危險破甲彈爆炸防護的數值模擬分析

劉 鵬， 侯秀成， 劉振宇， 李創新， 田紅英

(1. 武漢軍械士官學校彈藥與倉儲系， 湖北 武漢 430075；2. 中北大學機電工程學院， 山西 太原 030051； 3. 中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200)

危險破甲彈爆炸防護的數值模擬分析

劉 鵬1， 侯秀成2， 劉振宇1， 李創新1， 田紅英3

(1. 武漢軍械士官學校彈藥與倉儲系， 湖北 武漢 430075；2. 中北大學機電工程學院， 山西 太原 030051； 3. 中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200)

針對危險破甲彈藥運輸系統的防護問題，采用爆炸式反應裝甲作為防爆車廂體內防護射流侵徹的結構。以某制式破甲彈為例，應用非線性有限元程序LS-DYNA研究了反應裝甲在不同斜置角時對射流的防護效果。結果表明：增大反應裝甲的放置角度，在保證安全的情況下可以大幅減小危險彈藥運輸系統廂體裝甲鋼的厚度； 當放置角度為60°時，運輸系統廂體對裝甲鋼的厚度要求可以降低70%以上。

危險彈藥運輸；射流防護；反應裝甲；數值模擬

在彈藥運輸、射擊、試驗等過程中會產生部分未爆彈藥，該類彈藥可能已解除保險，危險性相當大。在對該類彈藥進行運輸時，如何安全運輸成為長期困擾人們的一大技術難題[1]。危險品運輸系統又名防爆罐，是爆炸物異地轉移過程中的重要防護裝備，它可以有效地抑制爆炸效應，最大限度地降低運輸過程中因意外爆炸而造成的損害[2]。

防爆罐在國外已成套化、系列化研制生產,國內常見的圓桶式實體防爆罐(可抗TNT當量2 kg)在應急、排爆和反恐等事件中也得到了廣泛應用。但這些防爆罐只能進行常見爆炸物的運輸防護，而聚能裝藥破甲彈在爆炸時會產生高速金屬射流，其穿透能力遠大于現有普通防爆罐的防護性能，因此常規防爆罐不適用于該類彈藥的運輸。

基于此，筆者以某型制式破甲彈的運輸為背景，在危險品運輸系統廂體防護板的基礎上加裝反應裝甲，并應用顯式非線性動力學有限元程序LS-DYNA對其抗射流性能進行數值模擬，以期為危險破甲彈藥運輸系統的廂體設計提供參考。

1 彈藥運輸系統防射流分析

危險品彈藥運輸系統擬在PD850型牽掛平板拖車上安裝防護廂體而成，系統外形如圖1所示。

圖1 危險品彈藥運輸系統外形

在防爆車系統廂體結構設計中，由于隔爆吸能材料用于其他彈藥及炸藥運輸的防爆技術已較為成熟，可直接借鑒。而破甲彈藥發生爆炸時，產生的破片、金屬射流、沖擊波等會對廂體產生破壞，其中金屬射流更容易穿透廂體防護層，因此本文主要對金屬射流的防護進行研究。

從聚能裝藥的作用機理角度分析，射流侵徹靶板在相當程度上是由于在高速射流微元的撞擊下靶板材料朝徑向擠出，且侵徹孔容積與有效射流的能量大致呈線性關系。當破甲彈形成的射流不是軸對稱時，射流對靶板侵徹孔直徑通常較大，這是因為與對稱軸線呈一定傾斜角的射流微元會撞擊到侵徹孔壁上，不能增加侵徹孔的深度，只會破壞其對稱性[3]。此外，是否有更多的藥型罩材料以接近于射流尾部微元的速度參與對靶板的穿孔過程，也取決于侵徹孔直徑是否允許其無破壞地進入。

如果從抵抗射流侵徹方面來考慮，改變或破壞射流侵徹靶板時的對稱性，將有利于靶板對射流的防護。當反應裝甲表面的炸藥受到強烈沖擊時，反應裝甲盒內設置的高能炸藥發生爆炸，會驅動爆炸盒的前、后飛板以一定的速度運動，擾動金屬射流的軸對稱性，并且消耗金屬射流高速部分的能量，從而失去對目標的侵徹能力。當反應裝甲盒與破甲彈軸線呈一定角度放置時，對射流的干擾效果會更佳[4-6]。

危險彈藥在運輸時為減少其發火概率，其彈藥軸線要垂直于車體軸線。如果危險彈藥運輸系統廂體結構面對藥型罩口部的一端加裝爆炸反應裝甲進行防護，而其余部分采用較為成熟的防護方式，則可以減小廂體因防護射流而要求的防護裝甲鋼厚度。

