻体成型计算精度的药型罩轴向网格尺寸应为0.4～0.6倍装药网格尺寸。     

结构参数对爆炸成型弹丸性能影响的研究

为研究聚能装药结构参数对爆炸成型弹丸性能的影响,利用三维动力有限元程序,对爆炸成型弹丸形成过程进行了数值模拟,研究了装药长径比、装药密度、药型罩材料、起爆方式以及壳体厚度对爆炸成型弹丸性能的影响规律。根据研究结果,设计了一种较优化的聚能装药,并进行了聚能装药侵彻混凝土靶板实验。实验结果表明,设计的EFP聚能装药对混凝土靶板有较好的开坑效果,开坑孔径和孔深分别接近装药口径的0.6倍和6.4倍。     

环起爆位置对EFP成型的影响

针对环形起爆网络在多模成型装药上的应用问题,利用LS-DYNA仿真软件,通过改变环起爆位置,研究了起爆环距离药型罩的轴向距离和起爆环半径对形成侵彻体的速度、长径比等参数的影响规律.分析结果表明,起爆环半径对EFP成型的影响比较大,当起爆环半径从0倍增加到0.5倍装药口径时,EFP头部速度提高了37%,长径比增加了6.6倍;当起爆环到药型罩的轴向距离从0.34倍装药口径减小到-0.06倍装药口径时,侵彻体速度减小了42.7%,长径比降低了72.6%.数值模拟结果与脉冲X光摄影试验结果吻合较好,仿真与试验结果表明侵彻体速度和长径比与起爆环到药型罩的距离和起爆环半径分别呈线性变化和抛物线规律变化.     

双层药型罩形成的串联爆炸成型弹丸速度计算模型

针对典型双层药型罩爆炸成型弹丸(EFP)装药结构,基于微元爆轰驱动及碰撞理论,考虑药型罩轴向驱动及径向压垮特性,建立了双层药型罩串联EFP速度分析模型。计算结果表明：罩微元径向压垮引起的内外罩EFP轴向速度差是串联EFP分离的核心因素;外罩EFP速度随外罩曲率及外罩所占厚度比增加而增加;内罩EFP速度随外罩曲率增加而减小,随外罩所占厚度比增加而增加。结合数值模拟与脉冲X光成型试验对所推导理论进行了验证,三者所得到的串联EFP速度吻合较好。     

铜基非晶合金双层药型罩射流形成及侵彻性能

为了研究Cu基非晶合金Cu₄₅Zr₄₃Al₄Ag₈双层聚能药型罩的射流成型和侵彻能力,以等壁厚的单层铜药型罩和Cu-BMGs药型罩作为对比,分别选用铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al材料作为外罩,Cu基非晶合金作为内罩,利用AUTODYN软件建立二维有限元模型,模拟了Cu基非晶合金双层聚能药型罩的射流成型、拉伸及侵彻过程,对比分析了各组药型罩射流的成型特点、稳定性和侵彻性能。通过仿真得到4种双层聚能药型罩射流成型后射流头部速度介于Cu-BMGs药型罩和铜药型罩之间,其中聚乙烯为外罩时,射流头部速度最高,侵彻深度最大,但射流稳定性最差;铝为外罩时,射流长度最长,射流稳定性最好;PTFE/Al为外罩时,开孔直径最大,但侵彻深度最小,与Cu-BMGs药型罩的相当。铝、钛、聚乙烯和PTFE/Al为外罩时,Cu基非晶合金双层药型罩的射流对纯铁靶侵彻深度分别为104、103、111、91.5 mm,开孔直径分别为12.5、20、18.8、45 mm,综合考虑侵彻深度和侵彻孔径,聚乙烯、PTFE/Al作为外罩时,Cu基非晶合金双层聚能药型罩的侵彻性能优于铝、钛作为外罩时的侵彻性能。     

爆轰驱动钽药型罩形成双模毁伤元仿真与试验研究

针对钽材料在多模战斗部中的应用问题,开展爆轰驱动钽药型罩形成双模毁伤元可行性研究。利用霍普金森压杆试验测试钽材料动力学性能,采用LS-DYNA有限元软件仿真研究钽药型罩结构参数（锥角、曲率半径、壁厚）对双模毁伤元(爆炸成型弹丸和聚能杆式侵彻体)成型的影响规律,找出了双模毁伤元成型较好的参数取值范围：锥角140°~150°,圆弧半径0.45~0.55倍装药口径,壁厚0.02~0.024倍装药口径;结合正交设计确定了钽药型罩战斗部最佳结构参数组合,并进行了X光成像试验。研究结果表明：成像试验结果与仿真结果吻合较好,误差均控制在15%之内;与紫铜药型罩相比,钽爆炸成型弹丸毁伤元实际侵彻深度提高55.4%,验证了钽适宜作为多模战斗部的药型罩材料。     

