李媛媛，賈憲振，高立龍

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

斜侵徹是過載武器攻擊目標(biāo)過程中不可避免的一種運(yùn)動狀態(tài)。戰(zhàn)斗部斜侵徹靶板時要受到靶板的阻力作用，由于靶板的阻力與戰(zhàn)斗部的運(yùn)動方向不一致，從而導(dǎo)致戰(zhàn)斗部的運(yùn)動方向不斷發(fā)生改變［1］。彈體著靶有一定的傾角，這對彈體內(nèi)裝藥是更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，開展彈體斜侵徹過程中炸藥的動態(tài)響應(yīng)研究，不僅對深入認(rèn)識炸藥響應(yīng)機(jī)理、分析侵徹規(guī)律具有重要的理論意義，同時，對侵徹戰(zhàn)斗部炸藥裝藥的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高彈藥安全性能具有重要的參考價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)證明AUTODYN非線性動力學(xué)有限元程序在計(jì)算這種類似問題上可靠性較高［2］。該程序包含了多種接觸算法和材料庫，可以成功計(jì)算這種高速下的侵徹問題。賈憲振等［3］利用該程序?qū)η謴鼗炷吝^程中炸藥動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，。汪德武等［4］開展了斜侵徹彈體運(yùn)動分析與仿真研究。該程序包含了多種接觸算法和材料庫，可以成功計(jì)算此類高速下的侵徹問題。

在此采用動力學(xué)計(jì)算軟件AUTODYN對彈體斜侵徹混凝土過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究了斜侵徹過程中炸藥的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，分析了彈體內(nèi)炸藥可能發(fā)生危險(xiǎn)的部位，為侵徹類彈藥設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

戰(zhàn)斗部侵徹混凝土計(jì)算模型，如圖1所示。戰(zhàn)斗部殼體直徑為10 cm，總長度為24.6 cm，殼體材料為高強(qiáng)度合金鋼SteelS－7。裝藥為鑄裝B炸藥，裝藥形狀為圓柱形，直徑為8 cm，長度為15 cm?；炷涟邪鍨閳A柱形，直徑0.4 m，厚度為20 cm。戰(zhàn)斗部以800 m/s的速度從靶板中心處以8°的侵徹角入射侵徹。在裝藥上設(shè)置9個觀測點(diǎn)，用于讀取所關(guān)心區(qū)域的物理參數(shù)，如圖2所示。裝藥前端、中部和后端分別選取3個觀測點(diǎn)，觀察裝藥不同部位的動態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 斜侵徹模型

圖2 裝藥上的觀測點(diǎn)設(shè)置圖

計(jì)算中認(rèn)為裝藥(B炸藥)為各向同性材料。裝藥的強(qiáng)度采用Von-Mises準(zhǔn)則描述。裝藥的動態(tài)屈服應(yīng)力為200 MPa。采用Lee-Tarver三項(xiàng)點(diǎn)火增長模型描述炸藥在沖擊作用下是否發(fā)生點(diǎn)火和爆轟，即:

式(1)中，F(xiàn) 是反應(yīng)率，I，G1，G2，a，b，c，d，e，f，x，y，z都是計(jì)算時須輸入的參數(shù)。對于 B 炸藥，I=44 μs－1，G1=514 Mbar－2μs－1，a=0.01，c=0.222 2，d=0.666 7，x=4，y=2，G2、b、e、f和z均為0［4］。未爆炸藥和已爆炸藥的狀態(tài)方程均采用JWL狀態(tài)方程，即:

式(2)中，e為初始比內(nèi)能，A，B，R1，R2和 ω 均為 JWL 狀態(tài)方程參數(shù)。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

與垂直侵徹相比［3］，斜侵徹過程中裝藥的動態(tài)響應(yīng)具有不同的特點(diǎn)，除了垂直侵徹時需要關(guān)注的沖擊壓縮作用以外，裝藥與殼體的摩擦作用、裝藥內(nèi)部不同區(qū)域受力不均導(dǎo)致的剪切作用等也需重點(diǎn)關(guān)注。

讀取了裝藥中不同觀測點(diǎn)的壓力時程曲線，從這些壓力曲線可知斜侵徹時裝藥的前端和后端仍是兩個受力較明顯的區(qū)域，這些規(guī)律與垂直侵徹時是相同的［3］。同時，斜侵徹過程中的壓力分布規(guī)律與垂直侵徹時又有明顯不同，藥柱前端所受壓力作用沖量最大的區(qū)域不再是中心處(觀測點(diǎn)1)，而是藥柱前端靠近靶板的棱角處(觀測點(diǎn)2)。

圖3為裝藥前端面3個觀測點(diǎn)的壓力時程曲線，可見位于前端面中心的gauge1的峰值壓力最小，而接近靶板一側(cè)的gauge3的壓力峰值最大。這說明在斜侵徹時距離戰(zhàn)斗部殼體受力部位較近的裝藥受力較大。

