關(guān)鍵詞：過載環(huán)境力；等效模擬實(shí)驗(yàn)；飛片沖擊；侵徹加載

近年來，隨著裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和防護(hù)材料性能的不斷提升，使得侵徹戰(zhàn)斗部等毀傷元需要提升速度和彈頭強(qiáng)度來改善侵徹能力，帶來的問題是戰(zhàn)斗部中的裝藥通常處于高過載的服役環(huán)境下[1-2]，導(dǎo)致戰(zhàn)斗部在發(fā)射、穿甲、鉆地等復(fù)雜環(huán)境下，出現(xiàn)了裝藥結(jié)構(gòu)完整性破環(huán)甚至早炸的現(xiàn)象[3]。因此，在復(fù)雜高過載環(huán)境下，裝藥的安全可靠性問題備受關(guān)注[4-5]。現(xiàn)有裝藥安全可靠性能實(shí)驗(yàn)存在成本高、強(qiáng)過載環(huán)境測(cè)試難度大等瓶頸問題，急需探尋一種測(cè)試范圍連續(xù)可調(diào)、裝配簡(jiǎn)易、成本低廉、測(cè)試散布精度高、同時(shí)滿足高過載壓力和大脈沖寬度的裝藥過載環(huán)境力等效模擬的實(shí)驗(yàn)方式。

目前，學(xué)者們對(duì)裝藥過載環(huán)境測(cè)試方法進(jìn)行了廣泛探索，主要有最小起爆試驗(yàn)法、隔板試驗(yàn)法、獵槍試驗(yàn)法、殉爆試驗(yàn)法、爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)、Hopkinson壓桿、落錘和輕氣炮等[6-8]方法。然而所有方法都存在一個(gè)共性的瓶頸，即：測(cè)試得到的過載壓力和脈沖寬度屬于“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系，難以同時(shí)兼顧。采用輕氣炮、爆炸驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方法，能夠獲得高幅值的加載，但脈沖寬度通常不到10μs。例如：徐鵬等[9]以一級(jí)空氣炮為載體，驅(qū)動(dòng)彈丸撞擊加速度儲(chǔ)存裝置，以毛氈為緩沖獲得了高過載的沖擊環(huán)境，但脈寬時(shí)間只能持續(xù)微秒級(jí)別；周廣宇等[10]以Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置作為火工品抗過載實(shí)驗(yàn)中的高g值加速度發(fā)生器，設(shè)計(jì)了波形整形器有效控制和改善火工品沖擊實(shí)驗(yàn)中的加載環(huán)境；趙欣等[11]對(duì)已有的火工爆炸的地面模擬試驗(yàn)和有限元分析研究進(jìn)行了綜述，為火工爆炸地面模擬試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

采用空氣擊錘、落錘等方法，能夠?qū)⑦^載脈寬延長(zhǎng)至100μs以上，但加速度峰值通常低于105g（壓力低于1GPa）。例如：門士瀅[12]基于落球?qū)嶒?yàn)裝置，設(shè)計(jì)了高過載、寬脈沖的空氣擊錘實(shí)驗(yàn)裝置，獲得了脈寬100μs以上的加速度過載環(huán)境，但加速度峰值不足105g；何小斌[13]設(shè)計(jì)了落球?qū)嶒?yàn)裝置，并將波形整形技術(shù)用于落球?qū)嶒?yàn)，延長(zhǎng)了過載脈寬。應(yīng)用波形整型技術(shù)后，加載峰值平均值僅為1900g～2200g，脈寬平均值在400μs左右。滿曉飛等[14]和陳健[15]基于空氣擊錘實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，提出了立式空氣擊錘模擬侵徹過程，同樣延長(zhǎng)了脈沖寬度，但加速度峰值均低于40000g。許志峰等[16]和劉計(jì)劃等[17]對(duì)落錘模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，提高了對(duì)彈丸侵徹靶板狀態(tài)模擬的真實(shí)性。Starkenberg等[18]和芮筱亭等[19]建立了發(fā)射裝藥動(dòng)態(tài)擠壓破碎實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠等效模擬火炮發(fā)射過程中彈底發(fā)射裝藥的擠壓破碎過程；屈可朋等[20]建立了壓縮載荷模擬實(shí)驗(yàn)方法和摩擦載荷模擬實(shí)驗(yàn)方法，能夠較好地模擬裝藥實(shí)彈侵徹時(shí)所受應(yīng)力載荷；Kim等[21]開發(fā)了一種高溫沖擊模擬器，可以通過控制沖擊環(huán)境生成變量來生成所需的沖擊環(huán)境，進(jìn)而模擬火工品發(fā)射時(shí)的過載狀態(tài)。周霖等[22]基于單自由度受迫振動(dòng)模型，建立了炸藥抗過載性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，能夠獲得1GPa以上加載峰值和1ms以上脈沖寬度的信號(hào)，可模擬彈體侵徹混凝土過程中裝藥的受力環(huán)境，但未涉及對(duì)彈體侵徹鋼靶環(huán)境的模擬。

