劉宏杰，王偉力，苗 潤，吳世永

(1 海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院， 山東煙臺 264001； 2 海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院， 武漢 430000；3 海軍航空大學(xué)基礎(chǔ)部， 山東煙臺 264001)

0 引言

曾必強(qiáng)等[1]通過數(shù)值模擬的方法研究了不同初始速度的隨進(jìn)彈受前級裝藥爆炸沖擊波產(chǎn)生的后拋、側(cè)偏、翻轉(zhuǎn)和力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，得出結(jié)論：隨進(jìn)彈的后拋加速作用主要是由前級裝藥爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波作用到彈體表面產(chǎn)生。隨進(jìn)彈的側(cè)偏現(xiàn)象則是由作用在彈體的沖擊波和沖擊波后面的爆轟產(chǎn)物共同作用效果。姜夕博[2]、徐森[3]等研究了沖擊波在有機(jī)玻璃中的衰減特性。候海周[4]等通過實驗方法表明藥柱沖擊波經(jīng)酚醛層材料隔板傳播時，其峰值壓力隨隔板厚度增加呈指數(shù)型衰減。但是單層材料隔爆能力十分有限，只能依靠增加隔爆層的厚度來提高衰減沖擊波能力，占據(jù)戰(zhàn)斗部空間，同時增加戰(zhàn)斗部重量。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對多層組合介質(zhì)中沖擊波衰減特性做了大量研究[5-7]。董永香[8]等通過對爆炸波形和幅值在不同介質(zhì)層以及層界面的分析可以得出，在脆性材料中放置泡沫材料，可以有效減小爆炸波應(yīng)力峰值，降低自由表面的拉伸應(yīng)力波幅，軟夾層在多層介質(zhì)中能夠起到明顯的削波和增加加載時間的作用，中間夾層改變了爆炸波能量的分配。陳闖[9]等通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，將45鋼、鋁、有機(jī)玻璃進(jìn)行不同組合，設(shè)計順序波阻抗梯度、逆序波阻抗梯度以及硬軟硬3種多層隔爆結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：逆序波阻抗梯度的輸出沖擊波壓力最小，隔爆效果最佳。

為了在有限的戰(zhàn)斗部空間內(nèi)，盡可能提高隔爆效果同時減輕隔爆體重量，在后級隨進(jìn)彈頭部殼體表面加裝隔爆體，確保后級隨進(jìn)彈能順利隨進(jìn)并能侵徹后續(xù)目標(biāo)板。使用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同結(jié)構(gòu)的隔爆特性。

1 數(shù)值模擬方案及有限元模型

1.1 模型建立

為便于計算模型的建立，做以下簡化假設(shè)：1)空氣、炸藥、藥型罩和裝藥殼體均為連續(xù)介質(zhì)；2)整個爆炸過程為絕熱過程。 串聯(lián)戰(zhàn)斗部及隔爆結(jié)構(gòu)如圖1所示，為了能夠保證后級隨進(jìn)彈順利侵徹，隔爆體A選擇高強(qiáng)度的30CrMnSiNi2A鋼，由于計算模型具有結(jié)構(gòu)對稱和爆炸作用載荷對稱的特性，為提高計算效率，建模時只建立1/4模型，通過施加對稱邊界條件保證計算的準(zhǔn)確性。計算模型由炸藥、空氣、藥型罩、殼體、后級隨進(jìn)彈和隔爆體組成，其中炸藥、空氣和藥型罩定義為Euler網(wǎng)格，殼體、后級隨進(jìn)彈和隔爆體定義為Lagrange網(wǎng)格，隔爆體之間界面處采用自動面面接觸。選用多物質(zhì)ALE方法[10]模擬分析前級爆轟場對后級隨進(jìn)彈的影響。起爆方式采用頂端環(huán)形起爆[11-12]。

圖1 串聯(lián)戰(zhàn)斗部及隔爆結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 材料模型及狀態(tài)方程

炸藥選用B炸藥，采用MAT_HIGH-EXPLOSIVE-BURN模型和EOS_JWL狀態(tài)方程[12-13]。

(1)

式中：p為爆轟壓力；E1為炸藥比內(nèi)能；ν為相對比容；參數(shù)A=524.2 GPa；B=7.678 GPa；R1=4.2；R2=1.1；ω=0.35。

藥型罩材料選用紫銅，采用MAT_Steinberg材料模型和EOS_Grüneisen狀態(tài)方程[13-14]。

(2)

