76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究.docx

1、76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究第l 5卷第2期 2003年6月 iO-道 学 报Journal of BallisticsV01.15No.2 jline 200376mm口径EFP成形过程数值模拟 及影响因素研究周 翔 龙 源 岳小兵(解放军理工大学工程兵工程学院,南京210007摘要 采用LS-DYNA3D对76mm口径药型革爆炸成型弹丸(EFP的成形过程进行了数值模拟,模拟结果与实验数据基本吻合通过数值模拟着重分析了装药长径止L/D、壳体厚度、药型罩壁厚对EFP速度的影响规律,得到了有关EFP成形速度公式,得出EFP速度随L/D的增大而增大,随药型罩厚度增大而减小,受装

2、药外壳厚度影响不大.关键词 爆炸成形弹丸,数值模拟,影响因素中围分类号TJ012.4随着现代科技的发展,各种军事目标的防护和抗打击能力越来越强,一方面外部装甲的 材料性能和结构性能有了极大的提高,远非传统装甲可比;另一方面其内部组成和结构布局 日益复杂.这对导弹战头部或杀伤弹丸的设计提出了更高的要求.近20年来,随着新型反装 甲末敏弹的研制,爆炸成型弹丸(EFP战斗部研究受到国际弹药领域的广泛重视.大量实 验表明EFP对装甲的侵彻能力很大程度上取决于EFP速度.但由于EFP的成形过程属于 爆炸高压加载范畴。药型罩和炸药作用机理复杂,影响因素很多.其理论研究非常复杂,目前 还不能有效确定影响其速

3、度的因素.采用数值模拟和实验相结合的手段进行研究和设计,不 仪可以大大缩短研制周期和研究经费.还能得到大量有价值的流场数据和运动规律.1基本算法1.1控制方程LSDYNA3D程序采用的主要算法为Lagrangian描述增量法.(1质点运动方程.取初始时刻的质点坐标为x.(i一1,2,3,在任意时刻t,该质点坐标为z,(jl,2,3, 则质点的运动方程为T:=丁,(X.,fi一1,2,3(1 在t一0时,初始条件为,2-,(x,一X.主。(X,.f一w,(X,0.式中,u,为初始速度.60弹 道 学 报 第15卷(2动量守恒方程.o”|-_。一。 I 2、 式中,如、,为柯西应力,.为单位质量的

4、体积力,;。为加速度.(3质量守恒方程.P=Jpo (3 式中,P为当前质量密度为初始质量密度;J=!o蕾/ax。为变形梯度行列式,且相对体 积J=V/V.(4能量方程.芭=Vs。;(P十qp (4 用于状态方程计算和总的能量平衡.式中.V为现时构形的体积,;。为应变率张量,q为体积 粘性阻力.偏应力和压力分别为j。一o-。+(P+q6。,P一“/3一q.1.2接触一碰撞界面算法LSDYNA3D程序具有非常有效的全自动接触分析功能,主要采用节点约束法、对称罚 蛹数法和分配参数法3种不同的算法来处理接触碰撞界面,可以求解各种性质的问题.本文 采用仅滑动接触(SLIDING CONTACT来处理爆

5、轰波与药型罩的接触.其原理为:将每一 个正在接触的从单元一半质量分配到被接触的主表面面积上.同时由每个从单元的内应力 确定作用在接受质量的主表面面积上的分布压力.在完成质量和压力分配后,程序修正主表 面的加速度,然后对从节点的加速度和速度施加约束,以保证从节点沿主表面运动.276mm EFP成形过程的数值模拟摹本假设:炸药、药型罩和壳体材料为均匀连续介质,整个爆炸过程为绝热过程,不考虑 空气阻力及重力的影响.2.1计算模型药型罩厚度为3.78mitt,口径为76.2min,曲率半径为60mm,装药直径和高度分别为 76.2mid和52.2m”;外壳厚度为3mm(此装药结构在下文中均称为标准装药

