含能破片對運動靶的侵爆行為

喬相信，洪曉文，喬　磊，徐赫陽，陳　闖

(1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110168； 2.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

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含能破片對運動靶的侵爆行為

喬相信1，洪曉文2，喬磊1，徐赫陽1，陳闖1

(1.沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110168； 2.南京理工大學機械工程學院,江蘇 南京 210094)

為研究含能破片對運動靶板的侵爆行為，運用AUTODYN-3D軟件對其以不同著角侵徹運動靶進行數值模擬。結合試驗結果和文獻驗證了模型的有效性，計算了含能破片對運動靶的侵爆行為。結果表明，與侵徹靜止靶相比，含能破片侵徹運動靶時，破片發生明顯偏斜，且穿孔直徑變化明顯;破片剩余速度隨靶板運動速度的增加而降低，隨著角的增大而下降，降幅范圍56.25%～77.5%；破片侵徹運動靶時含能材料內部應力峰值較靜止靶變化幅度不大，幾乎為直線，著角不同，含能材料應力峰值差異顯著，最大峰值差異達5.2GPa。非零著角下，靠近著靶點處的含能材料不易發生爆燃。

含能破片；侵徹；運動靶板；侵爆行為；含能材料；數值模擬

引　言

含能破片又稱活性材料增強侵徹體，通常由含能材料作為內芯，外面多由強度較高的金屬包覆[1-2]。由于其與目標撞擊時，不但具有較強的侵徹能力，而且能釋放出大量化學能起到“類爆轟”的毀傷效果，因此受到國內外學者的廣泛關注。帥俊峰等[1]對含能破片侵徹鋼靶進行了實驗研究，結果表明PTFE/Ti反應材料爆燃效果優于PTFE/Al反應材料，破片毀傷能力隨殼體厚度增大而增大，穿靶孔徑比惰性破片提高40%。吳廣等[3]研究了彈丸侵徹運動靶過程中的彈丸侵徹姿態及速度變化規律。蔣建偉等[4]研究了PTFE/Al含能材料的強度模型和狀態方程，并運用AUTODYN軟件模擬了PTFE/Al增強侵徹體侵徹616RHA鋼靶，初步驗證了模型的有效性。殷藝峰[5]分析了活性材料增強侵徹體對靜止靶的作用力行為，從結構參數、彈靶材料和著靶條件等方面進行了詳細研究。目前有關含能破片侵徹靜止靶的作用過程研究較多，然而對含能破片侵徹運動靶的研究未見文獻報道。

本研究運用AUTODYN-3D軟件對含能破片侵徹運動靶進行數值模擬，分析了不同著角及靶板運動速度對含能破片的速度變化及含能材料內部應力的影響，以期為含能材料在終點毀傷領域的工程應用提供指導。

1　模型的建立

1.1物理模型

含能破片侵徹靶板有限元模型和幾何模型示意圖如圖1所示。

破片殼體材料為35CrMnSiA,長度12mm，殼體壁厚2mm，底部厚2mm，內部材料為PTFE/A1(質量比為73.5∶26.5)，尺寸為Ф8mm×8mm。靶板材料為4340鋼，是厚度為6mm的圓板。考慮到結構的對稱性，用AUTODYN-3D軟件建立1/2模型，對稱面對稱約束，在靶板邊界限制Y和Z方向的位移，采用Trajectory三維軌跡侵蝕接觸,單位mm-mg-ms。采用Language算法，并劃分六面體網格，為了便于區分不同著角下破片侵徹靶板，同時給出破片與靶板作用幾何模型示意圖，v為破片侵徹速度，靶板沿X軸正向運動，α為含能破片的著角。

圖1　含能破片侵徹靶板有限元模型和幾何模型示意圖Fig.1　The finite element model and geometrical model of energetic fragment penetrating target

1.2計算模型

破片殼體、PTFE/Al含能材料和靶板均采用Johnson-cook強度模型和Shock狀態方程來描述以反映材料的高溫、高壓和高應變率。數值模擬所用的材料性能參數見表1[6]，為防止計算過程中的網格畸變，材料失效準則為主應力失效，各材料均增加了侵蝕算法。

