劉俊彥,盧江仁,孫新利
(火箭軍工程大學(xué) 核工程學(xué)院,西安 710025)
防爆罐是一種被廣泛使用的排爆裝備,將啞彈或可疑爆炸物放入其中就能安全地進(jìn)行轉(zhuǎn)移以便后續(xù)處置。部隊(duì)在進(jìn)行手雷投擲訓(xùn)練時(shí)一旦出現(xiàn)啞彈,利用傳統(tǒng)的厚鋼板制成的防爆罐進(jìn)行處置存在結(jié)構(gòu)笨重、運(yùn)輸使用不便等缺點(diǎn),不能很好適應(yīng)部隊(duì)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)需求。因此需要一種輕型的簡(jiǎn)易手雷防爆罐以便更好地保障部隊(duì)訓(xùn)練。
由于手雷爆炸存在破片和沖擊波2種殺傷方式,目前防爆罐的輕型化和小型化主要從防護(hù)破片和沖擊波等2個(gè)方面的材料上著手,對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了廣泛研究。對(duì)于破片,防護(hù)材料分為硬體和軟體2種,硬體以陶瓷基材料為代表,焦志剛等研究了其抗侵徹方面的性能,軟體以各種高性能纖維為代表;王勇等綜述了國(guó)外抗彈纖維及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展,對(duì)于爆炸產(chǎn)生的沖擊波,防護(hù)材料以多孔泡沫材料最常用;宋彬等研究了聚脲彈性體夾層防爆罐抗爆性能;王志華等研究了泡沫金屬的緩沖吸能作用。目前結(jié)合軟硬防護(hù)材料的復(fù)合防護(hù)是目前研究的熱門,任春雨等研究了復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)抗高速破片侵徹性能;苗成等研究了復(fù)合結(jié)構(gòu)抗爆轟性能,結(jié)果表明在兼顧重量和防護(hù)性能的情況下使用復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)。
本文設(shè)計(jì)一種以凱夫拉纖維和泡沫鋁夾層復(fù)合結(jié)構(gòu)的小型防爆罐,利用AUTODYN軟件對(duì)其在82—2式手雷爆炸后的沖擊波和破片的防護(hù)性能進(jìn)行仿真計(jì)算,分析防爆罐在手雷沖擊波和破片侵徹等2種不同破壞作用下的動(dòng)力響應(yīng)和緩沖吸能情況,研究該種復(fù)合防護(hù)設(shè)計(jì)的可行性。
該防爆罐整體外形由球殼—圓柱—球殼組合而成,球殼半徑300 mm,圓柱高和半徑均為300 mm,防爆蓋與罐體用U型鋼套連接,外有4個(gè)支腳。防爆罐防護(hù)層厚度為12 mm,由內(nèi)到外依次為凱夫拉纖維、內(nèi)鋼層、泡沫鋁、外鋼層。其中凱夫拉纖維2 mm,泡沫鋁厚度為8 mm,內(nèi)外鋼層厚度均為1 mm,建立的手雷防爆罐幾何模型如圖1所示。
圖1 防爆罐模型示意圖
82—2式手雷形狀為卵形,建模時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,內(nèi)部裝藥設(shè)置為半長(zhǎng)徑28.5 mm、半短徑17.5 mm的橢球體,藥量為60 g TNT。殺傷破片等效為邊長(zhǎng)2.42 mm的鋼質(zhì)立方體,總重163 g,數(shù)量約為1 500顆。 82—2式手雷幾何模型如圖2所示。
炸藥選取TNT炸藥,爆轟產(chǎn)物膨脹做功過(guò)程使用JWL狀態(tài)方程。鋼材部分選擇4340鋼,狀態(tài)方程采用Linear方程。凱夫拉纖維狀態(tài)方程采用Ortho方程,本構(gòu)模型采用Orthotropic模型。泡沫鋁狀態(tài)方程采用Linear方程,本構(gòu)模型采用Crushable Foam模型,應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3。材料參數(shù)如表1~表4所示。
圖2 82—2式手雷幾何模型示意圖
圖3 泡沫鋁壓力應(yīng)變曲線
表1 TNT的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of TNT
表2 4340鋼的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of 4340 steel