式中：E2為單位體積內(nèi)能；ρ0為材料初始密度；C為us與up曲線的載距；S1、S2和S3是us-up曲線的斜率值；γ0為Grüneisen伽馬；a為對γ0的修正。其中μ=1/V-1，V為當(dāng)前空氣的相對體積。殼體選用30CrMnSiNi2A鋼，采用MAT_Johnson-Cook材料模型和EOS_Grüneisen狀態(tài)方程,鋼靶板選用塑性隨動模型(PLASTIC_KINEMATIC)，鋁板選用MAT_Johnson-Cook材料模型和EOS_Grüneisen狀態(tài)方程,幾種金屬材料主要參數(shù)如表1所示?？諝獠捎肕AT_Null材料模型和EOS_Linear-Polynomial狀態(tài)方程加以描述。聚氨酯選用MAT_ELASTIC-PLASTIC-HYDRO材料模型和EOS_Grüneisen狀態(tài)方程[13]。主要參數(shù)為：ρ=50，S1=0.78,S2=S3=0,a=0,E0=0。聚脲選用MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY材料模型[14]。該模型γ0用來模擬彈塑性材料，材料的屈服準(zhǔn)則由斷裂應(yīng)變定義，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線由屈服強(qiáng)度、剪切模量來定義或者通過相關(guān)塑性應(yīng)變和應(yīng)力的數(shù)組定義;應(yīng)變率的影響采用Cowper-Symbols 模型,彈性體材料各參數(shù)取為:ρ=1 020 kg·m-3,E=230 MPa，ν=0.4，σ0=14 MPa.

表1 金屬材料主要參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 隔爆體為鋼

隔爆體材料全部選為鋼，選取如圖2所示后級隨進(jìn)彈彈頭表面不同的單元，應(yīng)力隨時間變化的規(guī)律如圖3所示。

圖2 不同單元編號

從圖3中可以看出，單層鋼板對沖擊波衰減影響不大，選取單元的最大應(yīng)力值為0.56 GPa。

2.2 隔爆體為組合介質(zhì)

1)鋼板-聚氨酯隔爆(隔爆體B、C、D為聚氨酯)

選取單元的位置不變，彈頭殼體表面所選單元應(yīng)力隨時間變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同單元時間-應(yīng)力曲線(鋼-聚氨酯隔爆)

從圖4中可以看出：選取單元處的最大應(yīng)力為0.187 GPa，經(jīng)過鋼板和聚氨酯雙層介質(zhì)作用后，沖擊波強(qiáng)度衰減明顯，且均勻作用到彈頭表面。

2)鋼板-鋁-聚氨酯隔爆(隔爆體B為鋁,C、D為聚氨酯)

按照阻抗匹配原則，選取逆序波阻抗結(jié)構(gòu)[9]，即鋼板-鋁-聚氨酯隔爆結(jié)構(gòu)。

從圖5中可以看出，逆序波阻抗結(jié)構(gòu)對沖擊波衰減作用明顯，所選單元處最大應(yīng)力為0.19 GPa.

3)鋼-聚脲-聚氨酯-鋁隔爆(隔爆體B為聚脲，隔爆體C為聚氨酯，隔爆體D為鋁)

選取具有軟夾層的鋼-聚脲-聚氨酯-鋁多層介質(zhì)組成的隔爆結(jié)構(gòu)，硬軟硬組合的優(yōu)點是：硬層介質(zhì)能夠充分削弱近距離的沖擊波強(qiáng)度，充分發(fā)揮其強(qiáng)度和剛度影響，軟夾層選取聚脲和聚氨酯，其變形大，能夠充分吸收爆炸波能量，同時還起到削波、改變波形和增加波的脈寬的作用。如果沖擊波作用在軟夾層的時間足夠長，軟夾層材料被充分壓實后，不再發(fā)揮其吸波的作用，這時緊挨軟夾層的金屬層受到較大的沖擊作用，繼續(xù)衰減沖擊波。

圖5 不同單元時間-應(yīng)力曲線(鋼-鋁-聚氨酯)

圖6 不同單元時間-應(yīng)力曲線(鋼-聚脲-聚氨酯-鋁隔爆)

從圖6中看出，經(jīng)過鋼、中間軟夾層以及鋁板共同作用后，所選單元處最大應(yīng)力為0.487 GPa。

4)鋼-聚脲-鋁隔爆結(jié)構(gòu)(隔爆體B為聚脲，隔爆體C、D為鋁)

選取彈性體——聚脲作為中間軟夾層材料，彈頭殼體表面所選單元應(yīng)力隨時間變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同單元時間-應(yīng)力曲線(鋼-聚脲-鋁隔爆)

聚脲作為一種彈性體，它具有非常好的彈性和韌性，較高的屈服強(qiáng)度和敏感的應(yīng)變率效應(yīng)，作為中間軟夾層，能夠更好衰減沖擊波強(qiáng)度，所選單元處最大應(yīng)力為0.346 GPa。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過以上5組數(shù)值仿真研究，得到了在不同材料組合下的隔爆結(jié)構(gòu)中沖擊波的衰減規(guī)律，得出了后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部表面最大應(yīng)力和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度以及加速度隨時間的變化規(guī)律。

表2中σmax表示后級戰(zhàn)斗部表面最大應(yīng)力值；amax為后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部加速度最大值；vmax表示后級隨進(jìn)戰(zhàn)斗部速度最大值。

表2 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比表

3 結(jié)論

1)多層組合介質(zhì)對沖擊波的衰減能力大于單層介質(zhì)，在多層組合介質(zhì)中，鋼-鋁-聚氨酯和鋼-聚氨酯組合結(jié)構(gòu)對沖擊波衰減效果明顯，使作用到后級隨進(jìn)彈上的沖擊波強(qiáng)度大大降低，使得后級隨進(jìn)彈的加速度和速度較小。

2)鋼板-聚氨酯隔爆結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量較小，且加工簡單，適合作為前后級隔爆材料。