李 優(yōu)， 王鳳英， 阮光光， 吳育智

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

近幾年的局部戰(zhàn)爭表明坦克和裝甲車輛等現(xiàn)代裝甲目標(biāo)仍是地面戰(zhàn)場上的主要突擊兵器和裝甲兵的基本裝備， 它集火力、 防護(hù)性、 機(jī)動性、 通信能力于一身， 主要用于突破敵方防線， 消滅敵方步兵， 以及與敵人的坦克和其他裝甲戰(zhàn)斗車輛作戰(zhàn)[1]. 爆炸反應(yīng)裝甲是由“三明治結(jié)構(gòu)”的平板裝藥組合而成， 其中“三明治結(jié)構(gòu)”的平板裝藥是指兩塊金屬板中間夾層惰性炸藥. 在聚能射流和穿甲彈的沖擊下， 夾層炸藥爆炸后驅(qū)動金屬板， 使其獲得動能從而干擾來襲射流或穿甲彈， 從而減低來襲彈藥的毀傷能力. 由于爆炸式反應(yīng)裝甲具有體積小、 質(zhì)量輕、 成本較低、 安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)， 在現(xiàn)代裝甲車輛的防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用[2]. 伴隨著反裝甲彈藥的不斷推進(jìn)， 大口徑聚能裝藥、 串聯(lián)戰(zhàn)斗部、 隔板裝藥等技術(shù)在破甲彈上的應(yīng)用大大提高了破甲彈的毀傷能力， 因此對爆炸式反應(yīng)裝甲也有了更高的標(biāo)準(zhǔn). 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)一般為單層平板裝藥、 楔形平板裝藥或者多層平行板裝藥等， 已經(jīng)不足以應(yīng)對新型破甲彈戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的毀傷能力. 如Mayseless等[3]對單層反應(yīng)裝甲干擾射流作用過程進(jìn)行了深入的研究. 劉宏偉等[4]提出了垂直和斜侵徹單層爆炸反應(yīng)裝甲干擾射流模型， 并分析了雙層平行反應(yīng)裝甲和V型反應(yīng)裝甲干擾射流的機(jī)理. 姬龍等[5]總結(jié)了雙層楔形爆炸反應(yīng)裝甲飛板的運(yùn)動規(guī)律. 但對于N型夾層炸藥干擾射流侵徹的研究還較少.

本文提出了N形反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)并通過數(shù)值仿真模擬的方法對N形反應(yīng)裝甲干擾聚能射流的過程進(jìn)行了研究， 分別討論了聚能射流的入射角和N形反應(yīng)裝甲的平板裝藥夾角對其干擾射流能力的影響， 并得出了最佳平板裝藥夾角以提高N形反應(yīng)裝甲的防護(hù)能力， 為今后新型反應(yīng)裝甲的研究制備工作提供借鑒參考.

1 射流作用數(shù)值模擬

1.1 仿真模型的建立

仿真模型由主裝藥、 藥型罩、 空氣域、 后效靶板和呈N形安裝的平板裝藥組成. 其中， 模型的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 主裝藥直徑56 mm， 裝藥高度73 mm， 藥型罩口部直徑54 mm， 藥型罩壁厚1 mm， 藥型罩錐角60°， 炸高80 mm. N形反應(yīng)裝甲由3塊平板裝藥按一定的夾角、 間距方向組合而成； 3塊平板裝藥的夾層炸藥選擇為3 mm-2 mm-3 mm 的組合方式， 聚能射流與平板裝藥的法線角(NATO角)為45°， 平板裝藥間距均為5 mm. 分別模擬了夾角為5°， 7°， 9°， 13°， 15°和平行6種情況， 并分析了通過反應(yīng)裝甲后的殘余射流對主靶板的侵徹過程. 不同夾角的N形反應(yīng)裝甲仿真模型如圖 1 所示.

