山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙春龍 王志軍

關(guān)于引爆炸藥的閾值速度與臨界直徑的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 趙春龍 王志軍

為了研究銅射流與特氟龍射流沖擊起爆爆炸反應(yīng)裝甲，提高破甲彈的侵徹能力，更有效地摧毀其后的設(shè)備與人員，使用非線性動(dòng)力學(xué)顯式autodyn軟件對(duì)銅射流沖擊B炸藥進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。數(shù)值仿真研究結(jié)果表明：屏蔽板、背板對(duì)炸藥的沖擊起爆有著明顯的效果，并且背板的作用效果更佳明顯；特氟龍射流比銅射流更容易對(duì)帶殼裝藥實(shí)現(xiàn)穿而不爆。

B炸藥；閾值速度；臨界直徑；射流

引言

被譽(yù)為陸戰(zhàn)之王的坦克主要作用是對(duì)抗反裝甲彈藥。世界各國(guó)采用新原理、新材料、新結(jié)構(gòu)的方法，普遍增強(qiáng)了坦克裝甲的防護(hù)能力，尤其是反應(yīng)裝甲等技術(shù)被廣泛采用，極大地增強(qiáng)了坦克的防御能力。坦克已經(jīng)成為防護(hù)好、火力猛、高速、高機(jī)動(dòng)性的移動(dòng)堡壘，給傳統(tǒng)的反裝甲彈藥提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，尤其削弱了破甲彈的侵徹能力，為了更有效地摧毀披掛反應(yīng)裝甲后面的人員及設(shè)備［1-2］，串聯(lián)戰(zhàn)斗部技術(shù)有效地解決了此類問題。

本文選擇B炸藥作為被發(fā)炸藥，使用顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件autodyn，研究了銅射流與特氟龍射流沖擊裸炸藥、僅帶面板炸藥、僅有背板的炸藥情況，得出了面板、背板對(duì)B炸藥沖擊起爆的影響規(guī)律。

1 材料及有限元模型

1.1 材料模型及參數(shù)

本文主要涉及特氟龍、銅、B炸藥以及30CrMnSi四種材料，研究了殼體對(duì)炸藥沖擊起爆的影響，殼體使用30CrMnSi。射流的壓縮、拉伸導(dǎo)致材料發(fā)生大的變形，使用處理大變形問題的EULER網(wǎng)格，B炸藥及30CrMnSi使用拉格朗日網(wǎng)格，整個(gè)模型采用流固耦合的方式進(jìn)行耦合，材料模型如表1所示。

表1 材料模型

autodyn中α值（大于零且小于等于1）與高斯點(diǎn)的壓力值確定炸藥的爆炸情況，當(dāng)α小于1時(shí)，被發(fā)炸藥基本未反應(yīng)，當(dāng)α值為1且高斯點(diǎn)的壓力小于20 GPa，認(rèn)為被發(fā)炸藥部分反應(yīng)，當(dāng)α值為1且大部分觀測(cè)點(diǎn)的壓力大于20GPa，認(rèn)為炸藥發(fā)生了爆轟。

1.2 有限元模型

為了節(jié)約計(jì)算資源，建立了二分之一的有限元模型，被發(fā)B炸藥中間部位設(shè)置13個(gè)壓力觀測(cè)點(diǎn)如圖2所示，以便觀測(cè)B炸藥壓力隨銅射流侵徹的變化情況，B炸藥的厚度為4mm，殼體厚度為2mm［3-4］。數(shù)值模擬中單位制為：cm-g-μs-Mbar。計(jì)算中的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬在不同速度與直徑下，得出銅射流與特氟龍射流沖擊B炸藥的引爆區(qū)域。

2.1 裸炸藥

當(dāng)一定的速度與直徑的射流，沖擊片狀B炸藥時(shí)，根據(jù)判據(jù)及反應(yīng)度，可以得到圖2所示的炸藥反應(yīng)區(qū)域。

