火工品
INITIATORS&PYROTECHNICS
文章编号：1003-1480（2021）02-0028-04
壁厚对爆炸复合侵彻体成型及侵彻性能的影响许江东1，刘天生1，薛瑞峰1，陈燕2，鲁飞3 （1.中北大学环境与安全工程学院，山西太原，030051；2.陆军装备部驻北京地区军事代表局某室，山西太原，030009；
3.陆军装备部装备项目管理中心，北京，100071）
摘要：为了提高爆炸成型含能侵彻体的侵彻性能，提出一种F型含能罩/金属罩双层药型罩聚能装药结构。采用非线性动力学软件AUTODYN-2D对包覆式含能复合侵彻体的爆炸成型与侵彻过程进行数值模拟，分析F装药下不同内外罩壁厚组合对复合侵彻体成型及侵彻性能的影响。结果表明：随着外层含能罩壁厚的增大，复合侵彻体头部速度增大，长径比先增大后减小，穿靶深度先增大后减小，当内外罩壁厚组合为3mm/3mm时，复合侵彻体穿靶深度最大，相比含能EFP穿靶深度增大约21.07%，并且可对间隔靶目标造成有效毁伤。 关键词：复合侵彻体；包覆；双层药型罩；数值模拟；壁厚
中图分类号：TJ410.3+3文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2021.02.008
The Effect of Wall Thickness on the Forming and Penetration Performance of Explosive
Composite Penetrator
XU Jiang-dong1，LIU Tian-sheng1，XUE Rui-feng1，CHEN Yan2，LU Fei3
（1.School of Environmental and Safety Engineering,North University of China,Taiyuan,030051;2.A Military
Representative Office of the Military Representative Bureau in Beijing of the Army Equipment Department,Taiyuan, 030009;3.Equipment Project Management Center of the Army Equipment Department,Beijing,100071）
Abstract：In order to improve the penetration performance of explosively formed energetic penetrator,a double-layered liner shaped charge structure of F-type energetic liner/metal liner was proposed.The non-linear dynamics software AUTODYN-2D was used to numerically simulate the explosive forming and penetration process of the energetic composite penetrator,and the influence of the combination of different inner and outer cover wall thicknesses under the F charge on the form
ing and penetration performance of the composite penetrator was analyzed.The results show that as the wall thickness of the outer energetic cover increases,the head velocity of the composite penetrator increases,the aspect ratio and penetration depth first increases and then decreases.When the thickness combination is3mm/3mm,the penetration depth of the composite penetrator is the largest,which is about21.07%more than the energetic EFP,and can cause effective damage to the spacer target.
