喬相信，李　廣，朱曉麗,郭克強，劉麗娟，洪曉文

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

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幾何參數(shù)對含能子彈侵徹過程的炸藥響應(yīng)影響

喬相信1，李廣1，朱曉麗2,郭克強1，劉麗娟1，洪曉文1

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159;2.遼沈工業(yè)集團有限公司，遼寧 沈陽 110045)

摘要：為研究幾何參數(shù)對含能子彈侵徹過程的炸藥響應(yīng)影響，采用LS-DYNA軟件對不同內(nèi)外徑比含能子彈侵徹鋁合金靶板過程進行數(shù)值模擬，分析裝藥所受壓力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：侵徹過程中，裝藥前端首先達到炸藥起爆壓力并發(fā)生點火；隨著裝藥直徑的增加，頭部裝藥壓力峰值逐漸減小且達到峰值時間延遲，中后部壓力峰值逐漸增大且達到峰值時間與頭部趨于一致。對調(diào)整含能子彈裝藥起爆時間具有參考意義。

關(guān)鍵詞：含能子彈；炸藥；侵徹；動態(tài)響應(yīng)；數(shù)值模擬

含能子彈是一種自身含有化學(xué)能并能在一定的起爆條件下釋放的新型破片，其獨特的自身含能特性使其在侵徹過程中能增大毀傷效果，近年來已成為國內(nèi)外研究的熱點。

TNT、RDX、PBX等高爆炸藥的起爆方式主要分為熱起爆和沖擊起爆。含能子彈受到高速沖擊時，內(nèi)部裝藥受力和熱耦合作用是其起爆的主要原因，因此，研究含能子彈裝藥在侵徹過程中的受力情況顯得尤為重要。

何源等[1]通過數(shù)值模擬和理論分析對不同靶板材料、不同頭部厚度的含能破片沖擊侵徹過程和釋能時間進行了研究。陳文等[2]通過對高速鉆地彈侵徹過程的裝藥損傷所引起的炸藥不安全問題進行了實驗研究，得出彈體不同位置的裝藥損傷程度不同，其中彈體頭部和尾部裝藥損傷明顯，中部裝藥損傷相對較輕。

本文運用LS-DYNA軟件對不同內(nèi)外徑比含能子彈侵徹靶板過程中裝藥的動態(tài)響應(yīng)進行數(shù)值模擬，分析炸藥在侵徹過程中發(fā)生點火的部位和時間，為含能子彈的設(shè)計提供參考。

1　數(shù)值計算模型的建立

1.1　物理模型

子彈在戰(zhàn)斗部中串聯(lián)裝填，為便于裝配，采用長12mm、直徑12mm、底部厚2mm、頭部厚3mm的圓柱體，頭部為平頭，子彈殼體材料為4340鋼，鑄裝B炸藥，裝藥直徑與子彈外徑比分別取0.4、0.5、0.6、0.7、0.8。靶板為100mm×100mm正方形鋁板，厚度為12mm。子彈以1000m/s的速度垂直侵徹靶板?？紤]結(jié)構(gòu)對稱性，將含能子彈和靶板取1/2建模，對稱面對稱約束，靶板邊界設(shè)為無反射條件，采用面面侵蝕接觸，單位cm-g-μs。采用Language算法，網(wǎng)格單元為八節(jié)點六面體。有限元模型如圖1所示。

圖1　有限元模型示意圖

1.2　計算模型

裝藥設(shè)為各向同性材料。發(fā)生屈服時采用Von-Mises條件，即[3]

(1)

式中：S1、S2、S3為應(yīng)力偏量；Y為屈服強度，裝藥的動態(tài)屈服應(yīng)力為200MPa。

采用Lee-Tarver三項點火增長模型描述炸藥在沖擊作用下是否發(fā)生點火和爆轟[4]，即

(2)

式中：F為反應(yīng)率；I、G1、G2、a、b、c、d、e、f、x、y、z均為Lee-Tarver三項式點火增長模型參數(shù)，其中G2、b、e、f、z均為0，其余參數(shù)值見表1。

表1　三項點火增長模型計算參數(shù)

裝藥采用Plastic-kinematic材料模型，彈體和靶板采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述，Johnson-Cook模型的基本公式為

(3)

表2　材料性能參數(shù)

2　數(shù)值模擬結(jié)果

2.1　含能子彈侵徹過程數(shù)值計算

圖2是內(nèi)外徑比為0.5時彈丸穿靶過程示意圖。

由圖2可以看出，侵徹初始階段，裝藥受殼體擠壓，在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高幅值壓縮波，使前端裝藥迅速達到一個峰值；隨著侵徹的進行，前端裝藥迅速進入塑性變形，裝藥前端最先受到?jīng)_擊并在殼體和后部裝藥的擠壓下開始墩粗；應(yīng)力波向后傳播，彈丸中部和后部相繼出現(xiàn)墩粗現(xiàn)象，裝藥塑性變形明顯。

