李東偉，譚正軍，郝 宇，曾令清，汪 衡

(1.重慶紅宇精密工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 402760；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

1 引言

戰(zhàn)斗部在撞擊靶板瞬間，會(huì)在撞擊界面產(chǎn)生壓縮波向彈體及內(nèi)部裝藥傳播，同時(shí)，由于靶板滯止作用，戰(zhàn)斗部裝藥承受巨大的慣性沖擊載荷作用。在前驅(qū)應(yīng)力波及慣性沖擊沖擊載荷復(fù)合作用下，炸藥裝藥的內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生裂紋、破碎等損傷，在后續(xù)侵徹過(guò)程中，將可能導(dǎo)致裝藥“早炸”[1-4]。因此，在裝藥危險(xiǎn)部位填充緩沖材料，降低炸藥裝藥所受到的沖擊應(yīng)力，提高裝藥安全性，具有重要意義。

緩沖材料按其工作機(jī)理分為結(jié)構(gòu)緩沖(如多孔金屬等)和柔性緩沖(如橡膠等)2種[5]。多孔材料壓縮性較大，在侵徹過(guò)程中易發(fā)生大變形，導(dǎo)致裝藥顆粒之間劇烈的摩擦，降低炸藥安定性，因此侵徹戰(zhàn)斗部緩沖材料不宜采用空間結(jié)構(gòu)緩沖材料[6]。董永香等[7]研究了應(yīng)力波在多層介質(zhì)中的傳播與衰減。張丁山等[8]基于應(yīng)力波理論，研究了侵徹戰(zhàn)斗部撞擊靶標(biāo)過(guò)程中應(yīng)力波傳播過(guò)程，建立了應(yīng)力波傳播數(shù)學(xué)計(jì)算模型。李媛媛等[9]在彈體前端填充緩沖層，采用AUTODYN對(duì)不同種類、厚度緩沖材料的緩沖特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。Zhu等[10]采用AUTODYN計(jì)算了侵徹時(shí)壓力通過(guò)緩沖材料傳入裝藥的情況，指導(dǎo)緩沖材料設(shè)計(jì)。黃榮和石嘯海等采用LS-DYNA計(jì)算了不同緩沖材料戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)部裝藥的應(yīng)力響應(yīng)[11-12]。許志峰等[13]采用大型落錘模擬加載系統(tǒng)研究了緩沖裝置對(duì)炸藥裝藥抗過(guò)載安全性的影響。

綜上所述，目前針對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥防護(hù)研究工作主要集中于單一緩沖材料方面，緩沖結(jié)構(gòu)形式對(duì)裝藥防護(hù)效果影響研究鮮有報(bào)道。本文采用有限元計(jì)算軟件LS-DYNA，開展典型柔性材料種類、厚度、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥防護(hù)效果影響研究，為侵徹戰(zhàn)斗部裝藥設(shè)計(jì)提供參考。

2 計(jì)算模型

戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶數(shù)值計(jì)算模型由戰(zhàn)斗部殼體、炸藥裝藥、防護(hù)材料和靶板組成。戰(zhàn)斗部尺寸為φ76 mm×306 mm，彈頭CRH為1.2，殼體厚度為0.8 cm。靶板為φ760 mm×8 mm的鋼板，靶板傾角70°。戰(zhàn)斗部以600 m/s速度斜侵徹靶板，考慮到幾何模型力學(xué)對(duì)稱性，建立戰(zhàn)斗部侵徹靶板1/2計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖1。彈體與靶板之間采用面-面侵蝕接觸。所有單元均為8節(jié)點(diǎn)solid164實(shí)體單元，計(jì)算模型采用Lagrange算法，單位為cm-g-μs。

1-projectile；2-charge；3-cushion material；4-target

戰(zhàn)斗部殼體采用超高強(qiáng)度合金鋼，炸藥裝藥為DMCX(DNAN/HMX/Al/助劑)炸藥。靶板采用船用鋼板。戰(zhàn)斗部殼體、炸藥和靶板均力學(xué)本構(gòu)采用Johnson-Cook模型。Johnson-Cook模型表達(dá)式如下[14]：

(1)

戰(zhàn)斗部殼體和靶板狀態(tài)方程均采用Grüneisen模型。Grüneisen模型描述壓縮材料表達(dá)式為：

(2)