2 數值模擬

2.1 裝藥結構

為滿足危險品彈藥運輸系統的防護與重量設計要求，選用某典型制式破甲彈進行數值模擬，該破甲彈的靜破甲深度超過300 mm，其中：裝藥為B炸藥，藥型罩材料為紫銅，帶有錐型隔板，裝藥頂部中心點起爆，計算過程中不考慮鋁制殼體及頭螺。聚能裝藥結構主要參數如表1所示。

表1 聚能裝藥結構主要參數

注：D0為裝藥直徑；H為罩頂裝藥高度；2α為罩錐角；δ為罩平均壁厚；R為罩頂半徑；Ha為炸高。

考慮到反應裝甲的放置要求，炸高大于原制式彈設計炸高的1倍裝藥直徑，用于射流拉伸所需的空間區域,當研究射流只對廂體鋼板侵徹時，廂體鋼板厚度預先設為400 mm。反應裝甲的前、后飛板均為4 mm鋼板，炸藥采用B炸藥進行等效。采用反應裝甲結構的危險彈藥運輸系統廂體與聚能裝藥結構如圖2所示。

圖2 采用反應裝甲結構的危險彈藥運輸系統廂體與聚能裝藥結構

2.2 算法及材料模型

以往的經驗[7-12]表明：采用1/4軸對稱三維網格模型、多物質Van Leer ALE算法及由高能炸藥燃燒模型和JWL狀態方程共同描述的炸藥材料模型，對射流形成過程進行模擬，具有與實驗結果較好的一致性。其中，JWL狀態方程為

p=Fpeos(V,E0)，

(1)

peos=A[1-ω/(R1V)]e-R1V+B[1-ω/(R2V)]×

e-R2V+ωE0/V,

(2)

式中：p為任意時刻炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質量分數；peos為來自于JWL狀態方程的炸藥爆轟產物壓力；V為相對體積；E0為單位體積炸藥的初始內能密度；A、B、R1、R2和ω為與炸藥性能相關的輸入系數。

計算所采用的B炸藥主要參數為：密度ρ=1.717 g/cm3；爆速D=7.98 km/s；C-J壓力PCJ=29.5 GPa。B炸藥JWL狀態方程參數如表2所示。

表2 B炸藥JWL狀態方程參數

藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg模型和Gruneisen狀態方程[7]來描述，表3為紫銅Gruneisen模型材料主要參數。隔板材料為酚醛樹脂，靶板及反應裝甲前、后飛板為裝甲鋼，選用塑性硬化材料作為模型進行分析[10-12]，表4為靶板及隔板材料主要性能參數。反應裝甲中的炸藥采用彈塑性模型( ELAST IC_PLASTIC_HYDRO) 和點火與增長狀態方程( IGNITION_GROWTH_OF_REACT ION _IN_HE)來共同描述[7]，所涉及材料參數均源于文獻[4]。

表3 紫銅Gruneisen模型材料主要參數

注：G為剪切模量；σy為屈服強度；C為材料聲速；S1、S2、γ0為與材料相關的系數。

表4 靶板及隔板材料主要性能參數

注：E為彈性模量；μ為泊松比；

3 反應裝甲對射流防護的結果分析

3.1 數值模擬與實驗結果對比

本文先應用數值模擬方法對制式破甲彈的極限穿深進行摸底及對射流引爆反應裝甲的過程進行復現，然后參考聚能裝藥作用過程的相似性原理與文獻[13]的實驗結果進行對比。

定義起爆時刻t=0 μs，圖3為在無反應裝甲的條件下，均質裝甲對破甲彈所產生金屬射流的防護結果。可見：在理想情況下，射流及侵徹孔都相對軸對稱。通過數值模擬得到射流對均質裝甲侵徹深度為313 mm，與該制式破甲彈所對應的實驗結果較為相符,表明上述模擬方法及參數選擇是合理的。

如果參考該制式破甲彈的極限穿深值340 mm來設計運輸系統的廂體，則所采用均質裝甲鋼的厚度難以滿足運輸系統對機動性的要求。

圖3 無反應裝甲條件下射流對防護板的侵徹

圖4為射流引爆反應裝甲數值模擬結果與文獻[4]實驗結果的對比，可見兩者具有較好的一致性，表明上述算法及材料參數設置合理，驗證了用數值模擬手段研究彈藥運輸系統防護側廂體加裝反應裝甲的可行性。