圖 1 不同夾角的N形反應(yīng)裝甲仿真模型Fig.1 N-shaped reactive armor simulation model with different angles

1.2 材料參數(shù)

由于射流與靶板間是高速碰撞的作用過程， 因此在侵徹中出現(xiàn)了大應(yīng)變、 大變形、 高應(yīng)變率的現(xiàn)象. 為避免網(wǎng)格變形過大造成負(fù)體積和計(jì)算中止現(xiàn)象， 聚能裝藥、 藥型罩、 空氣采用ALE算法， 后效靶板和平板裝藥采用Lagrange算法， 對于夾層炸藥采用附帶失效方程描述， 當(dāng)炸藥爆轟體積膨脹到一定程度時自動刪除炸藥網(wǎng)格.

計(jì)算時， 藥型罩采用steinberg模型和Gruneisen狀態(tài)方程共同描述； 主靶、 面板與背板均采用Johnson-Cook模型和Gruneisen狀態(tài)方程共同描述； 主裝藥選用JWL狀態(tài)方程， 運(yùn)用流體彈塑性模型及點(diǎn)火與增長方程共同描述夾層炸藥.

表 1 材料基本參數(shù)

表 2 主裝藥材料狀態(tài)方程參數(shù)

表 3 夾層裝藥材料狀態(tài)方程參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

2.1 N型夾角對射流的干擾分析

李如江等[6]對聚能射流侵徹爆炸反應(yīng)裝甲的入射角進(jìn)行了深入的研究. 單層平板裝藥對聚能射流的干擾效果最佳時， NATO角為60°. 本節(jié)主要討論N形反應(yīng)裝甲的夾角對其干擾聚能射流能力的影響規(guī)律， 因此固定聚能射流侵徹N形反應(yīng)裝甲的NATO角為60°， 改變N形反應(yīng)裝甲的平板裝藥間夾角. 圖 2 是入射角為60°、 N形反應(yīng)裝甲的平板裝藥夾角分別為0°， 5°， 7°， 9°， 13°， 15°時， 射流侵徹N型夾層炸藥的典型時刻狀態(tài)圖. 不同角度下射流的頭部速度如表 4 所示.

圖 2 射流與N型反應(yīng)裝甲作用圖Fig.2 Action diagrams of jet-flow and N-shaped reactive armor

角度/(°)射流最終頭部速度/(m·s-1)01730516507180091900132010152100

射流通過N型夾層炸藥， 首先引爆上層夾層裝藥， 炸藥起爆后， 夾層炸藥驅(qū)動兩側(cè)金屬板， 使其沿法線方向飛散[7-9]. 在飛行中金屬板對斜侵徹的射流產(chǎn)生干擾作用， 射流偏離了軸線方向， 同時發(fā)生彎曲， 最終形成了更多的斷裂射流， 由于兩板間角度較小且距離較近， 受到射流和上層爆轟形成的壓力及上層背板的共同作用， 上層背板很快就與中層面板發(fā)生塑性碰撞， 使飛板消耗射流的時間減少[10]. 上層飛板的碰撞引爆第二層夾層炸藥， 從而驅(qū)動中層面板和背板相向運(yùn)動， 在射流未完全加速完成時， 中組背板和下組面板發(fā)生碰撞并焊接在一起， 正是這種爆炸焊接作用， 使N型反應(yīng)裝甲相對于V型反應(yīng)裝甲對射流的防護(hù)效果更好.

N型反應(yīng)裝甲干擾聚能射流與V型反應(yīng)裝甲和多層變角度反應(yīng)裝甲的作用原理類似， 只是聚能射流的變形程度和速度降低幅度以及聚能射流對后效板的作用效果不同.

由表 5 和圖 3 可知， 對于射流入射角度60°， 侵徹不同N型角平板裝藥結(jié)構(gòu)時， 射流的侵徹能力隨夾角的增大呈上升趨勢. 當(dāng)N型角為 15° 時， 由于入射角固定夾角增大， 射流只穿過上、 中兩組飛板， 從圖中可以明顯看出， 從飛板出來的射流只有4個彎曲段， 所以消耗射流的能力減弱， 侵徹深度增加. 隨著夾角的增大， 反應(yīng)裝甲對射流的防護(hù)效果越差， 在平板裝藥夾角為5°時， 防護(hù)效果最為明顯.