描述膨脹材料表達(dá)式為：

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)

(3)

式中，C為體積聲速；μ=ρ/ρ0-1；γ0為Grüneisen常數(shù)；α為γ0的一階體積修正。

緩沖材料退火純鋁(Al)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)采用Johnson-Cook本構(gòu)模型。有機(jī)玻璃采用流體彈塑性本構(gòu)模型和Grüneisen狀態(tài)方程。各部件模型參數(shù)見表1。

表1 材料本構(gòu)模型參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 戰(zhàn)斗部裝藥動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

采用有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA，計(jì)算得到了戰(zhàn)斗部以600 m/s的速度斜侵徹鋼板動(dòng)力學(xué)響應(yīng)情況。

利用Matlab軟件對(duì)戰(zhàn)斗部運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到戰(zhàn)斗部殼體及裝藥速度、加速度曲線如圖2。

圖2 戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶過(guò)程殼體和裝藥速度、加速度曲線

在研究斜侵徹過(guò)程戰(zhàn)斗部速度降時(shí)，我們關(guān)注的是戰(zhàn)斗部相對(duì)于靶板垂直運(yùn)動(dòng)情況，而平行于靶板的運(yùn)動(dòng)屬于無(wú)效運(yùn)動(dòng)，圖2所示速度的方向?yàn)榇怪庇诎邪濉?/p>

由圖2可以看到，戰(zhàn)斗部撞擊靶板初始階段，由于靶板的阻力作用，戰(zhàn)斗部減加速度劇增，速度驟減；當(dāng)戰(zhàn)斗部頭部穿出靶板時(shí)刻(t1=29 μs)阻力減小，減加速度減小，直到頭部完全穿出靶板(t2=140 μs)時(shí)阻力減至最低，加速度出現(xiàn)拐點(diǎn)，并開始正向增加，速度開始增大。由于慣性作用，戰(zhàn)斗部裝藥與殼體存在速度差，t3=244 μs時(shí)刻之前，戰(zhàn)斗部殼體速度大于裝藥速度，裝藥尾部受到壓縮，t3=244 μs時(shí)刻之后，戰(zhàn)斗部殼體速度小于裝藥速度，裝藥向前撞擊殼體分離，產(chǎn)生慣性沖擊載荷。之后，裝藥在殼體內(nèi)部做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到戰(zhàn)斗部裝藥與殼體以相同的速度向前運(yùn)動(dòng)。

利用Matlab軟件對(duì)裝藥頭部、中部和尾部位置(如圖3所示)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到戰(zhàn)斗部裝藥?kù)o水壓力曲線如圖4所示。

1#-head gauge；2#-central gauge；3#-tail gauge

圖4 戰(zhàn)斗部侵徹鋼靶過(guò)程裝藥?kù)o水壓力曲線

由圖4可以看到：戰(zhàn)斗部頭部裝藥受力最大，中部次之，尾部最小，裝藥頭部是危險(xiǎn)部位，需要重點(diǎn)防護(hù)；同時(shí)，裝藥尾部應(yīng)力在侵徹后期增加，這是由于裝藥尾部相對(duì)于殼體向后運(yùn)動(dòng)，撞擊殼體尾部導(dǎo)致的。

結(jié)合圖2和裝藥頭部應(yīng)力時(shí)間曲線，圖4中A峰為高速撞擊產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波，B峰和C峰為慣性沖擊波。前驅(qū)沖擊波峰值小，慣性沖擊波峰值大，因此，侵徹過(guò)程中裝藥點(diǎn)火可能是由于慣性沖擊載荷導(dǎo)致的。