圖4 射流引爆反應裝甲數值模擬結果與實驗結果對比

3.2 不同斜置角對射流防護的影響

圖5為斜置30°的反應裝甲對射流的防護過程，可見：1)射流能有效地引爆反應裝甲，反應裝甲爆炸后，其前、后飛板在爆炸產物的驅動下能對射流產生明顯的橫向擾動作用；2)射流在穿過反應裝甲后,侵徹進入廂體鋼板初期時(t=100 μs)就發生扭曲；3)由于軸對稱性被破壞，后續射流在進入侵徹孔的過程中不斷與侵徹孔側壁發生摩擦(t=200 μs)，并體現出較明顯的橫向擴孔效應；4)射流對靶板最大侵徹深度的變化提前結束，其對廂體鋼板的侵徹深度最終停在228 mm的位置(t=300 μs)。該結果驗證了反應裝甲與射流軸線呈一定傾斜角度放置時，可以顯著擾動射流的軸對稱性，并大幅降低其理想穿深。

圖5 斜置反應裝甲靶板對射流的防護結果

表5為將反應裝甲以不同角度放置時的廂體鋼板防護結果。可以看出：裝甲防護能力隨著放置角度的增加而增大，當放置角為45°時，廂體鋼板厚度可降低為不放反應裝甲的1/2左右；當放置角為60°時，廂體鋼板厚度約為不放反應甲的1/4左右即可對射流進行有效防護。

表5 反應裝甲以不同角度放置時的廂體鋼板防護結果

4 結論

危險破甲彈藥的銷毀運輸是彈藥維護過程中的一個難題。由以上研究分析可知:反應裝甲作為危險破甲彈運輸車輛內防護系統的結構設計，在原理上總體是可行的。然而，反應裝甲通常用于軍用車輛的外防護系統，當作為車輛的內防護系統時，可能出現由爆炸引發的反應裝甲之間及多發破甲彈藥之間互為殉爆等問題，可以通過詳細的結構設計來解決，如采用互為隔離的包裝模塊來優化其總體結構，更為深入的工作有待進一步開展。

[1] 劉鵬, 張懷智, 金昌根, 等. 廢舊彈藥爆破銷毀技術綜述[J]. 工程爆破, 2011, 17(1):86-89.

[2] 任新見, 李廣新, 張勝民. 泡沫鋁夾心排爆罐抗爆性能試驗研究[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(5):213-217.

[3] 奧爾連科 Л П. 爆炸物理學：下冊[M]. 孫承緯, 譯. 3版. 北京: 科學出版社, 2011.

[4] 夏松林, 劉宏偉, 韓立軍, 等. 反應裝甲干擾射流過程數值模擬[J]. 彈箭與制導學報, 2011, 31(3):120-122.

[5] 曾凡君, 李健, 梁秀清, 等. 反應裝甲爆轟階段對射流干擾機理的研究[J]. 北京理工大學學報, 1994(3):286-292.

[6] 武海軍, 陳利, 王江波, 等. 反應裝甲對射流干擾的數值模擬研究[J]. 北京理工大學學報,2006,26(7):565-568.

[7] LSTC. LS-DYNA Keyword User’s Manual [Z]. Livermore: LSTC, 2007.

[8] 侯秀成, 蔣建偉, 陳智剛. 某成型裝藥射流的數值模擬與射流轉化率[J]. 火炸藥學報, 2012, 35(2): 53-57.

[9] 王成, 付曉磊, 寧建國. 起爆方式對聚能射流性能影響的數值分析[J]. 北京理工大學學報, 2006， 26(5):401-404.

[10] 張延成, 紀彩華, 王宇華. 藥型罩曲率半徑對EFP成型影響的數值模擬[J]. 機械管理開發， 2010, 25(3):9-11.

[11] 白金澤. LS-DYNA3D理論基礎與實例分析[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

[12] 時黨勇, 李裕春. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005.

(責任編輯: 尚彩娟)

Numerical Simulation Analysis on Explosion Protection inDangerous Shaped Charge Warhead

LIU Peng1, HOU Xiu-Cheng2, LIU Zhen-yu1, LI Chuang-xing1, TIAN Hong-ying3

(1. Department of Ammunition and Storage, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School, Wuhan 430075, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. China Huayin Ordnance Test Center, Huayin 714200, China)

In order to meet the protection demand of dangerous ammunition transport system, Explosive Reactive Armor (ERA) is used as structure of explosion-proof transport system to prevent penetration of jet from dangerous shaped charge warhead. Based on a typical rocket bomb with shaped charge warhead, a nonlinear finite element program LS-DYNA is used to study protection effect of ERA at different inclination angle. The result indicates that with increase of inclination angle of the ERA, on the basis of security, the thickness of structure of dangerous ammunition transport system can be reduced greatly; when ERA is placed at 60° and tank of transport system is made of RHA, the thickness of tank can be decreased 70%.

dangerous ammunition transportation; jet protection; reactive armor; numerical simulation

1672-1497(2015)05-0059-04

2015-07-23

劉 鵬(1979-)，男，講師，碩士。

TJ410.89

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.013