Key words：Composite penetrator；Coating；Double-layered liner；Numerical simulation；Wall thickness
传统的金属爆炸成型弹丸（Explosively Formed Projectile，简称EFP）受单一动能毁伤机理和机械贯穿毁伤模式的制约，弹药战斗部威力的发挥和提高受到很大程度的影响，而含能毁伤元通过动能侵彻和爆炸化学能释放两种毁伤机理的联合作用，可大幅度提高战斗部的毁伤效能，被认为是下一代支撑“命中即毁伤”的核心关键技术[1-2]。国外，美军方将含能材料制备成大曲率药型罩，在爆轰载荷下形成EFP，其侵
2021年04月2021年第2期收稿日期：2020-10-23
作者简介：许江东(1995-)，男，在读硕士研究生，主要从事弹药毁伤技术研究。
基金项目：国家自然科学基金（11802274）；中北大学研究生科技立项（自然科学项目，20191661）。
火工品
2021年04月29彻能力虽不如传统金属EFP，但其终点毁伤效应显著
提升，对目标的侵彻孔径和靶后有效毁伤范围远大于
传统金属EFP[3]。国内，万文乾等[4]实验研究了含能
EFP的成型过程以及对靶板的侵彻能力，得出含能药
型罩受爆炸载荷可以形成速度达2000m·s-1的EFP，
但成型过程中含能材料部分提前发生化学反应，侵彻
过程中含能体与靶体发生剧烈反应并释放出大量气
体，靶板有明显的烧蚀现象。门建兵等[5-6]提出一种包
覆式爆炸成型复合侵彻体，通过的爆炸驱动，使
预制在药型罩前的反应材料被包覆，得到稳定高速飞
行的复合侵彻体；王海福等[7]研究了不同炸高下反应
材料双层药型罩聚能装药对厚钢靶的侵彻增强行为。
本文将活性毁伤元技术同F装药技术[8]相结合，
pvc绝缘材料
设计一种含能罩/金属罩双层药型罩聚能装药结构，采
用数值模拟方法研究不同内外罩壁厚组合对复合侵
彻体成型及侵彻性能的影响，以期得到兼具侵彻性能
好、后效毁伤范围大的含能复合侵彻体。
1计算模型
1.1结构模型
3d涂鸦笔F型聚能装药结构模型如图1所示，规定靠近主
装药的为外罩，远离主装药的为内罩，内外罩皆采用
等壁厚球缺罩，为缓解爆轰波对含能罩的直接作用，
在外罩与主装药之间加一层缓冲垫。图1中，装药直
径D=100mm，装药长度L=100mm，外罩曲率半径
R1=75mm，壁厚为H1，内罩曲率半径R2=71mm，壁
厚为H2，内外罩之间空气间隔A=1mm，采用装药顶
端面中心点起爆。
壳体
内罩
扩音喇叭空气
外罩
缓冲垫
D L
图1F型聚能装药结构模型简图
小麦草榨汁机
Fig.1Structure diagram of F-type shaped charge
1.2有限元模型
采用AUTODYN软件进行仿真，包覆式复合侵彻体聚能装药结构有限元模型如图2所示。
空气
OCTOL
铜
45#钢
PTFE
尼龙
边坡防护系统图2有限元模型
Fig.2Finite element model
该模型为轴对称结构，故只需建立1/2模型。由于的爆炸和药型罩的翻转均属于大变形问题，因此、药型罩、壳体使用欧拉算法，通过在空气边界设置“FLOW OUT（ALL EQUAL）”边界消除边界效应来保证计算准确性。壳体材料采用45号钢，采用OCTOL，内罩材料采用铜，材料的状态方程和强度模型见表1，材料参数取自AUTODYN材料库，反应材料参数见表2，数值模拟中单位制采用mm-mg-ms。
表1各材料状态方程和强度模型
Tab.1State equation and strength model of each material 结构材料状态方程强度模型
Octol JWL
内罩Copper Shock J-C
外罩PTFE/Al Shock J-C
壳体/靶板45#Steel Shock J-C
表2反应材料参数
hktv警戒线Tab.2Reactive material parameters
参数数值参数数值
密度/(g·cm-3) 2.27溶解温度/K500
比热率/(J·kg-1·K-1)1161基准温度/K294
剪切模量/GPa0.67格森系数0.9
