劉沫言，焦志剛，梁 昊

(沈陽理工大學裝備工程學院，沈陽 110159)

0 引言

高速破片是攔截戰(zhàn)斗部的重要手段，為防止戰(zhàn)斗部被反導破片擊中，使其提前失效，故研究戰(zhàn)斗部不敏感技術(shù)已成為當今熱點。其問題的實質(zhì)是破片對帶殼裝藥的沖擊起爆，所以用高效耗能的殼體材料來削弱沖擊波強度成為防護領(lǐng)域的重點研究問題。

目前眾多學者在破片撞擊不敏感戰(zhàn)斗部方面進行了大量研究，在單層殼體及不敏感炸藥方面有顯著成效，但對破片沖擊起爆復合殼體裝藥的研究較少。宋浦等[1]進行了常規(guī)破片撞擊引爆裝藥的毀傷試驗，試驗結(jié)果與工程判據(jù)相結(jié)合，給出了破片沖擊起爆柱形殼體裝藥的臨界速度閾值。童宗保等[2]建立了屏蔽炸藥在破片斜沖擊狀態(tài)下的理論模型，并進行了數(shù)值模擬，通過二者結(jié)果對比，驗證了理論方法的有效性。張濤等[3]將戰(zhàn)斗部簡化為帶殼裝藥，通過設(shè)置3種墊層材料，研究破片對其沖擊起爆的強弱，其結(jié)果表明控制合理的匹配關(guān)系可有效抑制沖擊波毀傷。Howe[4]發(fā)現(xiàn)了破片在撞擊帶殼裝藥過程中，沖塞過程易形成剪切，由于剪切帶溫度過高引起裝藥引爆；Dickinson等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)破片撞擊帶殼裝藥的位置、角度對傳輸?shù)秸ㄋ幹械哪芰考皦毫τ兄匾绊?，可使起爆帶殼裝藥的臨界速度變化。Melosh等[6]對不同速度破片撞擊炸藥的起爆行為進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了低速破片撞擊炸藥時的延時沖擊起爆行為。

文中設(shè)計了由鎢、聚乙烯、氧化鋁按6種組合方式構(gòu)成的復合殼體結(jié)構(gòu)，分析了破片所產(chǎn)生的沖擊波在不同材料阻抗排列情況下的衰減特征以及沖擊波壓力，基于最佳阻抗匹配結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬來研究各層殼體厚度變化對沖擊波衰減的影響規(guī)律。

1 破片沖擊復合殼體沖擊波衰減特性分析

根據(jù)宋浦等提出的p=Au2來分析沖擊波在多層介質(zhì)中的傳播[1]，其中A為材料的波阻抗，如圖1所示，曲線1～曲線3分別表示不同材料的Hugoniot關(guān)系曲線，由原點出發(fā)與Hugoniot關(guān)系曲線上某點連線的斜率越大，介質(zhì)的阻抗越大，圖中反映了沖擊波壓力pb從介質(zhì)A傳入介質(zhì)B的情形，分界面處的狀態(tài)既在反射波Hugoniot曲線1′上，也在介質(zhì)B的透射波Hugoniot曲線上，即a點狀態(tài)。同理，沖擊波從介質(zhì)A傳入介質(zhì)C時，狀態(tài)從b點變?yōu)閏點[7]。

圖1 波在分層材料中的傳播

假設(shè)介質(zhì)處于高壓條件下，且沖擊波初始狀態(tài)為b點，根據(jù)p=Au2則曲線1′可表示為[8]:

p=A1(u-2ub)2u<2ub

(1)

則對于c點

p=A1(u-2ub)2=A2u2u<2ub

(2)

(3)

由式(3)可以得出沖擊波傳播n層介質(zhì)后的透射系數(shù)：

(4)

由此可知對于相同層數(shù)(n)的介質(zhì)來說，存在某種順序的排列結(jié)構(gòu)，使得分母Sn存在最大值。

(5)

即透射系數(shù)Tn存在最小值，以利于殼體對沖擊波的削弱。

2 破片沖擊復合殼體裝藥模擬仿真

2.1 復合殼體仿真模型

基于AUTODYN數(shù)值模擬軟件建立模型，如圖2所示。

圖2 復合殼體仿真模型

大量參考文獻表明破片初速一般在1～3 km/s之間，故文中破片速度選取3 km/s，破片尺寸半徑×高度為6 mm×20 mm，破片距殼體上表面間隙為0.1 mm；被發(fā)炸藥尺寸半徑×高度為35 mm×70 mm。模型采用三層等厚殼體設(shè)計，每層殼體厚度為10 mm，以保證研究范圍覆蓋大部分常規(guī)戰(zhàn)斗部殼體厚度[9]，為了更好的觀察爆炸沖擊波在分層殼體中傳播過程，設(shè)置觀測點(圖中測點12～測點17)分別位于每層殼體的上下表面，以獲得殼體中壓力、能量等基本參量的變化，在炸藥內(nèi)部每隔1.75 mm設(shè)置觀測點，可通過觀測點處的壓力大小作為炸藥是否起爆的依據(jù)。由于破片撞擊過程中殼體的變形量較大，為了保證網(wǎng)格劃分中算法的收斂性，分別對殼體材料進行了SPH網(wǎng)格劃分，對鎢合金破片、COMPBJJ1炸藥進行了Lagrange網(wǎng)格劃分。