圖5為典型時(shí)刻戰(zhàn)斗部VMS應(yīng)力等值面圖。

圖5 戰(zhàn)斗部侵徹靶板不同時(shí)刻VMS應(yīng)力等值面圖

由圖5可以看到，裝藥頭部應(yīng)力在戰(zhàn)斗部穿靶過(guò)程處于較高水平。

3.2 材料類型對(duì)防護(hù)效果影響

由前述分析得到，裝藥頭部是危險(xiǎn)部位，需要重點(diǎn)防護(hù)。防護(hù)材料需選用具有良好塑性的熱塑性材料。退火純鋁(Al)、尼龍(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、有機(jī)玻璃(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)均為常用且性能優(yōu)良的彈塑性材料。文獻(xiàn)[11]和[12]已經(jīng)針對(duì)PA、PTFE、PMMA的緩沖性能進(jìn)行了研究，得到了PMMA和PTFE做緩沖層能明顯減小裝藥頭部受到的軸向應(yīng)力，且有機(jī)玻璃做緩沖層對(duì)于裝藥的保護(hù)最為有效。因此，本小節(jié)緩沖材料選用PMMA、Al、PE和PC等4種常用材料。在保持戰(zhàn)斗部殼體不變的前提下，在裝藥頭部設(shè)置緩沖層，厚度H分別設(shè)為10 mm、20 mm、30 mm和40 mm，模型示意圖如圖6。

圖6 戰(zhàn)斗部計(jì)算模型示意圖

圖7給出了不同緩沖材料、不同厚度情況下，戰(zhàn)斗部斜侵徹靶板，頭部裝藥觀測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力曲線。

由圖7可以看到：

圖7 不同緩沖材料下裝藥應(yīng)力曲線

1)退火純鋁(Al)、有機(jī)玻璃(PMMA)、聚乙烯(PE)和聚碳酸酯(PC)4種柔性(彈塑性)緩沖材料均能夠有效衰減戰(zhàn)斗部撞擊靶板時(shí)作用于裝藥的前驅(qū)沖擊波(應(yīng)力波)和隨后慣性沖擊載荷；

2)緩沖層厚度較小(10 mm、20 mm)時(shí)，材料類型對(duì)緩沖效果影響不明顯；隨著緩沖層厚度的增加，緩沖效果差異性逐漸明顯；

3)通過(guò)綜合對(duì)比，退火純鋁對(duì)沖擊載荷(特別是2次、3次慣性沖擊載荷)具有更強(qiáng)的衰減作用。文獻(xiàn)[12]報(bào)道有機(jī)玻璃做緩沖層對(duì)于裝藥的保護(hù)最為有效，但退火純鋁是一種更有效的緩沖材料。

為了更清晰地對(duì)比材料厚度對(duì)緩沖效果的影響，以退火純鋁為例，得到了不同緩沖材料厚度下，侵徹過(guò)程裝藥應(yīng)力曲線，如圖8。這里需要說(shuō)明的是，本文所研究的緩沖材料在不同厚度下對(duì)裝藥的緩沖特性規(guī)律相似，這里僅以退火純鋁為代表進(jìn)行分析。

由圖8可以看到：

圖8 不同退火純鋁緩沖層厚度下裝藥應(yīng)力曲線

1)隨著緩沖層厚度的增加，裝藥應(yīng)力減小，說(shuō)明防護(hù)性能增強(qiáng)；

2)裝藥頭部緩沖層由20 mm增加至30 mm時(shí)，防護(hù)能力有較大提升，但從30 mm提升至40 mm時(shí)，防護(hù)效果基本相當(dāng)。這是由于沖擊波壓力在材料中服指數(shù)衰減，在較小的厚度時(shí)，增加緩沖材料厚度對(duì)應(yīng)力波衰減作用增量大，但增加到一定厚度時(shí)，對(duì)應(yīng)力波衰減作用增量減小。這一結(jié)果在文獻(xiàn)[17]中得到驗(yàn)證。因此，戰(zhàn)斗部裝藥緩沖材料厚度具有最優(yōu)值，并非越厚越“好”。

本文研究條件下，優(yōu)選30 mm退火純鋁作為戰(zhàn)斗部裝藥緩沖，可使戰(zhàn)斗部裝藥應(yīng)力下降43%。

3.3 結(jié)構(gòu)形式對(duì)防護(hù)效果影響

由應(yīng)力波基礎(chǔ)知識(shí)易知，在應(yīng)力波傳播過(guò)程中，當(dāng)它從一種介質(zhì)進(jìn)入與之相接觸的另一種介質(zhì)時(shí)，應(yīng)力波將在2種介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象。透射波的強(qiáng)度ΔσT可以表示為：

ΔσT=T·ΔσI

(4)