屈服应力/MPa8.044软化系数 1.0
硬化模量/MPa250.6C1/(m·s-1)1450
应变常数0.4S1 2.258
硬化系数 1.8
2内外罩壁厚对复合侵彻体成型与侵彻性能的影响
2.1内外罩壁厚对成型的影响
药型罩壁厚是战斗部设计的重要参数之一，研究内外罩壁厚对复合侵彻体成型的影响时，固定其他结构参数不变，药型罩外罩壁厚从1mm增加到5mm（每种方案增加1mm），对应金属罩壁厚从5mm取值到1mm，即研究包覆质量增加时复合侵彻体的包覆成型情况。不同内外罩壁厚组合形成的含能复合侵彻体成型状态如图3所示。
许江东等：壁厚对爆炸复合侵彻体成型及侵彻性能的影响
30
2021年第2
期
H 1=1mm
H 1=2mm
H 1=3mm
H 1=4mm H 1=5mm
图3复合侵彻体成型状态
Fig.3Molding state of the composite penetrator
由图3可以看出，随着外罩壁厚H 1的增大，包覆质量增加，含能侵彻体尾部直径逐渐变大，当H 1>4mm 时，含能侵彻体尾部膨胀，金属成型弹丸质量过小，反应材料不能被包覆在金属成型弹丸尾翼中且飞行稳定性很差。图4为复合侵彻体长径比随外罩壁厚变化曲线。
1
H 1/mm
长径比
2.52.0
3.53.0
4.54.05
24
3图4长径比随外罩壁厚变化曲线
Fig.4Length-diameter ratio vs wall thickness of outer cover
2.2内外罩壁厚对速度的影响
图5为复合侵彻体头部速度随外罩壁厚变化曲线，从图5中可以看出，头部速度随外罩壁厚增大而增大。
1
H 1/mm
v /(m ·s -1)
1800
26002200340030005
243图5头部速度随外罩壁厚变化曲线
Fig.5Head velocity vs wall thickness of outer cover
这是因为在内外罩总壁厚一定时，随着含能罩壁厚增大，金属罩壁厚减小，药型罩总质量减小，在能量利用率一定的情况下，药型罩的质量减小，相应的速度就会升高。当含能罩壁厚为1mm 时，复
合侵彻体头部速度过小，侵彻动能不足；当含能罩壁厚为5mm 时，复合侵彻体头部速度最大，但金属成型弹丸过少，含能侵彻体过早接触靶板发生反应。因此含能罩壁厚为2～4mm 时，比较兼顾复合侵彻体动能侵彻和爆炸化学能释放的侵爆效应的联合作用，且金属成型弹丸对反应材料的包覆成型效果更佳。
2.3内外罩壁厚对穿靶深度的影响
对2mm-4mm 、3mm-3mm 、4mm-2mm 壁厚组合下反应材料与铜双层药型罩形成的含能复合侵彻体，以及含能EFP 对半无限45#钢靶板的侵彻进行数值仿真，结果如图6所示，3种复合侵彻体与含能EFP 侵彻靶板参数见表3、表4。
图6复合侵彻体侵彻靶板结果
Fig.6Result of composite penetrator penetrating the target
表3复合侵彻体侵彻靶板参数
Tab.3The parameters of the composite penetrator
penetrating the target
不同壁厚组合/mm 头部速度/（m·s -1）穿靶深度/mm 开孔直径/mm 2-4203741.4251.803-3226949.8748.164-2
2707
45.60
46.52
表4含能EFP 侵彻靶板参数
Tab.4Theparametersof theenergetic EFPpenetrating thetarget
头部速度/（m·s -1）
穿靶深度/mm
开孔直径/mm
5302
41.19
67.42
由图6和表3可知，反应材料/铜双层药型罩在总壁厚相同的情况下，随着外层含能罩壁厚的增加，复合侵彻体的头部速度增大，穿靶深度先增大后减小。当含能罩壁厚大于3mm 时，随着侵彻体速度增大，穿靶深度却下降，这是由于含能复合侵彻体前端金属毁伤元较少，含能毁伤元过早接触靶板发生释能反应，且反应材料密度与声速较低，侵彻能力不及金属毁伤元，所以穿靶深度有所降低。由表3～4可知，当壁厚组合为3mm-3mm 时，含能复合侵彻体穿靶深度达到最大，相比含能EFP ，穿靶深度增大约21.07%，但开孔直径有所下降。
3含能复合侵彻体侵彻间隔靶威力验证
将壁厚组合为3mm-3mm 的双层药型罩聚能装药对间隔70mm 、厚20mm 的45#钢靶进行侵彻模拟，计算模型如图7所示。