基于所選定的3種材料，根據(jù)阻抗大小設(shè)計了不同材料組合的阻抗排序方案，每種方案的組合方式如表1所示，表中第一層距破片最近，第三層與破片的距離最遠。

表1 三層殼體材料組合方案

2.2 破片對不同材料排序復合殼體沖擊的數(shù)值模擬

為了研究不同材料組合對帶殼裝藥抗沖擊起爆的響應(yīng)特性，提取殼體上觀測點12～觀測點17的壓力如圖3所示，由于各方案材料的阻抗匹配不同，導致各方案的輸出壓力在各分界面上存在著突變，從第一層觀測點16～觀測點17可以看出除方案5、方案6在沖擊波傳播過程中壓力驟降外，其他方案在經(jīng)破片與第一層介質(zhì)接觸后，壓力均呈現(xiàn)上升趨勢，而出現(xiàn)此種現(xiàn)象的特征均是第一層材料阻抗值在中、小程度，故在研究多層防護結(jié)構(gòu)時，外層材料阻抗值應(yīng)選擇較大的，以盡快消除沖擊波壓力峰值[10]。

圖3 不同材料組合方案交界面壓力峰值

通過數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)同組中方案6的最終輸出壓力為1.988 GPa，而方案1至方案5的輸出壓力分別為7.263 GPa、6.838 GPa、4.879 GPa、2.614 GPa、6.396 GPa，故表明方案6阻抗排序為大-中-小在抑制破片侵徹方面有較強優(yōu)勢。

在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，第一層與第二層介質(zhì)吸能越多對削減沖擊波壓力越有利，且輸入到第三層的能量越少越好。由圖4可以看出傳播到第三層殼體的最少能量為810.1 J，組合方式為方案6組合方案(鎢-氧化鋁-聚乙烯)。

圖4 不同組合方案第三層殼體輸入能量和內(nèi)能

2.3 破片對不同厚度匹配復合殼體沖擊的數(shù)值模擬

2.3.1 復合殼體厚度匹配方案

本節(jié)選取阻抗排列方式較好的鎢、氧化鋁、聚乙烯3種材料，共進行了27種方案的數(shù)值模擬，仿真模型及條件均不變，僅改變各層材料的厚度，以研究不同厚度的帶殼裝藥對破片侵徹性能的影響，復合殼體厚度分配方案如表2所示。

表2 厚度分配方案 單位：mm

2.3.2 數(shù)值模擬

如圖5所示，給出了破片到達帶殼裝藥各層殼體分界面處的壓力。當?shù)谝粚渔u殼體厚度不變時，從觀測點14～觀測點15可知，方案A3、A4、A5、A6在氧化鋁陶瓷層突現(xiàn)出對沖擊波較好的抑制能力，其4組方案在該層的壓力衰減量分別為：14.25 GPa、11.99 GPa、12.83 GPa、15.62 GPa，即氧化鋁陶瓷厚度增加，該層衰減能力明顯提高，隔離性增強；從整體方案A1～方案A9的壓力變化來說，方案A9的壓力減少量為114.014 7 GPa，而等厚度(方案A5)的壓力減少量為113.661 7 GPa，故方案A9優(yōu)于方案A5，說明存在合理的厚度匹配，可使帶殼裝藥的抗侵徹性能增加。

圖5 A組不同厚度方案各交界面處沖擊波壓力峰值

從圖6的觀測點12～觀測點13(即第三層殼體聚乙烯)得知，沖擊波經(jīng)該層殼體后，對峰值壓力衰減能力弱于第一、二層，其內(nèi)能的變化幅度較大，表現(xiàn)出較好的吸能性，綜合殼體的輸出能量及炸藥的輸入能量發(fā)現(xiàn)方案A9為本組中最優(yōu)方案。

圖6 A組方案各層殼體內(nèi)能分配變化趨勢

當控制第二層氧化鋁陶瓷的厚度不變，改變鎢和聚乙烯的厚度，仿真結(jié)果如圖7所示。僅看第一層材料(鎢)觀測點16～觀測點17，隨著鎢殼體厚度的增加，方案B7由初始壓力值115.66 GPa持續(xù)衰減至14.072 GPa，減少了101.588 GPa，變化最為顯著，而對比B組中其他方案，B7、B8、B9較明顯得可以看出鎢殼體的衰減性能并不與材料的厚度呈線性關(guān)系，即各層材料的厚度有一定臨界值；在鎢與氧化鋁陶瓷材料的分界面處，根據(jù)阻抗匹配技術(shù)知，由于鎢的阻抗值大于氧化鋁陶瓷，沖擊波壓力會發(fā)生突變，故在分界面處沖擊波壓力會降低，且波阻抗差值越大，沖擊波峰值壓力降低的幅度越大[11]；盡管破片侵徹至氧化鋁陶瓷層的初始壓力不同，但在同一層上最終都表現(xiàn)出衰減能力，與等厚度的鎢相比，該層衰減能力弱于等厚度的鎢，其原因是二者波阻抗不同，而當破片到達聚乙烯層時，隨著聚乙烯厚度的減小，該層在抑制破片侵徹方面，未呈現(xiàn)出較大的貢獻。

