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(guò)載武器攻擊目標(biāo)過(guò)程中不可避免的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。戰(zhàn)斗部斜侵徹靶板時(shí)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(dòng)方向不一致，從而導(dǎo)致戰(zhàn)斗部的運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生改變［1］。彈體著靶有一定的傾角，這對(duì)彈體內(nèi)裝藥是更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，開(kāi)展彈體斜侵徹過(guò)程中炸藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究，不僅對(duì)深入認(rèn)識(shí)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(shí)，對(duì)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(dòng)力學(xué)有限元程序在計(jì)算這種類(lèi)似問(wèn)題上可靠性較高［2］。該程序包含了多種接觸算法和材料庫(kù)，可以成功計(jì)算這種高速下的侵徹問(wèn)題。賈憲振等［3］利用該程序?qū)η謴鼗炷吝^(guò)程中炸藥動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，。汪德武等［4］開(kāi)展了斜侵徹彈體運(yùn)動(dòng)分析與仿真研究。該程序包含了多種接觸算法和材料庫(kù)，可以成功計(jì)算此類(lèi)高速下的侵徹問(wèn)題。

在此采用動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件AUTODYN對(duì)彈體斜侵徹混凝土過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究了斜侵徹過(guò)程中炸藥的動(dòng)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(lèi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)觀測(cè)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀察裝藥不同部位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。

圖1 斜侵徹模型

圖2 裝藥上的觀測(cè)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(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力為200 MPa。采用Lee-Tarver三項(xiàng)點(diǎn)火增長(zhǎng)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(shí)須輸入的參數(shù)。對(duì)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(guò)程中裝藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有不同的特點(diǎn)，除了垂直侵徹時(shí)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(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，從這些壓力曲線可知斜侵徹時(shí)裝藥的前端和后端仍是兩個(gè)受力較明顯的區(qū)域，這些規(guī)律與垂直侵徹時(shí)是相同的［3］。同時(shí)，斜侵徹過(guò)程中的壓力分布規(guī)律與垂直侵徹時(shí)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(cè)點(diǎn)1)，而是藥柱前端靠近靶板的棱角處(觀測(cè)點(diǎn)2)。

圖3為裝藥前端面3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，可見(jiàn)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(shuō)明在斜侵徹時(shí)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)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(shí)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(guò)程。從圖4中可以看出，彈體撞擊靶板的動(dòng)態(tài)過(guò)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(zhǎng)持續(xù)時(shí)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(shí)所受的應(yīng)力相對(duì)于單一沖擊加載時(shí)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(guò)程中炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)云圖。在侵徹過(guò)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(guò)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(guò)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(zhǎng)為爆轟。

圖5 斜侵徹過(guò)程中炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6為裝藥后端面3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，可見(jiàn)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(shí)呈現(xiàn)出突躍的特征，說(shuō)明此時(shí)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(duì)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(guò)程中裝藥的等效應(yīng)變的分布云圖。對(duì)比文獻(xiàn)［3］，可見(jiàn)斜侵徹所對(duì)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(duì)稱(chēng)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(shí)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(guò)程中的裝藥等效應(yīng)變分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于AUTODYN程序，計(jì)算了彈體斜侵徹過(guò)程中炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能夠預(yù)估彈體在傾斜侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中炸藥的動(dòng)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(guò)程中的炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)響應(yīng);斜侵徹時(shí)彈體內(nèi)炸藥裝藥的前端和后端仍是兩個(gè)受力較明顯的區(qū)域，并且侵徹過(guò)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(shí)相同。斜侵徹過(guò)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(duì)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(duì)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(guò)程中炸藥動(dòng)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(dòng)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(guò)程沖擊載荷對(duì)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(zhǎng)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)