6、.药型罩材料为工业纯铁.外壳材料为钢,分别采用MAT IoHNSON C(oK-。1和MATPIASTlCKINEMATIC材料模型,状态方程采用GRUNEISEN状态方程.装药采用B混合炸药,其状态方程为Jw“”状态方程.装药结构为严格轴对称,采用点起爆的方式.由于装药结构的几何形状关于XOZ平面和YOZ平面对称,因此根据对称性町取1/4结构来建立三维模型进行计算见图1.装药起爆点位于原点(0.0,o.药型罩、外壳和装药均采用 LAGRANGIAN六面实体单元,计算模型共划分网格38304个,其图1爆炸成型弹丸i算模型第2期 周翔等 76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究 61中药

7、型罩的单元数目为4332个.计算时间为200p.s.计算过程中每隔5btS输出结果一次 2.276mill EFP成形模拟结果如图2所示,等壁厚药型罩在形成过程中,药型罩中心加速在前,罩边缘加速在后,并同 时被驱动向对称轴运动,药型罩发生翻转,从而形成头部对称,尾部呈喇叭型且中空的弹丸. 由于形成的弹丸重心向前,所以飞行稳定性较好,且径向压合不太厉害.因此容易形成有利 于穿透装甲目标的侵彻体. (砷o gs (b40ps 0B0ps(d1009s (c150gs 图276mm EFP成形过程模拟为验证数值模拟的精度,将计算结果与实验结果o进行比较,如表1所示,表中L为装 药长度,。为速度.m为

8、质量,E为动能.数值模拟的结果与实验基本吻合,说明在数值模拟 中所建立计算模型以及所选用的材料模型和状态方程的参数比较合理,计算结果可信表1实验结果与数值模拟结果比较3影响弹丸速度的因素分析3.1装药长径比的影响爆炸成型弹丸成形是一个十分复杂的过程.涉及诸多因素.装药长径比就是一个重要的 影响因素.为研究装药长径比的影响效果,改变标准装药长径比,对长径比(L/D为0.5. 0.75,1,1.25,1.5,1.75的装药结构进行数值模拟,对比形成EFP后的整体弹速,见表2表2装药长径比L/D与EFP速度的关系对表2数据进行拟合.见图3。可得到EFP速度与装药长径比之间的关系式v/v。=1.1(L

9、/Do“ 式中,L/D为装药长径比,为标准装药的EFP速度.(562弹 道 学 报 第15卷由(5式可知.当jD增加时.EFP的速度也相应地增加,其速度增加幅度随着装药长 径比的变大而逐渐减小.但当L/D超过1.5后,再增大装药长径比对增加EFP速度已意义 不大.因为再增大装药高度,作用在药型罩上的有效装药量并不增加很多,只能增加更多的 侧向飞散.所以,根据计算和拟合结果,L/D1.5时可获得极限速度.但在实际中考虑到降 低装药高度,药量可减少很多,且有效装药量减少不多,而装药高度小,对整个装药结构的优 化有明显好处,同时可根据实际情况按(5式对EFP速度进行预测.3.2药型罩壁厚的影响药型罩

10、壁厚是EFP设计中的重要参数之一.笔者 表3药型罩壁厚与EFP速度的关系 改变标准装药的壁厚,分别对壁厚为3mm、378mm、i=_ii 5mnl、6mrn的装药结构进行数值模拟,结果见表3-iiii而百i鬲丁i磊 对表3中的数据进行拟合,见图4.可得到EFP速度与 药型罩壁厚之间的关系式:v/v。=2.8抚“” (6 式中,巩为药型罩壁厚.由(6式可知当药型罩壁厚增加时,形成EFP的速度将逐渐减小.这 是由于药型罩壁厚增加将导致同样多的炸药能量要推动更多质量的药型罩作功.从而使得 单位质量的药型罩获得的能量减少.圈3装药长径比L/D与EFP建度的关系 3.3壳体厚度的影响6JTr-”图4药型