表3 凱夫拉纖維的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of kevlar fiber
表4 泡沫鋁的材料參數(shù)Table 4 Material parameters of aluminum foams
考慮到手雷爆炸沖擊波與破片在破壞作用原理上存在不同,本文在仿真計(jì)算獨(dú)立開(kāi)來(lái)進(jìn)行模擬仿真,以減少計(jì)算量,因?yàn)闆_擊波先與防爆罐發(fā)生作用,所以先從抗沖擊波能力開(kāi)始分析。
對(duì)于手雷爆炸產(chǎn)生的沖擊波,采用對(duì)稱模型進(jìn)行仿真,防爆罐單元為拉格朗日類型,網(wǎng)格尺寸為1 mm,炸藥與空氣單元為歐拉類型,網(wǎng)格尺寸為2 mm,所有單元為六面實(shí)體單元,耦合設(shè)定為流-固耦合,邊界條件為自由邊界,大氣參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù),起爆方式為中心點(diǎn)起爆,整個(gè)仿真時(shí)間為1 ms。防爆罐二維模型與內(nèi)表面測(cè)量點(diǎn)超壓情況如圖4所示,爆炸沖擊波與防爆罐作用過(guò)程如圖5所示。
圖4 防爆罐二維模型與內(nèi)表面測(cè)量點(diǎn)超壓曲線
圖5 爆炸沖擊波與防爆罐作用過(guò)程云圖
圖4是在頂端、連接處、側(cè)壁內(nèi)表面典型設(shè)置的氣體超壓測(cè)量點(diǎn)及其測(cè)量結(jié)果,結(jié)合圖5爆炸沖擊波與防爆罐作用過(guò)程,可以看出沖擊波最先傳播到側(cè)壁中央,在120 μs出現(xiàn)峰值為11 MPa,根據(jù)球形裝藥空氣中爆炸沖擊波超壓的亨力奇公式,等質(zhì)量TNT球體爆炸在側(cè)壁產(chǎn)生的超壓計(jì)算結(jié)果為12 MPa,與仿真相差8.3%,考慮到仿真裝藥為橢球體而非球體,半短徑方向的超壓偏小,所以仿真與計(jì)算的誤差在可接受范圍內(nèi);在150 μs左右沖擊波到達(dá)連接處,超壓峰值為6 MPa;450 μs左右沖擊波到達(dá)頂端,由于其在內(nèi)壁反射、匯聚,使頂端內(nèi)壁承受的超壓階躍上升,超壓峰值最大為32 MPa,峰值超壓是側(cè)壁超壓的3倍左右,說(shuō)明上下端蓋中心部位是該型防爆罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。之后的壓力波陣面不再清晰,反射情況更為復(fù)雜,壓力也急劇下降,不足以破壞罐體。
圖6反映了防爆罐計(jì)算結(jié)束時(shí)狀態(tài),其頂端是承受沖擊載荷最為危險(xiǎn)的部位,可以看出部分泡沫鋁發(fā)生明顯的破壞失效,但外鋼層沒(méi)有出現(xiàn)塑性形變,只出現(xiàn)一定的彈性形變,說(shuō)明爆炸作用產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力仍小于外殼的彈性極限。因此,根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果,防爆罐整體結(jié)構(gòu)不會(huì)在手雷60 g TNT裝藥的中心爆炸下被破壞。
圖6 計(jì)算結(jié)束時(shí)防爆罐狀態(tài)圖
圖7是防爆罐材料吸能時(shí)程曲線,爆炸沖擊波能量先以應(yīng)力波形式傳入各層,隨后各層之間以彈塑性波的形式傳播,表現(xiàn)為吸能曲線呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。400 μs左右沖擊波在頂端匯聚,內(nèi)外鋼層吸能迅速增多,600 μs左右內(nèi)鋼層吸能上升到極點(diǎn),外鋼層繼續(xù)吸能,750 μs左右外鋼層吸收的能量達(dá)到最大15.7 kJ,占此時(shí)總吸能的49%,隨后泡沫鋁通過(guò)塑變、失穩(wěn)、坍塌、破裂等形式耗散和吸收能量,仿真結(jié)束時(shí)外鋼層的吸能下降到9.3 kJ,占總吸能的34%,泡沫鋁起到了緩沖的作用。
圖7 防爆罐材料吸能時(shí)程曲線