表1　材料性能參數

注：A為初始屈服強度；B為應變硬化系數；N為硬化指數；C為應變率強化參數；θm為融化溫度；θr為室溫；ρ為材料密度；E為彈性模量；m為熱軟化指數。

1.3模型有效性驗證

為驗證數值計算模型的有效性，對含能破片進行了試驗研究和數值模擬。試驗前，首先制備PTFE/Al含能材料，將Al粉和PTFE按質量比26.5∶73.5混合，用壓力機壓制成Ф8mm×8mm的圓柱體，然后在真空爐中燒結，燒結溫度為365～385℃，升溫速率約1℃/min ，得到的材料密度為2.4g/cm3。最后將含能材料裝入35CrMnSiA殼體并用端蓋密封成復合反應破片。試驗時，采用14.5mm口徑彈道槍發射帶彈托的含能破片，如圖2所示，發射藥采用5/7石，通過改變裝藥量調節發射速度，試驗靶板材料為厚6mm的4340鋼板。試驗消耗10發彈丸，彈丸發射速度為600～1500m/s,每發彈丸速度間隔100m/s。

圖2　含能破片及發射藥筒Fig.2　Energetic fragment and propelling charge cartridge

含能破片部分實驗結果如圖3所示。由圖3可知，含能破片速度在912m/s以上時，均發生了爆燃，低于此速度的含能破片均未發生爆燃。

圖3　典型含能破片侵徹靶板過程圖Fig.3　Process of typical fragment penetrating the target

數值模擬時，含能破片以600～1500m/s、每發彈丸速度間隔100m/s的速度侵徹10mm厚LY12鋁合金靶板，由于含能材料中后部應變率較小，文獻[5]通過理論計算和數值模擬表明含能破片中后部材料內部應力峰值與理論計算吻合良好，因此計算前在含能材料中后部設置觀測點，計算完成后將觀測點處的應力值繪制成線，并與文獻[7]的試驗結果和臨界起爆閾值σc[8]相對照。含能破片侵徹速度對含能材料內部應力分布的影響如圖4所示。

圖4　侵徹速度對含能材料內部應力分布的影響Fig.4　Effect of penetration rate on the internal stress distribution of energetic materials

由圖4(a)可以看出，含能破片侵徹速度低于700m/s時，含能材料內部應力峰值低于其臨界起爆閾值，含能材料不能發生爆燃，此結果符合試驗現象。從圖4(b)可以看出，含能材料內部應力峰值隨破片侵徹速度增加而升高，由于本研究中含能材料使用了殼體包覆，含能材料承受了較大的內部擠壓應力，所以應力值較文獻[7]要高，但是本研究計算結果與文獻[7]的實驗結果變化趨勢一致，結合含能破片發生爆燃的試驗結果都可以證明該材料模型的有效性。

2　結果與討論

2.1含能破片對靜止靶板的侵爆行為分析

為觀察含能材料內部應力峰值變化，在含能材料上均勻設置9個觀測點，如圖5所示。

圖5　含能材料內部觀測點示意圖Fig.5　Schematic diagram describing the internal observation points of energetic materials

PTFE/Al含能材料經碰撞后能點火發生化學反應并產生爆燃，而含能材料的化學反應程度與其碰撞行為密切相關，碰撞后材料內部產生的超壓若達到或超過含能材料發生爆燃的臨界閾值應力σc=3.6GPa[8]，則含能材料發生爆燃。對于含能破片的侵爆行為，即侵徹能力和爆燃性能，下面分析破片以800m/s的速度侵徹6mm厚4340鋼靶的速度衰減及含能材料的內部應力情況，判斷含能材料是否發生爆燃。圖6為含能破片以不同著角(α)侵徹靶板速度衰減曲線及含能材料內部應力峰值分布圖。

圖6　不同著角侵徹時破片速度衰減曲線及含能材料內部應力峰值分布Fig.6　Fragment velocity attenuation curves when penetrating target at different impact angles and internal stress peak distribution of energetic materials