綜上所述，由于過載壓力和脈沖寬度2個(gè)指標(biāo)難以同時(shí)兼顧，上述研究成果普遍無法等效還原彈體侵徹鋼靶板的真實(shí)加載狀態(tài)[23-25]。本文中，基于裝藥過載環(huán)境力實(shí)驗(yàn)原理，設(shè)計(jì)測(cè)試范圍靈活、裝配簡(jiǎn)易、成本低廉的裝藥過載環(huán)境等效模擬實(shí)驗(yàn)裝置，同時(shí)滿足彈體侵徹鋼靶板時(shí)高應(yīng)力（大于1GPa）和大脈寬（大于100μs）真實(shí)加載狀態(tài)的技術(shù)指標(biāo)。通過原理分析以及數(shù)值模擬工作，開展裝藥過載環(huán)境力模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的等效性，并為裝藥安定性測(cè)試及評(píng)估提供重要的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1裝藥加載模擬實(shí)驗(yàn)裝置

為了等效還原彈體侵徹鋼靶時(shí)裝藥的過載環(huán)境，首先需要獲得裝藥表面受到的加載信號(hào)。受限于實(shí)彈打靶的測(cè)試難度和成本，本文中運(yùn)用AUTODYN有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)侵徹過程裝藥表面承受的過載進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過分析觀測(cè)點(diǎn)的壓力-時(shí)間曲線，探究不同速度彈丸侵徹鋼板過程中裝藥表面壓力的變化規(guī)律。在獲得裝藥表面加載信號(hào)的波形、壓力峰值、脈沖寬度等參數(shù)后，通過合理選取飛片厚度、波形調(diào)整器材料和厚度等參數(shù)，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)等效實(shí)驗(yàn)裝置。

1.1彈體侵徹鋼靶裝藥過載環(huán)境數(shù)值模擬

1.1.1數(shù)值模擬模型及方案

裝藥沖擊加載結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，由殼體、裝藥、引信和彈底組成，裝藥位于彈體圓柱部，彈頭為尖卵形。殼體及裝藥之間的耦合關(guān)系采用拉格朗日算法描述。彈丸網(wǎng)格劃分如圖2所示。

鋼靶板厚度為30mm，彈丸侵徹速度v分別選取500、800、1000、1200和1500m/s，入射角度為90°。裝藥密度為1.63g/cm3，爆壓為21GPa，爆溫為600.06K，爆速為6.93km/s。殼體及靶板材料的密度為7.83g/cm3，體積模量為77GPa，剪切模量為159GPa。通過設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)，獲取彈體侵徹鋼靶過程中裝藥表面加載波形、超壓峰值及脈沖寬度。