圖 3 不同角度下侵徹后效靶板效果圖Fig.3 Effects of penetrating post-effect targets at different angles

角度/(°)射流最終頭部速度/(km·s-1)后效靶板的侵徹深度/mm05000．7558000．26713501．19917001．661317502．261518001．81

2.2 N型夾層炸藥爆炸后飛板的飛散特性分析

通過射流引爆N型夾層炸藥， 分別測量了各組面板、 背板的飛散速度. 圖 4 分別是平板裝藥藥夾角為9°， 13°， 15° 時6塊飛板的飛散速度曲線圖. 平板裝藥被射流引爆后， 爆轟產(chǎn)物向外迅速膨脹， 在爆轟波的驅(qū)動作用下， 反應(yīng)裝甲面、 背板沿各自法線方向向外飛散.

圖 4 各角度下飛板飛散速度曲線圖Fig.4 Radial velocity curve of flying board at different angle

夾層炸藥爆炸后， 爆轟產(chǎn)物作用于面板和背板， 使面、 背板從中心開始發(fā)生局部凸起[11-13]. 首先被射流引爆的N型平板裝藥中的上層反應(yīng)裝甲的飛板向外運(yùn)動， 穿過上層反應(yīng)裝甲的射流繼續(xù)侵徹并引爆中層反應(yīng)裝甲， 驅(qū)使中層反應(yīng)裝甲飛板發(fā)生運(yùn)動， 穿過中層反應(yīng)裝甲后的剩余射流將繼續(xù)侵徹并引爆下層反應(yīng)裝甲， 驅(qū)使下層反應(yīng)裝甲飛板運(yùn)動. 三層反應(yīng)裝甲間有一定的間隔距離， 使各夾層炸藥引爆時間不同， 飛板的初始運(yùn)動也存在一定的時間差[14-16]. 對于N型反應(yīng)裝甲， 其中上層反應(yīng)裝甲的背板與中層反應(yīng)裝甲的面板、 中層反應(yīng)裝甲的背板和下層反應(yīng)裝甲的面板均有相互碰撞的可能性. 在兩板接觸之前是相互獨(dú)立的兩組件的運(yùn)動， 而碰撞之后， 根據(jù)完全塑性碰撞理論， 焊接在一起的兩板就像以較低速度運(yùn)動的單板一樣. 由圖4知， 對射流防護(hù)能力最明顯的是中間靶板.

3 結(jié) 論

由于N型反應(yīng)裝甲有多層平板裝藥， 每層飛板均與射流有接觸， 干擾射流的過程變得更加復(fù)雜， 運(yùn)動的飛板與射流產(chǎn)生相互作用的同時， 各飛板間也會接觸并發(fā)生碰撞作用. 通過對侵徹帶有N型夾層炸藥的靶板的數(shù)值模擬， 可得出以下結(jié)論：

1) 在射流入射角為60°， 侵徹不同N型夾角平板裝藥結(jié)構(gòu)時， 射流的侵徹能力隨著夾角的增大呈上升趨勢. 當(dāng)夾角大于9°后， 夾角對殘余射流的侵徹深度變化并不敏感.

2) 隨著N型夾角的增大， 射流對主靶的侵徹深度增加， 反應(yīng)裝甲對射流的干擾減小. 當(dāng)N型夾角為5° 時， 防護(hù)效果最好.

3) 對于N型夾層炸藥的結(jié)構(gòu)， 相比于單層爆炸反應(yīng)裝甲， 其飛板數(shù)量增多， 對射流產(chǎn)生更強(qiáng)的干擾作用， 從而造成射流斷裂并發(fā)生嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)， 大幅度減小射流的侵徹深度.

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