11、罩厚度与EFP速度的关系由于壳体可以延长装药的作用时间以及延缓稀疏波的产生,因此壳体厚度变化将对 EFP速度产生一定的影响.为了研究其影响程度,在标准装药的基础上,分别对不同壳体厚 度以的装药结构进行数值模拟,结果见表4.表4壳体厚度与EFP速度的关系分析表4中的数据可知,随着壳体增厚,EFP速度逐渐增大,但增加幅度不明显.壳体厚 从l lllm增加到6mm,EFP速度仅增加5.8%.因此壳体厚度增加时,EFP速度提高不大.第2期 周翔等 76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究 63 4结论LS DYNA3D作为一种计算大应变和高应变率材料非线性动态响应的弹塑性流体动力 学有限元程序

12、,可为爆炸成型弹丸的研究和设计提供较可靠和详尽的数值依据.文中通过数值计算.得到76mm口径EFP成形后的整体速度和药型罩、装药长径比、装 药外壳之间的关系.主要结论:(1装药长径比对EFP速度有较大影响,随着装药长径比的 增大,EFP速度也增大,但在实际设计中,装药长径比控制在1.5以下;(2对于结构形状相 同的药型罩,所得EFP的速度随着药型罩厚度的增大而减小;(3装药外壳的厚度对EFP速 度的影响很小,在实际的设计中不用过多进行考虑.因此。同种装药结构在保持装药外壳厚度不变时,在L/D1.5条件下.可根据所需要 的弹丸速度来选择药型罩的壁厚;或根据药型罩的壁厚来预测其成形后的整体速度,为

13、战斗 部技术性能的优化设计提供重要的参考.参 考 文 献1Johnson G R,Cook W H.A constilutive model and data for metals s.hiected tO large strains,high slrain tales and high temperatures.Proceedings of the 7th International symposium on Ballistics.The Hague.Netherlands, 19832Kury J W Proc 4th Int Symp on Detoaation ACR 126,1965

14、3Weimann K.Experimental and numerical investigation of parameters influencing the formation of projectiles by explosives.11th International Symposium on Ballistics.Brussels-19894隋树元,王树山终点效应学北京:国肪工业出版杜,20005王懦策,赵国志.弹丸终点效应.北京:北京理工大学出版社.19936恽寿榕.涂侯杰爆炸力学计算方法.北京;北京理工大学出版社.1993NUMERICAL SIMULATIoN AND EFF

15、ECTS oF THEFoRMATloN oF EFP WITH 76mm DIAMETERZhou Xiang Long Yuan Yue XiaoblngfEIECt PLAUST,Naqing,210007Abstraet The process of EFFs fornmtion was simulated using L导DYNA3Dt TheresLllts of simulation were 1dentical with the experiments.The influence of thecharge ration of length to diameter。the she

16、ll thickness.and the cover thickness onvelocity of EFP was analyzed.The formula about the EFP velocity were educed.The conclusions that the EFP velocity increase with the L/D.and decrease with thecover thickness,and is not effected greatly by shell thickness were obtained.Key words explosive formati

17、on projectiles,numerical simulation,influence factors76 mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 引用次数： 周翔， 龙源， 岳小兵 解放军理工大学工程兵工程学院,南京,210007 弹道学报 JOURNAL OF BALLISTICS 2003，15(2 9次 参考文献(6条 1.Johnson G R.Cook W H A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain

18、 rates and high temperatures 1983 2.KURY J W Proc 4th Int Symp on Detonation 1965 3.Weimann K Experimental and numerical investigation of parameters influencing the formation of projectiles by explosives 1989 4.隋树元.王树山 终点效应学 2000 5.王儒策.赵国志 弹丸终点效应 1993 6.恽寿榕.涂侯杰 爆炸力学计算方法 1993 相似文献(10条 1.期刊论文 贾万明.史洪刚.