1.1.2數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖3為彈丸以1000m/s的速度侵徹靶板時(shí)載荷在彈體中的傳播云圖，可以看出，彈頭觸靶時(shí)載荷為3.12GPa，沖擊波傳到裝藥表面時(shí)載荷為1.06GPa，尖卵形彈頭有效降低了裝藥承受的載荷。表1為不同侵徹速度下裝藥的過載數(shù)據(jù)。圖4為不同侵徹速度下裝藥的過載波形，可以看出，波形均為半正弦波，存在2個(gè)有效波峰，第1個(gè)波峰略大。彈頭觸靶時(shí)分別向彈體和靶板形成2個(gè)方向的沖擊波，從彈體方向沖擊波傳到裝藥表面開始，到靶板方向沖擊波傳播到靶板自由面反射回來卸載波再次傳到裝藥表面結(jié)束，這段時(shí)間即為第1個(gè)波峰脈寬?？梢钥闯觯S著沖擊速度的提升，裝藥表面加載峰值呈單調(diào)遞增，而脈沖寬度雖有單調(diào)遞減趨勢(shì)，但由于靶板厚度一致，脈寬變化不大，總體在100μs左右浮動(dòng)。因此，等效模擬裝置應(yīng)當(dāng)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)加載壓力峰值大于1GPa和脈寬大于100μs的指標(biāo)。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.2.1裝置組成

裝藥過載環(huán)境力等效模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由起爆系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和壓力測(cè)試系統(tǒng)組成。通過主裝藥驅(qū)動(dòng)飛片實(shí)現(xiàn)高過載加載，采用波形調(diào)整器實(shí)現(xiàn)修正波形和延長(zhǎng)脈沖寬度。其中起爆系統(tǒng)由雷管、傳爆藥、平面波發(fā)生器和主裝藥構(gòu)成；加載系統(tǒng)由墊片、飛片、波形調(diào)整器和待測(cè)藥構(gòu)成；輔助系統(tǒng)由支撐架、鑒證板和防護(hù)板組成；壓力測(cè)試系統(tǒng)由PVDF（polyvinylidenefluoride）薄膜式壓電傳感器（型號(hào)：JYCD3-3B；壓電常數(shù)：43.94C/N；電容：25pF；表面電阻：小于40Ω）、導(dǎo)線、多通道應(yīng)變儀（型號(hào)：BZ2202）和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀（型號(hào)：TST3125）構(gòu)成，如圖6所示。

1.2.2裝置設(shè)計(jì)原理

采用在飛片與待測(cè)藥之間添加波形調(diào)整器的方法，調(diào)整待測(cè)藥受到加載后傳播到其上信號(hào)的波形和特征值。飛片與波形調(diào)整器發(fā)生對(duì)稱碰撞后，沖擊波傳播至待測(cè)藥的過程主要由3個(gè)階段組成：（1）瞬態(tài)高壓階段，在飛片撞擊波形調(diào)整器的瞬間、出現(xiàn)反射稀疏波之前，飛片與波形調(diào)整器撞擊界面的壓力高于準(zhǔn)定常階段；（2）平臺(tái)峰值壓力保持階段，飛片與波形調(diào)整器撞擊界面的峰值壓力保持穩(wěn)定，平臺(tái)峰值壓力所保持的時(shí)間即是脈沖寬度；（3）卸載階段，波形調(diào)整器反射回來的追趕稀疏波或邊界稀疏波到達(dá)待測(cè)藥中心，使壓力迅速下降[26-27]。

由此可看出，沖擊波壓力平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間（脈沖寬度）主要取決于波形調(diào)整器的厚度，在數(shù)值上等于沖擊波到達(dá)波形調(diào)整器自由面的時(shí)間與自由面反射的追趕稀疏波到達(dá)待測(cè)藥和波形調(diào)整器界面的時(shí)間之和。沖擊波到達(dá)波形調(diào)整器自由面的時(shí)間τ1為：