2.2　裝藥前端觀測點壓力分析

裝藥沿軸線方向設(shè)置3個觀測點，T為前部，M為中部，W為尾部，如圖3所示。圖4給出了不同裝藥直徑中軸線上T點的壓力時程曲線。從圖4中可以看出，裝藥前端受到的壓力在0.1GPa量級上。觀測點T處壓力波峰值最先出現(xiàn)在5μs左右，造成這種波形的原因是彈體侵徹靶板時首先受到靶板的阻擋，導(dǎo)致彈體內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波，當(dāng)靶板被壓垮時發(fā)生壓力卸載，又在殼體內(nèi)產(chǎn)生稀疏波。隨著戰(zhàn)斗部侵徹深度的增加，上述過程反復(fù)出現(xiàn)。當(dāng)侵徹到10μs左右時，T處再次達到壓力突躍。當(dāng)內(nèi)外徑比小于0.6時，裝藥頭部首次出現(xiàn)壓力峰值均達到裝藥起爆壓力，此時，含能破片侵徹深度較淺，容易產(chǎn)生早炸現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)外徑比大于0.7時，頭部裝藥首次壓力峰值均小于820MPa，即低于裝藥起爆壓力，但二次壓力峰值均達到900MPa。

圖2　不同時刻的應(yīng)力動態(tài)響應(yīng)

圖3　裝藥軸向觀測點

圖4　裝藥頭部壓力時程曲線

2.3　裝藥中部觀測點壓力分析

圖5為裝藥中部壓力時程圖，對比圖4和圖5這兩個觀測點的壓力，可知觀測點M處的壓力從總體上小于觀測點T處的壓力，隨著內(nèi)外徑比的增大，觀測點M處首次壓力峰值不斷降低，這是由于壓力波在裝藥內(nèi)部傳播時的衰減所導(dǎo)致。

圖5　裝藥中部壓力時程曲線

2.4　裝藥尾部觀測點壓力分析

隨著內(nèi)外徑比的增加，裝藥底端面壓力峰值呈減小趨勢，如圖6所示。通過分析觀測點W處即裝藥底端面的壓力時程曲線，可以看出，尾部裝藥壓力峰值明顯滯后于頭部和中部，這是由于應(yīng)力波傳播從裝藥前端開始，中部和后部受到擠壓發(fā)生塑性變形呈現(xiàn)滯后性。裝藥尾部所受最大壓力均超過臨界起爆壓力，發(fā)生點火。

圖6　裝藥底部壓力時程曲線

2.5　裝藥各處觀察點峰值壓力對比

為比較各觀測部位壓力峰值變化情況，將模擬計算得到的壓力峰值整理如表3所示，并繪制成曲線如圖7所示。

表3　各觀測部位最大壓力峰值　GPa

分析表3和圖7可知，頭部裝藥壓力總體最大；底部裝藥總體壓力又大于中部，壓力峰值甚至高于裝藥前端面，之后壓力值迅速下降。這是因為侵徹過程中殼體底端與裝藥之間出現(xiàn)了明顯的空隙，如圖8所示，出現(xiàn)空隙的原因在于裝藥的體積模量遠小于殼體的體積模量，導(dǎo)致二者在受力時的變形不同。侵徹過程中，頭部和尾部最先達到起爆壓力，并發(fā)生爆轟。

圖7　各觀測部位壓力峰值曲線

圖8　殼體底部和裝藥分離

3　結(jié)論

計算了含能子彈侵徹過程中炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)內(nèi)外徑比小于0.7時，頭部裝藥較早達到裝藥起爆壓力，發(fā)生早炸現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)外徑比大于等于0.7時，裝藥各部位壓力峰值均出現(xiàn)較晚，即通過調(diào)整含能子彈裝藥直徑可實現(xiàn)對含能破片起爆時間的控制，達到反應(yīng)效果。在實際應(yīng)用中可根據(jù)不同毀傷目標設(shè)計含能子彈，使其適時起爆，增大有效毀傷能力。

參考文獻：

[1]何源，何勇，張先鋒，等.含能破片沖擊起爆臨界條件研究[J].彈道學(xué)報，2010,22 (4)：46-48.

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

[3]張寶平，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

[4]喬相信，于鋒，李廣.彈丸侵徹鋁合金靶板過程中炸藥的動態(tài)響應(yīng)[J]．火炸藥學(xué)報，2013,36(6)：31-35.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Response of the Penetration Process from the Geometric Parameters of

Explosive Energetic Bullet

QIAO Xiangxin1,LI Guang1,ZHU Xiaoli2,GUO Keqiang1,LIU Lijuan1,HONG Xiaowen1

(1.Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.Liaoshe Industries Grovp Co.,Shenyang 110045,China)

Abstract：In order to study of the geometric parameters of energetic explosive bullet penetration process response effects,the numerical simulation for different diameter of charge penetrating aluminum alloy target process is undertaken by using LS-DYNA software,the variation of pressure on the charge is analyzed.The results indicate that the fore of the explosive charge mainly endures compressed effect to achieve detonation pressure firstly and the ignition occurs.With the increase of the diameter of the charge,head Charge peak pressure decreases and reaching arrival time of peak pressure is rushed back.In central and posterior,peek pressure increases and arrival time of peak pressure closes to head.It is valuable to adjust energetic bullet detonating time.

Key words：energetic bullet;explosive;penetration;dynamic response;numerical simulation

中圖分類號：TJ410.33

文獻標志碼：A

文章編號：1003-1251(2015)01-0009-04

作者簡介：喬相信(1959—)，男，教授，研究方向：彈藥工程與爆炸技術(shù).

收稿日期：2014-05-13