19、张全孝.姚懂.张先锋.陈惠武.JIA Wan-ming.SHI Hong-gang.ZHANG Quan-xiao.YAO Dong.ZHANG Xian-feng.CHEN Hui-wu 新型铜爆炸成形弹丸的数值模拟与试验研究 -兵器材料科学与工程 2006,29(1 利用ALE算法对新型铜爆炸成形弹丸进行了数值模拟和分析,同时进行了EFP成形X光摄影试验.在模拟和试验过程中以T2军用紫铜和工业纯铁药型罩作 为对比,进行三种罩材、三种壁厚药型罩的EFP成形模拟与试验,获取三种罩材对比EFP形体和性能参数,试验结果与计算结果符合很好.结果表明新型铜 EFP较T2紫铜的抗拉断能力较强,具有明显的

20、优势.分析了新型铜药型罩材料在产品上的应用前景. 2.期刊论文 李裕春.程克明.LI Yu-chun.CHENG Ke-ming 多爆炸成形弹丸技术研究 -兵器材料科学与工程 2008,31(3 介绍形成多爆炸成形弹丸的战斗部的基本结构及其结构设计方法,通过总结现有多爆炸成形弹丸成形技术,结合数值模拟结果和具体的应用实例,对 MEFP装药结构及关键技术进行归纳.提出多爆炸成形弹丸技术的应用前景. 3.期刊论文 李成兵.沈兆武.赵慧英.裴明敬.LI Cheng-bing.SHEN Zhao-wu.ZHAO Hui-ying.PEI Ming-jing 带尾翼 爆炸成形弹丸成形机理初探 -中国科学

21、技术大学学报2006,36(4 爆炸成形弹丸装药采用3点起爆,运用爆轰波理论和数字模拟对3点起爆的爆轰机理和带尾翼爆炸成形弹丸的成形机理进行研究.研究结果表明:3点起 爆后,爆轰波相互作用而形成超压.正是由于超压的形成,使得药型罩表面受到非均衡爆轰载荷作用,在有超压作用的药型罩的区域压合程度小,最终形成了 带尾翼的爆炸成形弹丸.最后采用实验对数值模拟结果进行了验证. 4.会议论文 段卓平.皮爱国.张振宇 爆轰波波形对爆炸成形弹丸影响的数值模拟研究 2003 利用LS-DYNA3D程序,通过数值模拟方法研究了一种简单的波形调整器.并对爆轰波波形对爆炸成形弹丸的影响进行了数值模拟研究. 5.期刊论

22、文 李成兵.沈兆武.裴明敬.LI Cheng-bing.SHEN Zhao-wu.PEI Ming-jing 三点爆轰机理与EFP尾翼成型研 究 -含能材料2007,15(1 采用爆轰波理论分析了由爆炸成形弹丸装药而成的三点起爆爆轰波的相互作用.运用LS-DYNA软件数值模拟了三点起爆方式下的爆轰波作用、超压形 成、药型罩在非均衡爆轰作用下的变形过程,以及尾翼的形成机理等.研究结果显示: 药型罩表面受到非均衡爆轰载荷作用,发生翻转、变形,在有超压作 用的药型罩区域的压合程度小,形成弹丸尾翼,其中起爆半径对弹丸长径比、头尾速度、动能以及尾翼成形有重要影响.模拟中,起爆半径应选在2030 mm之间

23、.实验结果对理论分析和数值模拟研究进行了验证. 6.学位论文 汤建明 基于ANSYS/LS-DYNA进行EFP成形及切割仿真研究 2006 EFP成形及切割技术研究是适应现代战争条件下复杂多变的战场环境情况及研制多功能战斗部要求的背景下提出的。EFP切割技术是实现EFP一弹多能 的重要手段。本文在广泛检阅国内外相关技术资料的基础上，借助ANSYSLS-DYNA动力学分析程序，通过合理建立EFP战斗部的几何模型和有限元模型、 恰当选择材料模型及材料参数、合理控制计算仿真进程，完成了EFP成形和切割的仿真研究，同时也对EFP的成形及切割机理进行了初步分析。与试验结 果的对比表明，仿真结果与试验结果

24、基本相符。 本文的主要内容包括： （1）利用ANSYSLS-DYNA进行动力学仿真研究的算法基础及分析步 骤； （2）EFP成形及切割动力学数值仿真的几何模型和有限元模型的建立； （3）EFP二维、三维成形及切割的仿真研究； （4）通过 与以往试验结果的对比，验证了本文仿真研究的正确性。 7.期刊论文 周翔.龙源.朱燕燕.ZHOU Xiang.LONG Yuan.ZHU Yanyan 壳体性质对爆炸成形弹丸性能的影响 -弹箭与 制导学报2008,28(1 利用LSDYNA有限元程序对带壳EFP结构的成形过程进行数值模拟,研究了壳体的材料以及厚度对EFP性能的影响规律.研究表明,壳体材料的密度和