式中：us1為沖擊波陣面在波形調(diào)整器中傳播的速度，v為飛片速度，d為波形調(diào)整器的厚度。

從自由面反射的稀疏波波速為彈性縱波聲速cL，壓縮后的波形調(diào)整器厚度為ρ01d/ρ1，ρ01為波形調(diào)整器的初始密度，ρ1為波形調(diào)整器壓縮后的密度，則稀疏波達(dá)到待測(cè)藥與波形調(diào)整器界面的時(shí)間τ2為：

根據(jù)式（1）～（6）可對(duì)波形調(diào)整器的材料和厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.3裝置工作過程

通過雷管引爆起爆藥，對(duì)平面波發(fā)生器形成點(diǎn)起爆，平面波發(fā)生器對(duì)爆轟波形進(jìn)行調(diào)整，在主裝藥上表面形成平面波，主裝藥驅(qū)動(dòng)飛片對(duì)波形調(diào)整器和待測(cè)藥進(jìn)行高速?zèng)_擊，沖擊波通過波形調(diào)整器改變波形，傳播到待測(cè)藥表面，貼在待測(cè)藥正面的壓電傳感器對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)量。通過控制飛片的厚度，調(diào)節(jié)輸入待測(cè)試藥的沖擊波強(qiáng)度。通過控制波形調(diào)整器的材料和厚度，調(diào)節(jié)輸入待測(cè)藥沖擊波的脈寬。通過壓力測(cè)試系統(tǒng)獲得沖擊波加載的壓力-時(shí)間波形。

2裝藥過載等效模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照設(shè)計(jì)方案對(duì)裝藥過載安定性模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行裝配和實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖7所示，待測(cè)藥爆燃和燃燒2種典型回收結(jié)果如圖8所示，傳感器測(cè)得的壓力-時(shí)間曲線如圖9所示，實(shí)驗(yàn)方案及測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，df為飛片厚度，pp，e為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的超壓峰值，pp，s為1.1節(jié)中數(shù)值模擬得到的超壓峰值，τe為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的脈寬，τs為1.1節(jié)中數(shù)值模擬得到的脈寬。基于前期對(duì)該裝置探索性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱塑性樹脂材料和彈性聚合物材料能夠有效調(diào)節(jié)壓力峰值和延長(zhǎng)脈沖寬度。因此，本文中采用聚乙烯基材料（代號(hào)A）和橡膠基材料（代號(hào)B）2種波形調(diào)整器材料進(jìn)行對(duì)比。每個(gè)工況進(jìn)行3發(fā)實(shí)驗(yàn)，對(duì)相同時(shí)刻的壓力值求取平均數(shù)。

從表2和圖9可以看出，波形調(diào)整器材料對(duì)待測(cè)藥表面載荷的影響十分顯著。在相同工況下，A類波形調(diào)整器形成的壓力峰值大于B類的，而脈沖寬度小于B類的。采用A類波形調(diào)整器調(diào)整后的波形近似于正弦波，與彈丸侵徹鋼板產(chǎn)生的脈沖波形一致，而B類波形調(diào)整器調(diào)整后的波形以方波為主。相比之下，A類波形調(diào)整器調(diào)整后的波形較B類波形調(diào)整器調(diào)整后的波形與裝藥受到的加載波形更一致。

對(duì)比飛片厚度不同、波形調(diào)整器厚度同為13mm情況下的壓力-時(shí)間曲線，以及A型波形調(diào)整器厚度不同、飛片厚度同為3.5mm情況下的壓力-時(shí)間曲線，如圖10～11所示。從圖10可以看出，隨著飛片厚度從2.0mm增大到7.5mm，飛片獲得的驅(qū)動(dòng)速度逐漸降低，加載在待測(cè)藥表面的壓力從1.27GPa到0.70GPa明顯降低，而脈沖寬度變化不明顯。從11可以看出，隨著波形調(diào)整器厚度從5mm增大至13mm，加載在待測(cè)藥表面的壓力從1.07GPa降低到0.77GPa，脈沖寬度從87μs逐漸延長(zhǎng)至126μs，這說明波形調(diào)整器不僅能夠調(diào)控產(chǎn)生的波形，還能對(duì)壓力值的衰減產(chǎn)生大幅影響。