圖3 裝藥前端3個觀測點(diǎn)的壓力時程曲線

圖4為炸藥裝藥尾部數(shù)值仿真壓縮狀態(tài)。彈體斜侵徹撞擊著靶時的應(yīng)力沖擊并不是單純的恒定應(yīng)力加載，而是應(yīng)力在炸藥內(nèi)部反復(fù)振蕩過程。從圖4中可以看出，彈體撞擊靶板的動態(tài)過程中，炸藥裝藥發(fā)生體積壓縮，彈體尾部出現(xiàn)裝藥的位移間隙，產(chǎn)生軸向拉伸和壓縮，使得炸藥裝藥經(jīng)受在高應(yīng)力應(yīng)變、較長持續(xù)時間內(nèi)的沖擊環(huán)境中，從而產(chǎn)生較大的能量積累。反復(fù)的壓縮和拉伸，使炸藥的損傷較嚴(yán)重，臨界起爆壓力大大降低［5］，所以彈體內(nèi)炸藥裝藥著靶時所受的應(yīng)力相對于單一沖擊加載時要復(fù)雜很多。

圖4 炸藥裝藥尾部數(shù)值仿真壓縮狀態(tài)

圖5為斜侵徹過程中炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)云圖。在侵徹過程中，彈體內(nèi)裝藥后端也出現(xiàn)了明顯了空隙。由于單日與靶板斜侵徹，所以在空隙消失過程中，裝藥后端面與殼體的碰撞不是正撞擊，而是以一定角度撞擊，這就導(dǎo)致接近靶板一側(cè)的空隙先消失，另一側(cè)的空隙隨后才消失，在此過程中，裝藥的應(yīng)力集中到裝藥底端遠(yuǎn)離靶板的一側(cè)，使得該處裝藥與殼體之間的作用力陡增，最終導(dǎo)致炸藥發(fā)生點(diǎn)火并有可能成長為爆轟。

圖5 斜侵徹過程中炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)

圖6為裝藥后端面3個觀測點(diǎn)的壓力時程曲線，可見位于后端面中心的gauge7的峰值壓力最大，而且該處的壓力在210 μs時呈現(xiàn)出突躍的特征，說明此時裝藥與殼體底端發(fā)生了碰撞，在裝藥中產(chǎn)生了應(yīng)力波。對于斜侵徹而言，存在裝藥和殼體底端的碰撞，以及由碰撞而造成的裝藥發(fā)生點(diǎn)火的潛在危險(xiǎn)。

圖7為斜侵徹過程中裝藥的等效應(yīng)變的分布云圖。對比文獻(xiàn)［3］，可見斜侵徹所對應(yīng)的等效應(yīng)變分布與正侵徹之后的等效應(yīng)變的分布規(guī)律是不同的。等效應(yīng)變不再呈對稱分布，表現(xiàn)為戰(zhàn)斗部先與靶板碰撞一側(cè)裝藥的等效應(yīng)變較大，亦即首先受到壓縮作用的一側(cè)裝藥的等效應(yīng)變更顯著。正侵徹情況下，最大等效應(yīng)變分布在裝藥中軸線，并且是緊靠裝藥前端面位置，而斜侵徹情況下，最大等效應(yīng)變的分布位置也發(fā)生了傾斜。根據(jù)圖7，斜侵徹時的最大等效應(yīng)變不再位于裝藥前端面，而是前端面內(nèi)部。

圖7 斜侵徹過程中的裝藥等效應(yīng)變分布

3 結(jié)束語

本文基于AUTODYN程序，計(jì)算了彈體斜侵徹過程中炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)，能夠預(yù)估彈體在傾斜侵徹硬目標(biāo)過程中炸藥的動態(tài)響應(yīng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到以下主要結(jié)論:采用的計(jì)算模型和方法可以用于研究彈體斜侵徹過程中的炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng);斜侵徹時彈體內(nèi)炸藥裝藥的前端和后端仍是兩個受力較明顯的區(qū)域，并且侵徹過程中藥柱后端面與殼體發(fā)生了碰撞，這些規(guī)律和垂直侵徹時相同。斜侵徹過程中，裝藥前端面的受力中心不再位于裝藥的端面中心處，而是位于靠近靶板一側(cè)的邊緣處，而裝藥后端面的受力中心仍然是端面中心。主要是由于裝藥和端面碰撞受力。對于彈藥設(shè)計(jì)，炸藥裝藥的防護(hù)不僅要從裝藥的前端面和后端面進(jìn)行考慮，還要從裝藥的側(cè)面進(jìn)行防護(hù)。

［1］ 余文力，王濤，董亮.戰(zhàn)斗部對混凝土靶板的斜侵徹跳彈極限角的計(jì)算［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，25(5):109－111.

［2］ Borvik T M.Langseth O S.Hopperstad，et al.Ballistic penetration of steel plates［J］.International Journal of Impact Engineering，1999，22(9/10):855 －866.

［3］ 賈憲振，李媛媛，郭洪衛(wèi)，等.彈體侵徹混凝土過程中炸藥動態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12(11):2528－2531.

［4］ 汪德武，高洪泉，杜海霞，等.斜侵徹彈體運(yùn)動分析與仿真［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26(3):121 －123.

［5］ 陳文，張慶明，胡曉東，等.侵徹過程沖擊載荷對裝藥損傷實(shí)驗(yàn)研究［J］.含能材料，2009，17(3):321 －324.

［6］ 袁亞楠，胡健，王少龍，等.鎢合金長桿彈斜侵徹間隔靶的數(shù)值仿真與試驗(yàn)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2011(7):10－15.

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(責(zé)任編輯周江川)