從圖6(a)可以看出，含能破片以0°、5°、10°、15°、20°和25°對靶板侵徹時，破片均有效穿透了靶板，因為其最終速度趨于一定值。在0°、5°、10°著角下速度曲線波動明顯，在0～15μs內反應破片速度下降明顯，在15μs后速度變化幅度減小并趨于平緩，最后破片的剩余速度都在3000m/s以上。在0～18μs內，15°、20°、25°著角下的速度曲線波動較0°、5°、10°著角情況下并不明顯，這是由于侵徹初始階段，破片侵徹深度較小，著角的變化對其侵徹阻力影響不大，破片減速度基本恒定，破片的速度曲線

也就近似于一條直線，而在20μs后速度曲線變化幅度減小并趨于平緩，破片的剩余速度與0°、5°、10°著角情況下相比要小，速度范圍在200～260m/s，說明著角越大，破片侵徹靶板消耗的能量越多，動能就越小，速度也就越低。從圖6(b)可以看出，除5°著角侵徹靶板時，含能材料內部應力值有個別突躍點，其他情況下，變化趨勢基本一致，反應破片以0°、5°和10°侵徹靶板時，都能達到含能材料的臨界起爆閾值，發生爆燃；而以15°、20°和25°侵徹時，含能材料內部應力值都處于臨界起爆閾值線下方，不能發生爆燃。

2.2靶板運動對含能破片剩余速度的影響

運用AUTODYN-3D軟件模擬含能破片以不同著角侵徹6mm厚4340鋼靶。給靶板X方向賦予速度，分別為0、40、80、120、160、200和240m/s，含能破片以800m/s進行侵徹,破片以0°著角侵徹靶板的應力云圖如圖7所示。

圖7　0°著角靶板以不同速度運動時含能破片侵徹應力云圖Fig.7　The stress clouds of fragment penetrating with the angle of zero when the target plate motives at different velocities

從圖7可以看出，靶板的運動對反應破片的侵徹有明顯影響。在靶板運動時，靶板的穿孔大小隨靶板運動速度的增大而增大。靶板與含能破片接觸的一側鼓包也越來越明顯。在侵徹過程中，不僅反應破片的彈道發生偏移，其運動姿態也發生了明顯的偏斜，沖塞下來的靶板材料也同樣發生偏斜。由于靶板是X軸正向運動，穿孔整體向X軸負向傾斜。靶板運動的速度越大，反應破片的偏斜越大。為了說明靶板運動對含能破片剩余速度的影響，將不同著角下破片侵徹靜止靶板的剩余速度與破片侵徹運動靶板的剩余速度進行對比，如圖8所示。

圖8　不同著角下破片剩余速度隨靶板運動速度變化曲線Fig.8　Curves of change in residual velocity of fragment with target plate moving velocity with different impact angle

由圖8可知，除0°著角和5°著角，反應破片剩余速度隨靶板運動速度的增加而降低，反應破片著角越小，反應破片的剩余速度越大，反之，情形相反。由圖8還可分析得出，反應破片著角越大，反應破片的剩余速度隨靶板運動速度的增加下降趨勢更加明顯。

2.3靶板運動對含能材料內部應力的影響

為簡化分析，研究不同著角下含能材料在觀測點1、2、3處的應力值隨靶板運動速度變化的情況，不同著角侵徹運動靶時含能材料內部應力峰值的變化如圖9所示。

圖9　不同著角侵徹運動靶時含能材料內部應力的變化曲線Fig.9　Curves of change in internal stress of energetic materials when penetrating moving target with different impact angles

從圖9可以看出，與破片侵徹靜止靶相比，靶板的運動速度對含能材料內部應力的影響不大，同一著角下各觀測點含能材料內部應力的峰值幾乎不變，不同著角下，含能材料應力值差異顯著，隨反應破片著角的增大，觀測點1、2處的應力峰值隨破片著角的增大依次減小，但觀測點3處的應力值并不呈線性下降，而是出現5°著角大于0°、10°、15°著角的現象。靶板運動時，在0°著角情況下，各觀測點的應力值均達到了含能材料的起爆閾值；其他著角的情況下，靠近破片著靶點的含能材料，內部應力峰值偏離起爆閾值線越遠，含能材料越不易發生起爆。

3　結　論

(1)含能破片侵徹靜止靶板時，隨著角增大，破片的侵徹能力降低，含能材料越不易發生起爆。含能破片侵徹運動靶時，破片發生了明顯偏斜，且穿孔直徑變大；反應破片剩余速度隨靶板運動速度的增加而降低且著角越大破片剩余速度下降越明顯。

