李 峰，石 全，尤志鋒

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)裝甲車輛毀傷效應(yīng)研究的逐漸深入，對(duì)裝甲車輛的毀傷元不僅局限于破片式戰(zhàn)斗部爆炸產(chǎn)生的破片，沖擊波對(duì)其造成的毀傷受到廣泛關(guān)注。沖擊波毀傷是戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)毀傷的重要形式[1]，尤其是在近距離爆炸時(shí)，會(huì)對(duì)自行火炮裝甲造成變形毀傷，甚至解體毀傷，因此研究沖擊波對(duì)裝甲車輛毀傷效應(yīng)十分重要。傅輝剛等[2]研究了裝藥量、炸距對(duì)毀傷效應(yīng)影響，得到了靶板撓度與裝藥量和炸距關(guān)系。趙旭東等[3]采用數(shù)值模擬方法研究了沖擊波毀傷裝甲靶板撓度，其結(jié)果與理論結(jié)果誤差較小。魯向輝[4]研究了爆炸載荷下裝甲車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了裝藥量對(duì)裝甲車輛毀傷效應(yīng)。陳銘[5]研究了TNT徑高比對(duì)爆炸沖擊波比沖量的影響，得出在一定范圍內(nèi)，徑高比越大，靶板的中心撓度越大，爆炸時(shí)產(chǎn)生的比沖量越大。

因此，研究爆炸沖擊波對(duì)裝甲車輛毀傷規(guī)律，是進(jìn)行沖擊波毀傷效應(yīng)研究及戰(zhàn)場(chǎng)搶修活動(dòng)部署的基礎(chǔ)。

1 沖擊波峰值超壓公式

目前已經(jīng)研究出多種計(jì)算沖擊波正壓區(qū)峰值超壓經(jīng)驗(yàn)公式，其中Henrych公式[6]屬于較為經(jīng)典的一種，可用于計(jì)算裸裝藥的沖擊波超壓值。

0.05≤r≤0.3

(1)

(2)

(3)

2 有限元模型及材料參數(shù)

2.1 物理模型

為了簡(jiǎn)化研究，將實(shí)際問題簡(jiǎn)化為炸藥在一定高度上起爆毀傷自行火炮裝甲靶板問題。炸藥為TNT，由于裝甲靶板的尺寸過大，在不影響研究基礎(chǔ)上將靶板縮小為600 mm×600 mm×10 mm，部件靶板縮小為600 mm×600 mm×5 mm，兩個(gè)靶板之間距離為15 mm，如圖1所示。

圖1 物理模型

2.2 有限元模型

利用AUTODYN-3D對(duì)問題進(jìn)行建模求解，炸藥材料為TNT[7]，形狀為立方體的裸裝藥，采用JWL狀態(tài)方程進(jìn)行描述，尺寸為100 mm×96 mm×200 mm，網(wǎng)格尺寸為4 mm。裝甲靶板和部件的材料為4340鋼，裝甲靶板的尺寸為600 mm×600 mm×10 mm，部件靶板尺寸為600 mm×600 mm×5 mm，網(wǎng)格尺寸為2 mm，為了提高計(jì)算精度，對(duì)靶板中間部件進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格尺寸為1 mm，x軸方向網(wǎng)格從中間進(jìn)行加密處理，加密格數(shù)為15個(gè)，y軸方向網(wǎng)格從底部進(jìn)行加密處理，加密格數(shù)為10個(gè)，以固定靶板四周?？諝庥虿捎脷W拉算法，尺寸為400 mm×200 mm×700 mm，網(wǎng)格尺寸為4 mm，對(duì)空氣域四周設(shè)置邊界流出條件，考慮到模型的對(duì)稱性，以y軸為對(duì)稱軸，建立1/2模型，沖擊波和靶板之間作用采用流固耦合算法[8],有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 材料參數(shù)

裝甲和部件靶板材料選用4340鋼，采用Shock狀態(tài)方程、Johnson Cook強(qiáng)度方程、Johnson Cook失效模型和Failure侵蝕模型進(jìn)行描述?？諝庥?yàn)槔硐霘怏w[9],γ取值為1.4，密度為1.225 mg/cm3，e取值為2.068×105。各個(gè)材料的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 裝甲和部件材料參數(shù)

表2 TNT炸藥材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 仿真結(jié)果

由圖3可知，在爆炸初期，起爆點(diǎn)起爆，在起爆點(diǎn)周圍產(chǎn)生了局部超壓區(qū)域，隨著沖擊波傳播，并迅速向四周擴(kuò)散，沖擊波以球形向外傳播。隨著沖擊波的繼續(xù)傳播，沖擊波首先對(duì)靶板中心進(jìn)行沖擊，隨后對(duì)靶板中心周圍進(jìn)行沖擊，并且在毀傷靶板后，靶板會(huì)使入射沖擊波形成反射波并向反方向進(jìn)行傳播。不同時(shí)刻的沖擊波傳播云圖如圖3，不同時(shí)刻的沖擊波超壓曲線如圖4所示。

將仿真到了沖擊波超壓值與Henrych公式進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖3 不同時(shí)刻沖擊波傳播壓力云圖

圖4 不同時(shí)刻沖擊波超壓曲線

圖5 沖擊波超壓值

由圖5可見，通過數(shù)值模擬得到超壓值與理論公式計(jì)算數(shù)值，從趨勢(shì)上看完全一致，能夠很好吻合，其數(shù)值稍有誤差，主要是空氣模型和起爆方式產(chǎn)生的，空氣為理想氣體，忽略了空氣溫度、濕度對(duì)沖擊波傳播的影響，而且起爆方式的不同也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此沖擊波超壓不能與經(jīng)驗(yàn)公式完全吻合，但變化趨勢(shì)一致，其仿真模擬值比經(jīng)驗(yàn)公式值偏小，這與文獻(xiàn)[10]論述一致，所以用該模型進(jìn)行裝藥量、炸高、裝甲板厚度對(duì)裝甲板毀傷分析是可信的。