EFP/预制破片复合战斗部结构设计与分析

为增大毁伤面积并提高侵彻能力,设计不同结构的爆炸成型弹丸(explosively formed penetrator,EFP)/预 制破片复合战斗部,综合挡环结构及预制破片钨球的排布方式,得到4 种方案。应用ANSYS/LS-DYNA 对战斗部 成型过程进行数值模拟,通过不同战斗部结构方案分析,研究挡环结构及预控破片排布方式对毁伤元成型过程和毁 伤效果的影响。结果表明：当挡环顶部与药型罩底部处于同一平面时,形成的EFP 速度更高、长径比更大、长度更 长,且内圈钨球的轴向速度更高;采用内圈钨球26 枚、外圈钨球32 枚的钨球排布方式的战斗部,其内、外圈钨球 发散角更大,能形成具有良好侵彻能力且密度均匀的破片场,仿真与实验结果一致。     

环形射流和中心爆炸成型弹丸组合战斗部对混凝土墙的破孔特性

为解决墙体大孔径开孔问题,设计了一种可以对混凝土墙体形成较大开孔的环形射流和中心爆炸成型弹丸（EFP）组合战斗部。针对环形射流成型过程中容易发生扭曲偏斜的问题,提出了变壁厚环形药型罩,通过两个偏心圆来实现环形药型罩的变壁厚,并用偏心距来决定壁厚变化的梯度。通过数值模拟,对4种不同壁厚变化梯度的环形药型罩成型过程进行分析,研究环形射流和中心EFP组合战斗部对混凝土墙体的破孔特性,得到壁厚变化梯度对环形射流形态的影响规律,确认最优的环形药型罩结构,保证环形射流具有良好的密实度和形态的同时也具有一定的外扩角度。试验验证了组合战斗部的破孔能力,结果显示组合战斗部可以对混凝土墙体形成直径大于2.5倍装药口径的通孔。     

优化设计次口径球缺罩成形装药结构

运用ANSYS/LS-DYNA仿真软件,进行了次口径球缺罩的成形装药结构参数对侵彻体形成的影响规律的数值模拟研究.采用端面环形起爆方式,优化设计次口径球缺罩的成形装药结构,找出形成最佳杆式EFP的次口径球缺罩的圆弧曲率半径、药型罩壁厚及成形装药高度的最优值;当内圆弧半径为40mm、壁厚为1.8mm、装药高度为45mm时,仿真得到了成形形态和成形参数都较佳的杆式EFP,其头部速度达到2 532m/s,长径比为3.2.同时,得到了杆式EFP成形参数速度和长径比等随次口径球缺罩的圆弧曲率半径、药型罩壁厚和成形装药高度的变化规律曲线,为今后优化设计EFP战斗部提供参考依据.     

铜、钼形成EFP和JPC毁伤元对比研究

为研究纯钼材料对爆炸成型弹丸(EFP)和聚能杆式射流(JPC)成型的影响,基于EFP和JPC双模战斗部结构,设计紫铜药型罩、等体积钼药型罩和等质量钼药型罩3种研究方案,采用LS-DYNA软件和X光摄影试验对比研究钼毁伤元和铜毁伤元。结果表明:钼材料在JPC毁伤元成型过程中表现出良好的塑性性能; 与铜罩相比,等质量钼JPC毁伤元速度提高10.5%,侵彻孔径提高1倍,钼EFP毁伤元密实度小,动能提高2.7%～5.9%,侵彻孔径提高9.2%,侵彻深度降低20%。     

锥弧结合罩形成长杆状密实EFP的可行性

为了进一步提高爆炸成型侵彻体(EFP)的侵彻能力,基于大锥角罩结构的圆弧段设计,提出了一种可形成长杆状密实EFP的锥弧结合罩。分析了锥弧结合罩与传统的大锥角罩和弧锥结合罩在压垮过程中的区别。运用LS-DYNA仿真软件,计算得到了锥弧结合罩的结构参数(曲率半径、锥角、壁厚)对EFP速度、长径比、密实度等侵彻体成型参数的影响规律。找出了EFP成型较佳时各结构参数的取值范围:曲率半径为1.1～1.3倍装药口径,锥角为155°～160°,壁厚为0.04～0.046倍装药口径,并设计得到了一种可形成长径比为2、密实度为0.88的EFP的锥弧结合罩结构。     

药型罩曲率半径对爆炸成型弹丸参数的影响

采用显式有限元程序对爆炸成型弹丸的形成过程进行了数值模拟，模拟的弹丸形状与高速摄影记录的结果非常相似，本文主要分析了EFP装药结构中药型罩曲率半径这一因素对所形成的弹丸参数的影响。结果显示，药型罩曲率半径对爆炸成型弹丸的外形，弹径和弹丸长度有着明显的影响。数值模拟技术可以指导爆炸成型弹丸战斗部的设计和分析，有助于研究EFP形成过程的研究，对进一步展开聚能装药的理论研究也具有一定的指导作用。