為等效表3中500～1200m/s速度的彈丸侵徹鋼板仿真數(shù)據(jù)，分別設(shè)計(jì)了表4中序號(hào)1～4的4種實(shí)驗(yàn)工況，而等效1500m/s侵徹速度的仿真工況需要在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上提升主裝藥量才能匹配加載強(qiáng)度，因此本文實(shí)驗(yàn)?zāi)M彈體侵徹鋼靶的速度范圍為500～1200m/s。通過對(duì)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)信號(hào)對(duì)比，可以看出兩者波形相仿，均為正弦波，且同樣存在2次波峰，其中第1次峰相似度較高，第2次峰受限于較大的結(jié)構(gòu)差距，難以完全等效，另外實(shí)驗(yàn)獲得信號(hào)的上升沿較數(shù)值模擬信號(hào)更陡峭。與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)相比超壓峰值誤差最低為2.4%，最高為12.7%；脈寬誤差最低為1.0%，最高為14.8%。相比之下，低速工況（厚飛片）下的超壓峰值誤差偏大，高速工況（薄飛片）下的脈沖寬度誤差偏大。全部工況的超壓峰值和脈寬誤差均低于15%，可認(rèn)為模擬實(shí)驗(yàn)獲得的脈沖特征值與彈體侵徹鋼靶時(shí)裝藥表面產(chǎn)生脈沖相一致，也驗(yàn)證了通過對(duì)本文所設(shè)計(jì)的裝藥過載模擬裝置的參數(shù)的調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈體侵徹鋼靶時(shí)裝藥過載環(huán)境力的等效模擬。

3結(jié)論

以等效模擬彈體侵徹鋼板時(shí)內(nèi)部裝藥過載環(huán)境力為目標(biāo)，基于數(shù)值模擬方法，設(shè)計(jì)了裝藥過載環(huán)境力等效模擬實(shí)驗(yàn)裝置，并開展了等效模擬實(shí)驗(yàn)，一定程度上驗(yàn)證了該裝置模擬彈體以500～1200m/s的速度侵徹鋼靶時(shí)裝藥的過載環(huán)境力的等效性。主要結(jié)論如下：

（1）基于沖擊動(dòng)力學(xué)理論，設(shè)計(jì)了裝藥過載等效模擬實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了等效模擬實(shí)驗(yàn)，通過選取合適的裝置參數(shù)，能夠形成峰值為1.17GPa和脈寬為134μs的過載信號(hào)，突破了同時(shí)滿足壓力峰值大于1GPa和脈沖寬度大于100μs的技術(shù)難點(diǎn)。

（2）對(duì)比不同波形調(diào)整器形成的過載信號(hào)，發(fā)現(xiàn)A類波形調(diào)整器獲得的波形近似于正弦波，與彈丸侵徹鋼板產(chǎn)生的脈沖波形一致，而B類波形調(diào)整器獲得的波形以方波為主。A類波形調(diào)整器形成的壓力峰值大于B類的，而脈沖寬度小于B類的，表明波形調(diào)整器不僅能夠調(diào)控產(chǎn)生的波形，還能對(duì)壓力值的衰減產(chǎn)生大幅影響。

（3）對(duì)比等效模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，超壓峰值誤差最低為2.4%，最高為12.7%；脈寬誤差最低為1.0%，最高為14.8%。相比之下，低速工況（厚飛片）下的超壓峰值誤差偏大，高速工況（薄飛片）下的脈沖寬度誤差偏大。全部工況的超壓峰值和脈寬誤差均低于15%，驗(yàn)證了通過對(duì)本文所設(shè)計(jì)的裝藥過載模擬裝置的參數(shù)的調(diào)控，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈體侵徹鋼靶時(shí)裝藥過載環(huán)境力的等效模擬。