李傳增，王樹山，榮 竹

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100081;2.中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司 第5424廠，北京 101149;3.中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司 第524廠，吉林 132021)

爆炸成型彈丸，是近30年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)。它利用聚能原理，通過裝藥的爆轟作用，使大錐角藥型罩或球缺藥型罩發(fā)生極大的塑性變形，而被壓垮、閉合形成具有較高質(zhì)心速度(1500 m/s～3000 m/s)和一定結(jié)構(gòu)形狀的彈丸，從而以動能沖擊目標(biāo)［1］。由于EFP在大炸高下能保持完整的彈丸特性來攻擊裝甲目標(biāo)［2］，因此它已成為軍事領(lǐng)域一種重要的戰(zhàn)斗部，其威力可達(dá)到在1000倍裝藥口徑的距離上穿透厚度相當(dāng)于1倍裝藥口徑的均質(zhì)裝甲［3］，所以抗EFP沖擊是判斷坦克裝甲和混凝土工事防護(hù)能力的一個重要依據(jù)，研究EFP對裝甲靶板的高速沖擊效應(yīng)，可為增強(qiáng)裝甲的防護(hù)能力提供更全面的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

由于EFP高速沖擊裝甲靶板過程涉及材料在高溫高壓、大變形、大應(yīng)變率等條件下的強(qiáng)非線性和動力相互作用，僅靠理論分析和實驗很難認(rèn)識整個過程中所產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)。為此，本文在實驗呈現(xiàn)沖擊現(xiàn)象的同時，結(jié)合 ANSYS/LS－DYNA動力學(xué)仿真軟件，對EFP從形成到?jīng)_擊完成的整個過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并分析了沖擊過程中產(chǎn)生各現(xiàn)象的原因，從機(jī)理上研究了EFP對裝甲靶板的高速沖擊效應(yīng)。

1 沖擊實驗

1.1 EFP結(jié)構(gòu)

加工并裝配三發(fā)EFP戰(zhàn)斗部進(jìn)行實驗，實驗彈由工程塑料覆層、58SiMn鋼殼體、JH－14擴(kuò)爆藥、8701主裝藥、紫銅藥型罩及起爆部件(模擬引信和雷管)等組成。EFP結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EFP結(jié)構(gòu)和照片F(xiàn)ig.1 Structure and photo of EFP

1.2 測試系統(tǒng)

本文選用603裝甲靶板作為沖擊對象，主要是因為國內(nèi)外普遍采用此材料進(jìn)行EFP的威力考核，具有普遍意義。測試系統(tǒng)中，603裝甲靶板的尺寸為300mm×300mm，厚度為 50mm，由專用鋼制靶板支架固定，距地面高度為 750mm。在靶板上垂直放置一個高為400mm的木支架，并將EFP戰(zhàn)斗部放在木支架上，藥型罩口部朝下，正對靶板。校準(zhǔn)完成后，采用制式電雷管起爆。現(xiàn)場布置情況見圖3。

圖2 現(xiàn)場布置照片F(xiàn)ig.2 Photo of experimental arrangement

圖3 典型實驗結(jié)果照片F(xiàn)ig.3 Typical photos of experimental results

1.3 實驗結(jié)果

實驗時對三發(fā)實驗彈進(jìn)行編號，并記錄每發(fā)彈丸沖擊靶板的孔徑、出入口直徑、前后靶塑性變形區(qū)等數(shù)據(jù)。典型實驗結(jié)果照片如圖3所示，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

如圖3和表1所示，三次實驗均出現(xiàn)以下現(xiàn)象:靶板入口卷邊花瓣狀破壞;出口具有明顯拉伸斷裂特征的外翻花瓣形穿孔;入口直徑大于出口直徑;前靶出現(xiàn)塑性變形區(qū)等。

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立按照實驗彈結(jié)構(gòu)參數(shù)和現(xiàn)場布置尺寸進(jìn)行。靶板的材料模型選用能夠描述裝甲材料的加工硬化、應(yīng)變率和溫度軟化效應(yīng)的JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN 方程［4］。

JOHNSON和COOK將流動應(yīng)力表示成:

式中:A、B、C、n和m為輸入的材料常數(shù);A為屈服應(yīng)力;B和n代表應(yīng)變硬化的影響;εp為等效塑性應(yīng)變;ε*=εp/ε0為無量綱應(yīng)變率;TH=(T－Troom)/(Tmeh－Troom)，其中:T為當(dāng)前溫度，Troom為室溫，Tmeh為材料熔化溫度(計算時假設(shè)單元間無熱傳遞，為絕熱條件)。