式中，T為透射系數(shù)，T=2/(1+n)；n為2種介質(zhì)的聲阻抗比。

當(dāng)應(yīng)力波從A、B兩種材料交替疊加形成的多層結(jié)構(gòu)中穿過(guò)時(shí)，不考慮應(yīng)力波傳播過(guò)程中的損耗，透射波的強(qiáng)度為：

(5)

式中，T1為A→B透射系數(shù)，T2為B→A透射系數(shù)，顯然，T1/T2=1/n；m為應(yīng)力波A→B的次數(shù)，l為應(yīng)力波B→A的次數(shù)。

假設(shè)材料A與材料B的聲阻抗比n=2.0。分別計(jì)算初始應(yīng)力波從材料A傳入材料B和從材料B傳入材料A兩種情況下多層復(fù)合材料透射波衰減系數(shù)隨透射次數(shù)變化曲線，如圖9。

圖9 多層復(fù)合材料透射波衰減系數(shù)隨透射次數(shù)變化曲線

由圖9可以看到：

1)材料A與材料B總層數(shù)相同時(shí)，從較“硬”的材料傳入較“軟”的材料中的時(shí)應(yīng)力衰減效果較好。

2)材料A加材料B的總層數(shù)為奇數(shù)時(shí)，材料疊加順序?qū)?yīng)力衰減效果無(wú)影響。

進(jìn)一步，采用有限元計(jì)算軟件ANSYS/LS-DYNA，研究多層組合緩沖材料對(duì)戰(zhàn)斗部裝藥的防護(hù)效果。本小節(jié)在保持戰(zhàn)斗部殼體和緩沖層總厚度(30 mm)不變的前提下，在裝藥頭部設(shè)置多層組合緩沖層，結(jié)構(gòu)分別為等厚度的Al+PE、PE+Al、Al+PE+Al和PE+Al+PE、PE+Al+PE+Al、Al+PE+Al+PE，模型示意圖如圖10所示。

圖10 多層結(jié)構(gòu)戰(zhàn)斗部計(jì)算模型示意圖

圖11表示了不同緩沖材料結(jié)構(gòu)形式下，戰(zhàn)斗部斜侵徹靶板，頭部裝藥觀測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力。

由圖11可以看到：

圖11 不同緩沖結(jié)構(gòu)下裝藥應(yīng)力曲線

1)在裝藥頭部緩沖層總厚度相同的情況下，采用多層結(jié)構(gòu)緩沖體可以達(dá)到與整體退火純鋁相當(dāng)?shù)木彌_效果；

2)隨著“軟”、“硬”間隔緩沖層數(shù)的增加，緩沖能力增強(qiáng)，當(dāng)緩沖層數(shù)達(dá)到4層時(shí)，緩沖效果優(yōu)于退火純鋁；

3)對(duì)于頭部緩沖層而言，侵徹過(guò)程為一個(gè)應(yīng)力波在材料中傳播的過(guò)程，由前文分析易知，應(yīng)力波隨透射次數(shù)增加，幅值衰減增加，且當(dāng)通過(guò)材料界面的次數(shù)相同時(shí)，從較“硬”材料傳入較“軟”的材料中的次數(shù)較多，透射系數(shù)越小。在計(jì)算中Al+PE+Al+PE結(jié)構(gòu)形式可使裝藥應(yīng)力下降47%，比PE+Al+PE+Al結(jié)構(gòu)多降低了8%，前者具有更好的緩沖效果。

4 結(jié)論

1)戰(zhàn)斗部裝藥頭部填充柔性緩沖材料能夠有效衰減戰(zhàn)斗部撞擊靶板時(shí)作用于裝藥的前驅(qū)沖擊波和隨后慣性沖擊載荷。

2)隨著緩沖層厚度的增加，緩沖效果差異性逐漸明顯，防護(hù)性能增強(qiáng)。

3)退火純鋁與有機(jī)玻璃相比，對(duì)沖擊載荷(特別是2次、3次慣性沖擊載荷)具有更強(qiáng)的衰減作用。

4)采用“軟”、“硬”相間多層結(jié)構(gòu)緩沖體，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥的防護(hù)作用，且采用軟材料與裝藥可以獲得更好的防護(hù)效果。

5)研究結(jié)果可為高安全性侵徹戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。