圖7 B組不同厚度方案各交界面處沖擊波壓力峰值

就破片所產(chǎn)生的沖擊波傳播到最后一層(聚乙烯)與炸藥界面處的峰值壓力而言，最后一層材料的阻抗值越小，則峰值壓力越小。如圖8所示隨著鎢殼體厚度的增加，其內(nèi)能逐漸減小，由于氧化鋁的阻抗值低于鎢，故在破片與氧化鋁分界面處內(nèi)能呈上升趨勢，待破片穩(wěn)定侵徹該層時，氧化鋁表現(xiàn)出一定的隔離性，有效抑制破片的侵徹，同理由于材料阻抗的差異，在第二、三層接觸面也存在內(nèi)能突變，但聚乙烯層內(nèi)能總體呈上升趨勢，是由于該材料具有一定的吸能特性，致使輸入炸藥的內(nèi)能也逐漸減少。

圖8 B組方案各層殼體內(nèi)能分配變化趨勢

控制第三層聚乙烯厚度不變，改變鎢和氧化鋁陶瓷的厚度，結(jié)果如圖9所示。發(fā)現(xiàn)仍然如前所述，在同一層材料傳播里，鎢殼體的厚度越大，沖擊波峰值壓力越?。划旀u的厚度增加到18 mm 時尤其明顯，沖擊波壓力由初始值115.65 GPa衰減為1.6802 GPa，減少了113.97 GPa，其衰減程度遠遠大于其他厚度分配透射出來的沖擊波峰值壓力；觀察當破片侵徹氧化鋁陶瓷時，其壓力峰值的變化量隨著該層厚度的減小而減少。

由圖10可見，隨著鎢殼體厚度的增加，殼體的內(nèi)能的下降幅度也不斷增加，而氧化鋁陶瓷殼體的內(nèi)能也呈現(xiàn)出下降趨勢，聚乙烯材料在厚度不變的情況下，從方案C5、C6、C7、C8可以看出，該層殼體中內(nèi)能呈現(xiàn)出下降趨勢，致使輸入炸藥的能量降低，所以由此可見，在帶殼裝藥開始熱分解前，隨著殼體厚度的增加，在輸入炸藥能量的分配上，內(nèi)層聚乙烯吸收能量能力所占比例上升，使帶殼裝藥的內(nèi)能輸入能量減少，裝藥的反應(yīng)度降低。

由圖11可以看出，沖擊波在第三層(聚乙烯)與炸藥分界面處，因二者阻抗值的差異，炸藥的壓力明顯高于殼體的壓力，根據(jù)熱點理論，沖擊波將在被發(fā)裝藥中產(chǎn)生局部高溫，雖然炸藥尚未發(fā)生爆轟反應(yīng)，但它會在高溫中進行快速熱分解，從而釋放內(nèi)能，內(nèi)能釋放的越快，則帶殼裝藥的響應(yīng)程度就越小，從壓力及能量方面分析可知，方案18(B9)為最佳厚度匹配組合。其表明增加阻抗值大的材料厚度，且按阻抗遞減的排序?qū)_擊波的衰減、能量耗散作用顯著。

圖11 27組方案內(nèi)能、壓力變化趨勢

3 結(jié)論

基于復合殼體材料阻抗匹配、厚度匹配方案，對破片沖擊起爆帶殼裝藥的過程進行了研究，得出如下結(jié)論：

1)從沖擊波輸入炸藥中的壓力及炸藥內(nèi)能發(fā)現(xiàn)，復合殼體中阻抗排序大-中-小為最佳，且鎢-聚乙烯-氧化鋁陶瓷為最優(yōu)材料匹配組合，可有效抑制沖擊波壓力，即阻抗大的材料適合作為與破片接觸的第一層防護材料，以確保盡快消除沖擊波壓力峰值平臺。殼體材料的排列順序應(yīng)盡可能使波阻抗沿沖擊波傳播方向遞減，其相鄰材料的匹配應(yīng)選擇阻抗差較小的。

2)基于等厚度情況下的最優(yōu)阻抗匹配組合鎢-氧化鋁陶瓷-聚乙烯，研究不同厚度匹配的帶殼裝藥對破片沖擊起爆的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，對于阻抗值較大的材料，增加其厚度，可使進入帶殼裝藥的初始壓力、輸入能量越小，降低炸藥的敏感性，且每層殼體厚度，都存在一定的臨界值，使變壁厚的復合殼體裝藥在抗破片沖擊起爆方面強于等壁厚帶殼裝藥，即復合殼體之間存在合理的厚度匹配關(guān)系。