圖2 裸炸藥沖擊起爆規(guī)律

由圖2可知，所研究的射流沖擊裸炸藥時(shí)，無法引爆B炸藥；當(dāng)射流直徑小于一定值時(shí)，隨著速度的增大，被發(fā)炸藥處于基本未反應(yīng)區(qū)域，但隨著速度與直徑的增大，B炸藥的反應(yīng)程度變大，更容易發(fā)生局部反應(yīng)。當(dāng)射流沖擊B炸藥時(shí)，銅射流比特氟龍射流更容易使炸藥發(fā)生爆燃，且爆燃區(qū)域大。

2.2 面板

為了研究背板對(duì)射流沖擊炸藥的作用，當(dāng)僅有屏蔽板如圖2 （b）所示，屏蔽板對(duì)被發(fā)B炸藥沖擊起爆有明顯的影響。

圖3 帶面板炸藥沖擊起爆規(guī)律

由圖3與圖2對(duì)比可知，一方面，屏蔽板增大了被發(fā)炸藥的基本未反應(yīng)的區(qū)域，另一方面，也直接導(dǎo)致了被發(fā)炸藥的爆炸。圖3對(duì)比可知，特氟龍更容易實(shí)現(xiàn)帶屏蔽板B炸藥的穿而不爆。

炸藥前面放置高強(qiáng)度屏蔽版，不僅減小了射流沖擊炸藥的作用力，使得炸藥的基本未反應(yīng)區(qū)域變大，而且延長(zhǎng)了炸藥分解區(qū)域中壓力的下降時(shí)間，導(dǎo)致了被發(fā)炸藥發(fā)生大變形或形成了局部的損傷區(qū)域，使得被發(fā)炸藥沖擊波陣面后分解加劇，因此炸藥發(fā)生了爆轟。

2.3 背板

為了研究背板對(duì)射流沖擊炸藥的作用，當(dāng)僅有背板如圖4所示，背板對(duì)被發(fā)B炸藥沖擊起爆有明顯的影響。

圖4 帶背板炸藥沖擊起爆規(guī)律

由圖4與圖2對(duì)比可知，一方面，背板減少了被發(fā)炸藥的基本未反應(yīng)的區(qū)域，另一方面，也能導(dǎo)致被發(fā)炸藥的爆炸，其作用效果比屏蔽板更加明顯。圖4對(duì)比可知，在有背板的時(shí)候，特氟龍穿而不爆的區(qū)域更大。

由于背板的存在，使被發(fā)炸藥不同于帶屏蔽板裝藥，對(duì)被發(fā)炸藥背面進(jìn)行固定約束，當(dāng)沖擊波傳播到炸藥與背板交界處時(shí)，沖擊波造成的沖擊壓力經(jīng)反射疊加增強(qiáng)；沖擊波從低聲阻抗炸藥介質(zhì)到高聲阻抗金屬板介質(zhì)的傳播過程，其反射效果更加明顯。

3 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)射流沖擊炸藥沖時(shí)由于面板、背板對(duì)炸藥作用，導(dǎo)致了炸藥更容易被引爆；當(dāng)射流沖擊B炸藥時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥的穿而不爆，特氟龍射流比銅射流效果更佳明顯。此外還得出以下結(jié)論：

（1）銅射流與特氟龍射流沖擊4mm厚度的裸炸藥時(shí)，B炸藥并未發(fā)生明顯的爆炸情況。

（2）屏蔽板與背板對(duì)炸藥的沖擊起爆都有影響，且背板的影響效果更明顯。

（3）屏蔽板與背板共同作用時(shí)，對(duì)射流的沖擊起爆最明顯。

［1］尹建平，王志軍等.彈藥學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：92-133.

［2］李小笠，趙國(guó)志，李文彬.長(zhǎng)桿體垂直沖擊帶蓋板炸藥的臨界起爆判據(jù)［J］.彈道學(xué)報(bào)，2004，16（2）：51-55.

［3］顧紅軍，劉宏偉.聚能射流及防護(hù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：17-18.

［4］董方棟.低密度射流對(duì)帶殼裝藥沖擊起爆的研究［D］.太原：中北大學(xué)，2014.