對(duì)于手雷爆炸產(chǎn)生的破片,建立防爆罐和手雷1/8三維模型并進(jìn)行仿真,如圖8所示,模型單元均為拉格朗日類型的六面實(shí)體單元,手雷網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2,防爆罐網(wǎng)格劃分厚度為1 mm、邊長(zhǎng)5 mm,并將受到?jīng)_擊波沖擊作用后防爆罐各層的結(jié)構(gòu)單元映射到該模型中。手雷設(shè)置為中心起爆,在起爆后30 μs,破片已完成加載驅(qū)動(dòng),為簡(jiǎn)化計(jì)算,刪除炸藥模型,破片以加載后的初速自由飛行,整個(gè)仿真時(shí)間為550 μs。
圖8 防爆罐和手雷數(shù)值仿真模型示意圖
破片的加載及飛行過(guò)程如圖9所示,整個(gè)過(guò)程分為3個(gè)階段:第1階段0~30μs為加載階段,破片在TNT爆炸的沖擊下,總動(dòng)能迅速上升到11.27kJ,平均速度1 051 m/s,總內(nèi)能上升到5.07 kJ;根據(jù)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部破片初速的Gurney能量法計(jì)算手雷破片初速度為1 026 m/s,兩者誤差為2.4%,在可接受范圍內(nèi);第2階段30~230 μs為飛行階段,破片在防爆罐內(nèi)自由飛行,破片內(nèi)能和動(dòng)能基本保持不變,只有在刪除炸藥模型后的短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一點(diǎn)波動(dòng);第3階段230 μs以后為侵徹階段,破片相繼與防爆罐殼壁接觸,在侵徹過(guò)程中動(dòng)能被迅速消耗,仿真結(jié)束時(shí),破片總動(dòng)能只剩下0.42 kJ,占最大動(dòng)能的3.7%,內(nèi)能上升到7.98 kJ,損失的動(dòng)能有26.8%轉(zhuǎn)化成了破片的內(nèi)能。
圖9 破片動(dòng)能和內(nèi)能時(shí)程曲線
圖10為防爆罐各層結(jié)構(gòu)仿真結(jié)束狀態(tài),從左至右依次為凱夫拉纖維、內(nèi)鋼層、泡沫鋁、外鋼層。凱夫拉纖維和泡沫鋁在防爆罐圓柱側(cè)壁上出現(xiàn)明顯失效,頂端沒(méi)有出現(xiàn)明顯失效;內(nèi)鋼層側(cè)壁上圓柱部分出現(xiàn)較為明顯的塑性形變,泡沫鋁層在圓柱部分出現(xiàn)明顯的失效,外鋼層基本保持完好,只有局部的彈性形變,因此可以認(rèn)為防爆罐有效防護(hù)了手雷爆炸時(shí)的破片。
圖10 防爆罐各層仿真結(jié)束狀態(tài)
圖11給出了防爆罐各層對(duì)破片的吸能情況。從圖11中可以看出,凱夫拉纖維吸能最多,加上其因?yàn)槭Ф鴦h除的單元部分共吸收了7.22 kJ,占破片動(dòng)能損失的66.5%;內(nèi)鋼層約吸收了0.56 kJ的破片動(dòng)能,占破片動(dòng)能損失的5.2%;泡沫鋁吸能約0.13 kJ,占破片動(dòng)能損失的1.2%;外鋼層僅吸收了0.03 kJ。說(shuō)明破片很難能對(duì)凱夫拉纖維層、內(nèi)鋼層和泡沫鋁層三層防護(hù)之后的外鋼層產(chǎn)生有效破壞作用。
圖11 防爆罐材料吸能時(shí)程曲線
綜上可知破片從自由飛行階段到仿真結(jié)束共損失了96.3%的動(dòng)能,其中損失動(dòng)能的98.5%在破片侵徹纖維層和內(nèi)鋼層過(guò)程中被耗散了,分別被纖維層與內(nèi)鋼層吸收和轉(zhuǎn)化成了破片內(nèi)能,凱夫拉纖維和4340鋼起到了很好的復(fù)合防護(hù)效果。
本文設(shè)計(jì)一種用于處置82—2式手雷的簡(jiǎn)易輕型防爆罐,對(duì)防爆罐抗手雷爆炸時(shí)的沖擊波和破片的防護(hù)能力進(jìn)行數(shù)值仿真分析,結(jié)果表明:
1) 防爆罐在受到手雷爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用下,泡沫鋁層明顯失效,其他各層結(jié)構(gòu)大體完整,說(shuō)明各層結(jié)構(gòu)吸能,能夠有效抵擋手雷爆炸時(shí)的沖擊波作用。
2) 防爆罐殼壁內(nèi)部三層結(jié)構(gòu)材料對(duì)手雷爆炸時(shí)總破片動(dòng)能的耗散率達(dá)到了96.3%,可對(duì)手雷爆炸的破片起到很好的防護(hù)作用。