在计算复合侵彻体的成型时采用Euler 算法，而复合侵彻体侵彻靶板采用Lagrange 算法，通过流固耦
（a ）2mmPTFE/Al/4mmCu
（b ）3mmPTFE/Al/3mmCu
（c ）4mmPTFE/Al/2mmCu
（d ）3mmPTFE/Al
火工品
2021年04月
31
合来模拟二者之间的相互作用，复合侵彻体侵彻间隔靶板仿真结果如图8所示。
空气
OCTOL 铜45#
钢PTFE
尼龙
图7复合侵彻体侵彻间隔靶板仿真模型
Fig.7Simulation model of composite penetrator penetrating
the spacer targets
（a ）141.6µs （b ）181.6µs
（c ）205.0µs
（d ）275.0µs
图8复合侵彻体侵彻间隔靶板仿真结果
Fig.8Simulation result of composite penetrator penetrating
the spacer targets
由图8可知，成型的复合侵彻体在141.6µs 时接触迎弹靶开始侵彻，181.6µs 迎弹靶被完全侵彻贯穿，由于含能毁伤元距离金属成型弹丸头部有一定距离，弹丸冲击靶板形成的冲击波在金属成型弹丸内衰减，传入含能毁伤元内的冲击波达不到该含能材料的临界起爆阈值3.6GPa [9]，含能毁伤元不反应或部分反应通过开孔打入目标内，此时迎弹靶开口直径为44mm ，出口直径为60mm ，具有一定的横向效应；205.0µs 时含能毁伤元开始冲击后效靶，头部速度为1708m/s ，冲击波传入含能毁伤元，含能材料达到临界起爆阈值，内部形成热点，发生释能反应；275.0µs 时后效靶被完全贯穿，后效靶开孔直径为67.8mm ，形成的冲塞块速度为875.4m/s 。由此可知，该含能复合侵彻体通过动能侵彻和爆炸化学能释放两种毁伤机理联合作用，可大幅度提高战斗部的毁伤能力。
4结论
通过对含能复合侵彻体的爆炸成型与侵彻过程
数值模拟，得到如下结论：（1）复合侵彻体头部速度随外层含能罩壁厚的增大而增大，长径比先增大后减小，当内外罩壁厚组合为3mm-3mm 时，复合侵彻体穿靶深度达到最大，相比含能EFP 穿靶深度增大约21.07%。（2）通过对间隔靶的侵彻模拟得出：含能复合侵彻体前端金属毁伤元破甲开孔，为含能毁伤元作用后效靶开辟通道，通过动能侵彻和爆炸化学能释放两种毁伤机理联合作用，大幅度提高战斗部的毁伤效能，可为高效毁伤战斗部和含能药型罩的设计与研究提供参考。
参考文献：
[1]Bo Janzon,Joseph The future of warheads,armor and ballistics[C]//23rd International Symposium on Ballistics.Tarragona,Spain,2007.
[2]
刘亚昆.爆炸成型含能复合侵彻体的数值模拟研究[D].太原：中北大学,2018.
[3]Douglas D.Reactive material enhanced warhead[C]//Peo Perspective
of
Manufacturing,
Defense Manufacturing
Conference.Las Vegas,2001.
[4]万文乾，余道强，彭飞，等.含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用[J].爆炸与冲击,2014,34(2):235-240.
[5]门建兵，蒋建伟，帅俊锋，等.复合反应破片爆炸成型与毁伤实验研究[J].北京理工大学学报,2010,30(10):1143-1146.[6]刘亚昆，吴国东，王志军，等.一种包覆式复合侵彻体的仿真研究[J].弹箭与制导学报,2018,38(1):19-22.
[7]Wang H F,Guo H G,Geng B Q,et al..Application of PTFE/Al reactive materials for double-layered liner shaped charge[J].Materials,2019(12):2768.
[8]刘亚昆，吴国东，伊建亚.F 装药形成包覆式复合侵彻体的仿真研究[J].兵器装备工程学报,2017(11):51-54.[9]
殷艺峰.活性材料增强侵彻体终点侵爆效应研究[D].北京：北京理工大学,2015.