式(1)右邊的第一個括號表示材料的基本屈服應(yīng)力以及應(yīng)變硬化對屈服應(yīng)力的影響，表達(dá)式的第二個括號表示應(yīng)變率的影響，第三個括號表示當(dāng)前溫度的影響，溫度T必須大于室溫Troom，由于這一部分的值總小于1，因此反映了試件材料在較高溫度下的熱軟化效應(yīng)。由式(1)可以看出，當(dāng)溫度T達(dá)到熔化溫度Tmeh時屈服應(yīng)力為零。

Gruneisen狀態(tài)方程為:

式(2)中，當(dāng)v為常數(shù)時，p隨e成線性關(guān)系。pr(v)，er(v)可以看作 v的已知函數(shù)，根據(jù)其形式不同，Gruneisen狀態(tài)方程有著不同的形式。

對于絕熱壓縮過程(the shock Hugoniot)，沖擊狀態(tài)方程(the shock equation of state)變成如下的形式:

式中:

其中，μ=ρ/ρ0－1，C0為 US－UP(沖擊波速度 －質(zhì)點(diǎn)速度)曲線的截距，S為US－UP曲線斜率的系數(shù)，γ為Gruneisen系數(shù)。

考慮問題的對稱性和為減小計算量，建四分之一模型，計算中為控制網(wǎng)格的劇烈變形采用自適應(yīng)手段進(jìn)行控制，并在靶板邊界處施加非反射邊界。起爆方式為頂點(diǎn)中心起爆，設(shè)定計算終止時間為500 μs。

圖4 EFP高速沖擊裝甲靶板的有限元模型(1/2模型)Fig.4 Finite element model of penetration experiment(1/2 model)

2.2 計算過程及仿真結(jié)果分析

為直觀反映EFP沖擊靶板的整個過程以及彈丸和靶板的應(yīng)力變化情況，選取具有代表性的各階段的Von mises stress云圖如圖5所示。

圖5 沖擊過程Fig.5 Impact process

見圖5，由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，沖擊過程大致可分為五個階段:第一階段為EFP形成階段，紫銅藥型罩由于受到爆轟產(chǎn)物的作用，頂部首先沿軸線向前運(yùn)動，經(jīng)擠壓匯聚，形成一個帶有較大裙?fàn)钗惨淼膹椡瑁?00 μs左右時EFP的形狀和速度梯度變化已不大，可認(rèn)為EFP已完全成型，在226 μs時EFP與靶板接觸，此時頭部速度達(dá)到1824m/s。第二階段為開坑階段，沖擊開始時，EFP頭部與靶板高速撞擊，在碰撞點(diǎn)周圍迅速形成塑性變形區(qū)和高溫區(qū)，并自碰撞點(diǎn)向靶板中傳入較強(qiáng)的球形沖擊波，同時在靶板表面產(chǎn)生反射波和拉伸波，由于頭部相對較尖，接觸界面形成小面積凹陷，該階段持續(xù)時間非常短暫，約4 μs左右;第三階段為穩(wěn)定侵徹階段，在開坑階段完成之后，EFP繼續(xù)沖擊靶板，沖擊速度明顯低于EFP速度，在此過程中EFP不斷縮短，質(zhì)點(diǎn)向側(cè)向流動擴(kuò)孔，使侵徹孔徑明顯大于EFP杵體直徑。同時，杵體由于受到高溫和磨蝕的作用，發(fā)生塑性變形，使其質(zhì)量不斷減少，動能降低，截面積增大，靶板內(nèi)部孔徑也隨之增大;第四階段為尾翼侵徹，在242 μs時尾翼開始撞擊靶板，此時，EFP加速度增至最大，速度衰減最快，靶板孔徑也增至最大，由于尾翼對入口的撞擊作用，造成入口直徑的進(jìn)一步增大。約252 μs時，靶板背面出現(xiàn)明顯隆起，該現(xiàn)象對沖擊過程將產(chǎn)生一定的影響，但由于材料沒有出現(xiàn)破壞，又在一定程度上限制了該影響。因此，整個沖擊過程中，靶板背面對侵徹的影響都很小，近似分析中可以不予考慮;第五階段為沖塞貫穿階段，隨著沖擊深度的增加，EFP的磨蝕量增大，其截面積不斷減小，孔徑也隨之減小，在貫穿時，由于靶板抗剪切性能的下降，在出口處出現(xiàn)剪切撕裂的沖塞現(xiàn)象，并有碎屑向周圍飛濺。

