1 引言

未来战场要求武器系统能适应信息化、精确化、多功能化的趋势, 要求弹药能对付战场中出现的多种目标^[1]，如坦克、步兵战车、通信指挥车、装甲运输车, 以及超低空飞行器等。为使同一弹药能对付战场中出现的多种目标，多模式战斗部成为当前成型装药技术研究的热点问题。

Steinmann F等^[2]设计了一种多模式战斗部，通过中心点起爆形成稳定飞行的爆炸成型弹丸(explosively formed projectile，EFP)，通过环形起爆形成伸长式EFP，通过环形起爆和中心点延迟4μs起爆形成破片。Baker L等^[3]研究了可选择起爆成型装药，通过改变起爆技术达到对轻装甲、地质材料等的毁伤。解文辉等^[4]计了一种点、环多模式起爆装置，可使EFP战斗部实现不同的毁伤模式。李伟斌等^[5]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两种模态的转换。上述对多模式战斗部研究都是以改变起爆方式来实现多模毁伤元的转换。环形起爆对装药结构对称性要求高，而且要严格保证各起爆点的起爆时差足够小，批量生产时起爆同步性很难保证^[6]。

针对以上不足，本研究设计了一种新型、有效的实现EFP不同毁伤模式的方法，即在药型罩前加装一个带有刻槽铜环的机械装置，从而实现带尾翼大长径比EFP和EFP两种模态的转换，此方法在中心起爆装药的情况下就可以实现。

2 计算模型与参数选择 2.1 战斗部结构

EFP战斗部由炸药、药型罩、壳体、刻槽圆环、机械装置构成，其设计如图 1所示，图 2为EFP战斗部结构剖视图。药型罩采用等壁厚球缺罩，曲率半径R=80 mm，口径为90 mm，壁厚为4.0 mm；固定在机械装置上的圆环厚度为4.0 mm，内圈直径为50 mm，外圈直径为90 mm，刻槽深度为2.0 mm，刻槽角度为20°(见图 3)；壳体厚度为3 mm；装药高度H=90 mm；起爆方式选择单点起爆，起爆点在装药底面圆心处。

2.2 计算模型

应用Truegrid软件建立战斗部有限元计算模型，然后运用有限元软件ANSYS/LS DYNA对其成型过程进行数值模拟。考虑到若在数值模拟计算中采用传统的拉格朗日网格模拟炸药的爆轰过程和药型罩的压垮及成型过程，网格会出现严重的畸变现象，不利于计算的进行。为避免上述问题的出现，采用流固耦合方法对带尾翼EFP和EFP的成型过程进行了模拟。其中炸药、药型罩、空气网格均采用单点欧拉多材料体单元，炸药周围用空气网格填充；壳体、铜环、机械装置均采用拉格朗日六面体网格单元，并且耦合在空气网格中。网格单元选用Solid164八节点六面体单元，计算中采用的单位制为：mm-ms-kg-GPa。根据装药结构的对称性，建立1/4模型，以节省计算时间与周期。

计算时，药型罩材料选用钽，参数见表 1。圆环材料为紫铜^[7]，参数见表 2。壳体材料为钢，采用JOHNSON-COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程来描述药型罩、圆环和壳体在爆轰波作用下的动态响应过程和高应变条件下的材料变形问题。炸药选用8701炸药^[8]，采用HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸药材料模型和JWL状态方程，参数见表 3。JWL状态方程精确描述了在爆炸驱动过程中爆轰气体产物的压力、体积、能量特性。空气材料采用MAT_NULL模型；状态方程为线性多项式，用EOS_LINEAR_POLYNOMIAL来描述，参数见表 4。

3 EFP和带尾翼大长径比EFP成型过程数值模拟

EFP成型过程如图 4所示。装药起爆后, 球形爆轰波向药型罩运动，12 μs时刻爆轰波首先碰击罩顶点, 药型罩发生极大的塑性变形而被压垮、并翻转成平板(如图 4b所示)。由于罩口部径向装药较少，导致在稀疏波作用下，压力降低较早，所以，药型罩轴线附近的微元获得的轴向速度大于罩边缘，在49 μs时刻产生了轴向拉伸现象。药型罩最终在拉伸和压垮的作用下形成稳定飞行的EFP弹丸(如图 4d所示)。

带尾翼EFP成型过程如图 5所示。0~30 μs时，主装药爆炸后，产生的爆轰波首先作用于钽药型罩，药型罩微元存在轴向速度，各个部位在运动中存在挤压现象，药型罩中部会逐渐增厚，同时药型罩逐渐翻转。30 μs时，翻转的钽药型罩碰撞铜环。最后，钽药型罩与铜环一起运动，钽药型罩形成EFP主体，铜环形成EFP的8个对称尾翼(如图 5d所示)。带尾翼EFP形状类似于“羽毛球”。

4 两种模态的EFP对比分析

对战斗部加装铜环与否分别进行仿真，当药型罩前加装铜环时，由于药型罩与铜环之间摩擦阻力的作用，使得翻转后的罩体碰撞铜环之后不能分开，实现共同飞行，最终形成带尾翼EFP。未加铜环在战斗部时，形成EFP。由于在240 μs时刻带尾翼EFP长径比达到最大, 故选择在此刻进行二者的对比分析。

两种模态的EFP对比分析见表 5。带尾翼EFP的长径比(2.64)是EFP长径比(0.96)的2.75倍，其头部速度比EFP增加了15%。与EFP相比，带尾翼EFP飞行速度更大、长度更长、侵彻能力更强，可对付重型装甲目标。

5 结论

(1) 采用有限元动力分析程序LS-DYNA，对本文所述的战斗部成型过程进行了数值模拟，当药型罩前加装铜环时，战斗部形成带尾翼EFP。当铜环在战斗部作用前被抛开时，形成EFP。这实现了在同一成型装药战斗部的基础上，通过抛掷或加装刻槽圆环，获得EFP和带尾翼大长径比EFP两种模态之间的转换，为多模战斗部的设计工作打下了基础。

(2) 带尾翼EFP的长径比是EFP长径比的2.75倍，其头部速度比EFP增加了15%。大大提高了战斗部的毁伤能力。