3.2 裝藥量對(duì)毀傷效應(yīng)影響

裝藥量作為沖擊波一個(gè)重要?dú)麉⒘浚虼搜芯坎煌b藥量對(duì)裝甲板和部件的毀傷。裝甲板和部件之間距離為15 mm，測(cè)量不同裝藥量下沖擊波造成裝甲板和部件特定節(jié)點(diǎn)的位移，數(shù)值模擬結(jié)果如如圖6、圖7所示。

圖6 不同裝藥量下裝甲節(jié)點(diǎn)位移

圖7 不同裝藥量下部件節(jié)點(diǎn)位移

由圖6和圖7可知，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)裝甲板和部件進(jìn)行毀傷，造成節(jié)點(diǎn)位移值隨著離靶板中心的距離增大而降低，隨著裝藥量的增加而增大。對(duì)于裝甲板而言，隨著離靶板中心距離的增大，即使裝藥量增加，裝甲板節(jié)點(diǎn)位移增量幅度不明顯，如3.004 kg裝藥量的133.74 mm處節(jié)點(diǎn)位移增量只比3.605 kg裝藥量的133.74 mm處節(jié)點(diǎn)位移增量增加了1.6%，說明隨著離靶板中心距離的增大，沖擊波對(duì)靶板的毀傷程度逐漸降低，雖然節(jié)點(diǎn)位移增大，但增加幅度有所降低。對(duì)于部件，在有了裝甲板的防護(hù)后，沖擊波對(duì)部件的毀傷明顯低于對(duì)裝甲板的毀傷，部件節(jié)點(diǎn)最大位移值為1.76 mm，而造成裝甲板節(jié)點(diǎn)最大位移值可達(dá)到13.4 mm，是部件節(jié)點(diǎn)位移值的7.6倍。

3.3 炸高對(duì)毀傷效應(yīng)影響

炸高也作為沖擊波一個(gè)重要?dú)麉⒘?，因此研究不同炸高下沖擊波對(duì)裝甲板和部件的毀傷。裝甲板和部件之間距離為35 mm，測(cè)量不同爆炸高度下沖擊波對(duì)裝甲板和部件的毀傷，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知，裝甲板和部件節(jié)點(diǎn)位移值隨著離靶板中心的距離增大而減小，隨著炸高的增大而減小。炸藥的起爆高度越小，對(duì)裝甲板和部件造成的毀傷越嚴(yán)重，呈非線性增長(zhǎng)，但隨著離靶板中心距離的增大，節(jié)點(diǎn)位移增大的幅度逐漸減小，如裝甲板的133.74 mm處節(jié)點(diǎn)在500 mm炸高條件下與600 mm炸高相比節(jié)點(diǎn)位移只增加了2.89%。對(duì)于部件，在有了裝甲板防護(hù)后，沖擊波對(duì)部件的毀傷明顯降低，在300 mm炸高下，沖擊波對(duì)部件的毀傷程度最大，位移增加幅度最高，說明炸藥起爆高度越低對(duì)部件毀傷程度越大，但與裝甲板相比，沖擊波對(duì)裝甲板造成的毀傷是對(duì)部件的18倍。

圖8 不同炸高下裝甲板節(jié)點(diǎn)位移

圖9 不同炸高下部件節(jié)點(diǎn)位移

3.4 裝甲厚度對(duì)毀傷效應(yīng)影響

沖擊波造成裝甲板和部件的毀傷不僅與沖擊波的裝藥量和炸高有關(guān)，也與裝甲板的抗毀傷性能密切相關(guān)，因此研究不同裝甲板厚度下沖擊波對(duì)裝甲板和部件的毀傷。數(shù)值模擬結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 不同裝甲板厚度下裝甲板節(jié)點(diǎn)位移

由圖10、圖11可知，裝甲板和部件的節(jié)點(diǎn)位移變化值隨著裝甲板厚度的增加而降低，隨著離靶板中心距離增大而減小，這主要是因?yàn)檠b甲板的厚度不同影響了沖擊波的傳播路徑與傳播特性[11]。在裝甲板為7 mm厚度時(shí)，沖擊波對(duì)裝甲板和部件的毀傷程度最大，但部件在有了裝甲板防護(hù)后，沖擊波對(duì)裝甲板的毀傷是對(duì)部件的18.7倍。

圖11 不同裝甲板厚度下部件節(jié)點(diǎn)位移

4 結(jié)論

1) 沖擊波對(duì)裝甲板和部件的毀傷程度隨著裝藥量的增大而增大，隨著起爆高度的增大而減小，隨著裝甲板厚度增大而較?。?/p>

2) 隨著節(jié)點(diǎn)距離靶板中心的增大，裝甲板和部件的節(jié)點(diǎn)位移變化值越來(lái)越小，表明沖擊波對(duì)沖擊中心毀傷程度最大，隨著離靶板中心距離增大逐漸遞減；

3) 裝甲板可以有效的降低沖擊波對(duì)部件的毀傷，4.8 kg裝藥量下沖擊波對(duì)裝甲板毀傷程度是對(duì)部件的7.6倍，300 mm炸高下沖擊波對(duì)裝甲板毀傷程度是對(duì)部件的18倍，7 mm裝甲板厚度下沖擊波對(duì)裝甲板毀傷程度是部件的18.7倍，為下一步?jīng)_擊波的毀傷效應(yīng)研究提供了參考。