EFP爆炸成形弹丸成形过程模拟

CAE大拿

爆炸成形弹丸（Explosively Formed Penetrator，简称爆炸成形弹丸）是一种反装甲目标的战斗部。自20 世纪60 年代开始应用于武器弹药以来，一直受到美国、俄罗斯等军事强国的重视，广泛应用于反舰导弹、末敏弹和反坦克智能雷等反装甲弹药上[1]。爆炸成形弹丸的形成机理非常复杂，影响因素很多。对于等壁厚球缺型药型罩的EFP 成形，在各种影响因素中，装药长径比、药型罩曲率半径、药型罩壁厚、壳体厚度是影响EFP 成形性能的重要因素。早期大多采用实验研究方法。进入80 年代后期，随着计算机软、硬件技术的不断发展，以及人们对于材料在大变形、高应变率、高温、高压下动态行为的认识更加深入，计算机仿真在爆炸成形弹丸战斗部设计中发挥出更大的作用，国内外学者将计算机仿真与非线性优化数学方法相结合开展了爆炸成形弹丸战斗部的优化设计。

1 模型介绍
典型锥形罩EFP战斗部装药由火药、药型罩、壳体和端盖组成。火药为钝化黑索金火药，有效药量为0.78kg，装药高度和直径分别为82mm、95mm，药型罩选用紫铜，形状为等壁厚大锥角圆锥罩，锥度为120度，壳体和端盖均为钢材料。

采用多物质欧拉法模拟EFP战斗部爆炸成形过程，多物质欧拉法适合模拟弹丸成形过程中的大变形，能够很好的模拟弹丸的加速和成形过程。由于地雷是圆柱形，具有轴对称性，为了减少计算量，爆炸成形弹丸地雷仿真模型才有1/2模型，如下：


2 材料模型介绍
2.1理想空气材料卡
对于理想空气的模拟，采用理想气体状态方程模拟，即γ律状态方程EOSGAM。


2.2火药材料卡
对于火药的模拟，采用JWL状态方程模拟。
钝化黑索金火药材料卡片如下图所示：


2.3药罩材料卡
对于药罩的模拟，采用状态方程/弹塑性本构描述材料的高压下的大变形行为。药罩结构材料采用多项式状态方程本构，并采用Johnson-Cook 屈服模式，用来描述金属材料在大变形、高应变率和高温条件下的本构关系。
紫铜药罩的材料卡片如下图所示：


2.4壳体材料卡
对于壳体的模拟，采用状态方程/弹塑性本构描述材料的高压下的大变形行为。壳体结构材料采用多项式状态方程本构，并采用冯•米塞斯屈服模型YLDVM。
壳体状态方程如4.2.3所述。
壳体屈服模式采用冯•米塞斯屈服模型YLDVM。
壳体A3钢材料卡如下如所示：


3载荷及边界条件介绍
3.1欧拉初始条件
欧拉单元的初始状态可以用TICEL 或TICEUL 来定义。这是用来设定模型在分析开始时的状态，此后的状态由计算确定。

TICEL 卡用来定义单元的初始状态。任何单元物理量都可以赋予一定的初始值。TICEUL 卡用来针对欧拉网格中的几何区域定义初试状态。TICEUL 必须与EULER1卡配合使用。几何区域可以是圆柱形或球形，也可以是由某个单元集构成的。每个几何区域都有一个级别号。当两个区域相互覆盖时，它们的公共区域的初始值的定义依级别号较高的几何区域为准。利用若干不同级别号不同形状的几何区域相互覆盖，可以构造出形状较为复杂的几何区域用于初始状态的定义。相同级别号的区域不能相互覆盖，否则会发生错误。

初始条件定义的步骤如下图所示：

欧拉域初始形状定义为球形，如下图所示：

药罩初始形状由药罩表面dummy shell单元确定，药罩初始形状定义如下图所示：

壳体初始形状由壳体表面dummy shell单元确定，壳体初始形状定义如下图所示：

火药初始形状由火药表面dummy shell单元确定，火药初始形状定义如下图所示：

各物质的逻辑顺序，如下图所示：


3.2欧拉边界条件
流场边界条件定义欧拉网格边界上流进流出网格的材料的物理性质及其位置。在MSC.Dytran中，欧拉域的默认截断边界时对称边界条件，采用1/2模型计算，也就是说，其1/2模型的对称面可以选用默认的边界条件。其余五个面，需要定义流出边界条件，否则会导致欧拉域内压力急剧增大。

欧拉域的边界条件如下图所示：


3.3起爆点定义
具有JWL 类型状态方程的欧拉单元在分析过程中会发生爆炸。模型中必须有一张DETSPH 卡用于爆炸波的定义。爆炸波的波阵面是一个球形面。DETSPH 卡上定义起爆点的位置，起爆时间，爆炸波的传播速度。程序据此计算每个火药单元的爆炸时间。不具有JWL 型状态方程的党员不受影响。


3.4求解控制及输出控制
时间步长和计算结束时间控制
采用MSC.Dytran进行显式有限元分析，需要定义初始时间步长和最小时间步长，以及计算结束时间。计算成形过程时间为1.5e-4s。

时间步长和计算结束时间控制如下图所示：


欧拉域内物质最大速度控制
欧拉域内物质最大速度控制如下图所示：


结果输出控制
结果输出控制，主要是方便客户定制需要的结果数据，包括动画、云图、曲线等等。
结果输出控制如下图所示：


4、计算结果
采用多物质欧拉法，建立某爆炸成形弹丸地雷的详细模型，对起爆、翻转过程进行模拟，计算弹丸的成形尺寸及速度等。计算成形过程时间为1.5e-4s，计算费时为3374s。

4.1EFP成形过程计算结果
计算显示，由于火药底部中心点起爆，爆轰波以球形波的形式向外扩散，爆轰波首先轰击到药罩的底部中心点，药罩的中心首先被加速，紧跟着药罩的边缘也被加速，整个药罩被驱动沿轴向飞出，药罩在飞行过程中，由于中心先被加速，中心速度大于边缘，故药罩发生翻转，在继续飞行一段时间后，翻转完成，药罩以一种稳定的形态向前飞行。

药罩翻转成形过程如下图所示：

0s

2.4e-5s

4.8e-5s

6.0e-5s

7.2e-5s

9.6e-5s

1.2e-5s
弹丸成形尺寸如下图所示：


4.2EFP弹丸速度计算结果
药罩的中心首先被加速，紧跟着药罩的边缘也被加速，整个药罩被驱动沿轴向飞出。由于EFP弹丸采用欧拉法模拟，其弹丸翻转后的顶部物质在欧拉网格中不断运动，因此在取头部速度结果时需要先找到头部在哪个欧拉网格，然后再取出该网格的速度大小。另外，可以根据整个EFP弹丸的动能，计算得到其平均速度曲线。

EFP弹丸头部速度曲线和平均速度曲线如下图所示：


5小结
采用多物质欧拉法，对起爆、翻转过程进行模拟，成形过程清晰。爆炸开始后，爆轰波首先轰击药罩底部，底部先被加速，在3e-5s内加速到3450m/s左右，然后药罩中心翻转。药罩边缘在爆轰波作用下也随即被加速，但由于药罩中心先加速，且速度高于药罩边缘，因此药罩整体被拉长，最终形成一个速度在2520m/s的弹丸。弹丸尺寸宽度为44mm，长度为77mm，形状为不规则锥筒形。计算EFP弹丸头部速度和平均速度准确。

小小结构师

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