(2)破片以800m/s速度侵徹運動靶時,含能材料的內部應力與侵徹靜止靶相比變化幅度不大；含能材料應力值隨破片著角不同而差異顯著，非零著角下，靠近破片著靶點處的含能材料，不易發生起爆。

(3)本研究符合實際情況下破片侵徹的終點彈道與毀傷效應，可為含能材料戰斗部打擊運動目標提供參考。

[1]帥俊峰，蔣建偉，王樹有，等.復合反應破片對鋼靶侵徹的實驗研究[J].含能材料,2009,17(06):722-725.

SHUAI Jun-feng，JIANG Jian-wei，WANG Shu-you,et al. Experimental study of energetic fragments penetrating steel target[J].Chinese Journal of Energetic Materials, 2009,17(06):722-725.

[2]何源，何勇，潘緒超.含能破片沖擊薄靶的釋能時間[J].火炸藥學報，2010，33(2)：25-28.

HE Yuan, HE Yong,PAN Xu-chao.Release time of energetic fragments impact thin target[J].Chinese Journal of Explosives & propellants(Huozhayao Xuebao),2010,33(2):25-28.

[3]吳廣，陳赟，馮順山，等.鋼靶運動對彈丸侵徹效應影響的仿真研究[J].系統仿真學報,2012,24(2):498-503.

WU Guang，CHEN Yun，FENG Shun-shan，et al. Simulation study of projectile normal penetration lateral movement target[J].Journal of System Simulation, 2012,24(2):498-503.

[4]JIANG Jian-wei，WANG Shu-you，ZHANG Mou,et al. Modeling and simulation of JWL equation of state for reactive Al / PTFE mixture[J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2012,21(2):143-149,150-155.

[5]殷藝峰.活性材料增強侵徹體終點侵爆效應研究[D].北京:北京理工大學,2015.

YIN Yi-feng. Research on terminal penetration-induced initiation and damage effect of reactive material enhanced penetrator[D].Beijing: Beijing Institute of Technology,2015.

[6]Raftenberg M N,Willis M J,Kirby G C.Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/Al composite mixture [J].International Journal of Impact Engineering,2008,35:1735-1744.

[7]WANG Hai-fu，ZHENG Yuan-feng，YU Qing-bo，et al. Impact-induced initiation and energy release behavior of reactive materials[J].Journal of Applied Physics,2011,110(7):074904.

[8]Richard G Ames. Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials[J].Mrs Online Proceeding Library,2004,896(3):321-333.

Penetration-induced Initiation Behavior of Energetic Fragment for Moving Target

QIAO Xiang-xin1,HONG Xiao-wen2, QIAO Lei1, XU He-yang1, CHEN Chuang1

(1.Shenyang Ligong University, Shenyang 110168,China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

To study the penetration-induced initiation behavior of energetic fragment penetrating moving target, the numerical simulation to penetrating moving target with different impact angles was conducted by AUTODYN-3D software. The validity of the model was verified by a combination of experimental results and literature ones.The penetration-induced initiation behavior of energetic fragment penetrating moving target was calculated. The results show that compared with a stationary target, when energetic fragment penetrates moving target, the fragment occurs significant deviation, and the perforation diameter gives large change. The residual velocity of fragment decreases with increasing the velocity of the target and the impact angle of the fragment, and decline range is from 56.25% to 77.5%. The internal stress peaks of energetic materials change slightly, almost as a straight line, when fragment penetrating moving target compared with a stationary target, the stress peak of energetic materials differs significantly with different impact angles, and the difference of the maximum peak can be up to 5.2GPa. Under non zero impact angle, the deflagration of energetic materials to be close to the target point does not easily take place.

energetic fragment; penetration;moving target;penetration-induced initiation behavior;energetic materials; numerical simulationner

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.010

2016-03-15；

2016-07-05

中國兵器科學研究院基金資助項目(62253063554)

喬相信(1959-)，男，教授，從事彈藥工程研究。E-mail：xxq2002@163.com

TJ55;O385

A

1007-7812(2016)04-0051-05