76mm口径EFP成形过程数值模拟及影响因素研究Word格式文档下载.docx
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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
LS—DYNA3D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,（j—l,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∞。
I2、式中,如、,为柯西应力,,.为单位质量的体积力,;
。
为加速度.
（3质量守恒方程.
P=Jpo（3式中,P为当前质量密度Ⅷ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
LS—DYNA3D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（SLIDINGCONTACT来处理爆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.
276mmEFP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.药型罩材料为工业纯铁.外壳材料为钢,分别采
用MATIoHNSONC（oK-。
1和MAT—PI』ASTlC—KINEMATIC
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2.276millEFP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ogs（b40ps0B0ps
（d1009s（c150gs图276mmEFP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/Do“式中,L/D为装药长径比,‰为标准装药的EFP速度.
（5
62弹道学报第15卷
由（5式可知.当j√D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/D≈1.5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、3・78mm、——i=———■—_i—i——■5mnl、6mrn的装药结构进行数值模拟,结果见表3-—ii—i—i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:
=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ll'
llm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634结论
LSDYNA3D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,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/D≤1.5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,为战斗部技术性能的优化设计提供重要的参考.
参考文献
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北京理工大学出版社.1993
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NUMERICALSIMULATIoNANDEFFECTSoFTHE
FoRMATloNoFEFPWITH76mmDIAMETER
ZhouXiangLongYuanYueXiaoblng
fEIECtPLAUST,Naqing,210007
AbstraetTheprocessofEFFsfornmtionwassimulatedusingL导DYNA3DtThe
resLlltsofsimulationwere1denticalwiththeexperiments.Theinfluenceofthe
chargerationoflengthtodiameter。
theshellthickness.andthecoverthicknesson
velocityofEFPwasanalyzed.TheformulaabouttheEFPvelocitywereeduced.
TheconclusionsthattheEFPvelocityincreasewiththeL/D.anddecreasewiththe
coverthickness,andisnoteffectedgreatlybyshellthicknesswereobtained.
Keywordsexplosiveformationprojectiles,numericalsimulation,influencefactors
76mm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JOURNALOFBALLISTICS2003，15（29次参考文献（6条1.JohnsonGR.CookWHAconstitutivemodelanddataformetalssubjectedtolargestrains,highstrainratesandhightemperatures19832.KURYJWProc4thIntSymponDetonation19653.WeimannKExperimentalandnumericalinvestigationofparametersinfluencingtheformationofprojectilesbyexplosives19894.隋树元.王树山终点效应学20005.王儒策.赵国志弹丸终点效应19936.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.张全孝.姚懂.张先锋.陈惠武.JIAWan-ming.SHIHong-gang.ZHANGQuan-xiao.YAODong.ZHANGXian-feng.CHENHui-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.LIYu-chun.CHENGKe-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.LICheng-bing.SHENZhao-wu.ZHAOHui-ying.PEIMing-jing带尾翼爆炸成形弹丸成形机理初探-中国科学技术大学学报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.期刊论文李成兵.沈兆武.裴明敬.LICheng-bing.SHENZhao-wu.PEIMing-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20～30mm之间.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2006EFP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ANSYS／LS-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基本相符。
本文的主要内容包括：
（1）利用ANSYS／LS-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.ZHOUXiang.LONGYuan.ZHUYanyan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.GUIYu-Lin.YuChuan.LIUCang-li.SUNCheng-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Johnson-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.ZHANGYang-yi.LONGYuan.YUDao-qiang.ZHOUXiang.JIChong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1500～1800m/s的破片,产生的破片能够穿透48m处的6mm的45#钢板,可以用来打击直升机等轻型装甲目标.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（22.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（23.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（64.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（45.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（086.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（017.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（018.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20069.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：
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2010年3月17日
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