25、厚度 的增加将有利于提高EFP的速度和密实度;对于某一特定的EFP装药结构,可确定一个壳体临界厚度,使形成的弹丸长度达到最大.研究结果可应用于EFP战斗 部结构优化设计. 8.期刊论文 桂毓林.于川.刘仓理.孙承纬.GUI Yu-Lin.Yu Chuan.LIU Cang-li.SUN Cheng-wei 带尾翼的翻转型爆 炸成形弹丸的三维数值模拟 -爆炸与冲击2005,25(4 利用LS-DYNA三维动力有限元程序对三点起爆的翻转型EFP形成过程及三个尾翼进行了数值模拟.计算结果与实验结果的比较表明:数值计算结果和实 验结果吻合较好,可为弹丸优化设计提供重要参考依据.对药型罩材料分别选择Jo

26、hnson-Cook和Steinberg两种本构模型进行了数值模拟.计算结果表明:药 型罩材料的本构模型选取对形成的尾翼效果有一定影响,Steinberg本构模型与实验结果符合更好. 9.期刊论文 梁争峰.胡焕性 爆炸成形弹丸技术现状与发展 -火炸药学报2004,27(4 介绍了形成高速、飞行稳定且后效好的爆炸成形弹丸的基本设计准则以及几种形成尾翼的结构设计方法.通过总结现有爆炸成形弹丸技术的实验、数 值模拟和具体应用实例,提出了爆炸成形弹丸技术的发展方向和新的应用前景. 10.期刊论文 张洋溢.龙源.余道强.周翔.纪冲.ZHANG Yang-yi.LONG Yuan.YU Dao-qiang

27、.ZHOU Xiang.JI Chong 切 割网栅作用下EFP形成多破片的数值分析 -弹道学报2009,21(2 为了研究可选择作用/双模式战斗部的作用机理,分析了一种在药型罩前适当位置安装一个可抛掷的十字形切割网栅的装药结构,针对该结构建立了有 限元计算模型,利用LS-DYNA3D动力有限元程序,采用Lagrangian方法,对药型罩经过切割网栅形成多个破片及其侵彻靶板的过程进行了数值模拟,模拟结果 与试验结果吻合得较好.研究表明,该装药结构能形成5片具有一定质量和方向性、速度达到15001800 m/s的破片,产生的破片能够穿透48 m处的6 mm的 45#钢板,可以用来打击直升机等轻型

28、装甲目标. 引证文献(9条 1.张洋溢.龙源.余道强.周翔.纪冲 切割网栅作用下EFP形成多破片的数值分析期刊论文-弹道学报 2009(2 2.何洋扬.龙源.张朋军.陆林.张洋溢 水介质中组合式战斗部成型技术研究期刊论文-火工品 2009(2 3.王树有.蒋建伟.门建兵 准球形EFP成型影响因素的数值模拟期刊论文-含能材料 2008(6 4.何洋扬.龙源.张朋军.陆林 圆锥、球缺组合式战斗部空气中成型技术数值模拟研究期刊论文-火工品 2008(4 5.赵慧英.沈兆武 爆炸成型弹丸速度计算方法研究期刊论文-中国工程科学 2007(08 6.刘记军.唐德高.贺虎成.曲霞.王昆明 EFP成型飞行及侵彻钢靶特性的数值模拟分析期刊论文-弹箭与制导学报 2006(01 7.周翔.龙源.余道强.岳小兵.张成.谢文 多弹头爆炸成形弹丸数值仿真及发散角影响因素期刊论文-兵工学报 2006(01 8.汤建明 基于ANSYS/LS-DYNA进行EFP成形及切割仿真研究学位论文硕士 2006 9.蒋建伟.杨军.门建兵.罗健 结构参数对EFP成型影响的数值模拟期刊论文-北京理工大学学报 2004(11 本文链接： 下载时间：2010年3月17日