圖6 裝甲靶板的破壞特征Fig.6 The failure characteristics of armor target

如圖6所示，沖擊結(jié)束時裝甲靶板的破壞特征主要有以下三種:一是入口呈現(xiàn)卷邊花瓣狀破壞，造成該現(xiàn)象主要是由于沖擊過程中靶板和EFP均呈明顯的流體動力特性，在高速沖擊時質(zhì)點(diǎn)流動產(chǎn)生的離心力和應(yīng)力波反射產(chǎn)生的強(qiáng)拉伸應(yīng)力共同作用，推動入口邊緣外翻，使入口呈現(xiàn)花瓣狀卷邊破壞，這與實驗現(xiàn)象基本一致;二是出口呈現(xiàn)外翻花瓣形穿孔且具有明顯的拉伸斷裂特征，主要是因為EFP在靶板內(nèi)運(yùn)動推動靶板背面出現(xiàn)隆起，隆起部分在沖擊過程后期受到EFP的推動進(jìn)一步變形，最后拉伸應(yīng)力超過材料的拉伸強(qiáng)度，在EFP四周產(chǎn)生星形裂縫，EFP貫穿靶板后，靶板的拉伸應(yīng)力會把已產(chǎn)生裂縫的邊緣拉住，并在強(qiáng)度較弱的地方斷裂，形成出口處的外翻花瓣形破壞;三是靶板入口直徑明顯大于出口直徑，且出現(xiàn)兩頭直徑大中間孔徑小的現(xiàn)象。分析沖擊過程可知，EFP尾翼對入口的擴(kuò)孔作用是造成入口直徑較大的主要原因，而沖擊過程中因磨蝕使得EFP直徑和質(zhì)量減少造成了靶板孔徑縮小，隨著EFP速度的降低，材料的主要變形破壞機(jī)制雖然仍是流體動力特征，但其塑性逐漸呈現(xiàn)，EFP出現(xiàn)一定的蘑菇頭形狀，造成侵徹孔徑又有一定的擴(kuò)大。

參照實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬再現(xiàn)了整個沖擊過程，且吻合較好。但侵徹能力略小于實驗情況，在經(jīng)歷第一層靶板后，侵徹第二層靶板的能力已經(jīng)很小，且在模擬中出現(xiàn)了沖塞現(xiàn)象。分析其主要原因是:建模時沒有加模擬引信，只考慮了周向?qū)φㄋ幍募s束，沒有考慮軸向的約束，使EFP相對直徑增大成為鈍頭彈，沖擊時產(chǎn)生剪切，所以出現(xiàn)沖塞現(xiàn)象。如果加上軸向的約束作用，則能增加爆轟壓力，延長爆轟波的作用時間，使EFP頭部更加密實，初速也將得到進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

采用沖擊實驗和ANSYS/LS－DYNA數(shù)值模擬兩種方法，從機(jī)理上研究了爆炸成型彈丸對裝甲靶板的高速沖擊效應(yīng)，兩種方法獲得的結(jié)果吻合較好，且再現(xiàn)了EFP形成、開坑、穩(wěn)定侵徹、尾翼侵徹和沖塞貫穿的物理過程，并從原理上給出了靶板出入口呈現(xiàn)不同花瓣狀破壞、沖塞和入口直徑明顯大于出口直徑等現(xiàn)象的物理原因。分析整個沖擊過程，可以得到一些提高裝甲防護(hù)能力的措施，主要有采用爆炸反應(yīng)裝甲(ERA)和表面附特殊陶瓷(如Al2O3陶瓷等)來破壞或防止EFP開坑，或采用帶空腔的多層靶板來降低EFP速度和削弱其再次開坑的能力等。同時也可以發(fā)現(xiàn)EFP沖擊靶板除了需要較高的速度外，還需有足夠的長度消耗在沖擊過程中，為此可通過適當(dāng)方法(如改變藥型罩結(jié)構(gòu))來增加EFP的長徑比，從而提高其沖擊能力。可見，本文的研究結(jié)果不但認(rèn)識了EFP沖擊裝甲靶板的機(jī)理，也可為增強(qiáng)裝甲防護(hù)能力和優(yōu)化EFP設(shè)計提供理論參考，具有重要的現(xiàn)實意義和較高的工程應(yīng)用價值。

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