侵徹戰斗部頭部惰性體結構設計研究

張丁山，周 濤，屈可鵬，高金霞，趙向軍

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侵徹戰斗部頭部惰性體結構設計研究

張丁山，周 濤，屈可鵬，高金霞，趙向軍

（西安近代化學研究所，陜西西安，710065）

為了研究侵徹戰斗部頭部惰性體結構設計原則，應用應力波理論，分析了侵徹戰斗部撞擊靶標過程中應力波從殼體到頭部惰性體再到主裝藥的傳播過程，建立了應力波傳播的數學計算模型；應用大落錘試驗平臺，針對不同厚度、不同結構的惰性體開展了應力波傳播試驗研究，對比分析了試驗結果和計算結果，驗證了模型的合理性。依據數學計算模型，總結得出惰性體兩端面的結構尺寸對應力波強度的變化影響較大，且按照e-2(D-d)/D的規律進行變化，而惰性體的厚度在10～50mm范圍內變化時對應力波強度沒有直接影響。

戰斗部；侵徹；傳播特性；應力波；結構設計

侵徹戰斗部的裝藥安定性是決定其整體性能的核心技術之一，為了實現侵徹戰斗部的作戰目標，在各種侵徹條件下，均需確保戰斗部裝藥的安定性。戰斗部侵徹靶標過程中產生的應力波對裝藥安定性可產生重大影響。該應力波傳播到裝藥結構內部將引起裝藥內應力變化，應力波的強度決定了裝藥內應力的大小，當裝藥內應力達到安全閾值時，將引起裝藥早燃早炸。為此，在裝藥自身性能確定的前提下，在戰斗部內腔頭部裝配惰性體，即惰性體位于戰斗部殼體和裝藥前端之間，通過應力波從殼體傳播到惰性體再傳播到主裝藥過程中的衰減，降低傳播到裝藥內部的應力波強度，改善裝藥的受力條件。

諸多研究者對于侵徹戰斗部的整彈過載[1]、裝藥抗過載技術[2]、抗過載的火藥裝藥結構[3]及撞擊應力波產生及在桿件中的傳播[4]等多方面均開展了研究工作，但關于應力波在侵徹戰斗部頭部惰性體中的傳播及惰性體的結構設計研究相對較少。目前隨著作戰需求的變化，對侵徹戰斗部的侵徹性能、毀傷威力等提出了更高要求，即侵徹速度、裝藥量等在戰斗部總質量、結構尺寸固定的條件下需進一步提高，因而需深入研究抗過載裝藥結構設計技術，尋求惰性體最佳結構即合理的惰性體厚度，在戰斗部內腔空間固定并滿足戰斗部侵徹裝藥安定性需求的條件下，設計出最大裝藥空間。基于此，本文應用應力波理論[5]，以一維縱波波動理論和諧波分析法為基礎，建立計算應力波在惰性體中的傳播模型，結合大落錘試驗結果，研究應力波在惰性體內傳播時的強度變化情況，得出惰性體不同結構對應力波的衰減規律，為開展侵徹戰斗部裝藥結構的優化設計提供參考依據。

1 模型建立

侵徹戰斗部撞擊靶標產生應力波，該應力波從殼體頭部通過惰性體向主裝藥的傳播過程為：首先應力波在殼體與惰性體接觸面（直徑為）位置發生透射和反射，透射進入惰性體的應力波繼續在惰性體內傳播，到達惰性體與主裝藥接觸面（直徑為）位置時再次發生透射和反射，其中透射波進入主裝藥。惰性體裝配示意圖及建立應力波傳播模型用惰性體結構參數如圖1所示。

圖1 惰性體裝配示意圖

建立應力波傳播模型時作出如下基本假設：

（1）戰斗部結構強度滿足侵徹要求的條件下，試驗后回收戰斗部除頭部有局部侵蝕變形外，其余殼體結構基本無變形，另外對回收戰斗部解剖后觀察測量惰性體結構基本完好，無變形破碎現象，因此假設戰斗部殼體和惰性體內部傳播的應力波均為彈性波；（2）接觸面位置應力分布均勻；（3）殼體與惰性體間應力波的傳播只存在于殼體與惰性體接觸面（直徑為的部位），暫不考慮其余部位的相互傳播。

1.1 應力波在兩介質間的透射與反射

應用應力波傳播理論，得出應力波在殼體與惰性體間的透射和反射及應力波在惰性體與主裝藥間的透射和反射計算公式為：

式（1）中：1為入射波強度，MPa；σ為反射波強度，MPa；σ為透射波強度，MPa；1為第1種介質密度，kg/m3；2為第2種介質密度，kg/m3；1為第1種介質中彈性波速，m/s；2為第2種介質中彈性波速，m/s。

1.2 應力波在惰性體內部的傳播計算

取惰性體中心軸為Ｘ軸向上，原點=0取為惰性體直徑為的端面，截面積變化規律為()，(0)=0=1/4π2。傳播一維應力平面波，以、和分別表示惰性體中的質點速度、軸向應力和軸向應變，0和分別表示材料密度和時間，為Lagrange坐標。則惰性體中的軸向運動方程和軸向位移連續條件分別為：

（2）

（3）

依據假設（1），=，為彈性模量，代入得修正的波動方程：

以諧波解

將式（5）代入（4）得：

于是可得：

惰性體截面積：

將式（9）代入式（8）得：

當=時，即惰性體高度固定為，由式（10）可得：

2 試驗研究

應用大落錘試驗平臺，開展了惰性體不同結構對應力波傳播影響規律的研究。試驗中，通過落錘撞擊提供初始入射應力波，每次落錘高度相同，以提供相同的入射應力波強度，應力波通過惰性體后經壓力傳感器測量，獲取此時應力波強度，對比入射應力波強度和傳感器測量強度，得出應力波經惰性體后的衰減情況。落錘重量為400kg，落錘高度固定為2m，惰性體由聚碳酸酯棒加工而成，上擊柱、固定裝置、下擊柱材料相同，均為35CrMnSiA，材料力學性能與落錘材料性能基本相同，壓力傳感器金屬材料力學性能與下擊柱材料性能也基本相同，因此，暫不考慮應力波在落錘與上擊柱、下擊柱與傳感器間傳播的反射與透射現象，近似認為應力波在相同材料中傳播。試驗裝配示意圖如圖2所示。試驗中惰性體結構情況匯總見表1，共包含6組，每組3件，即試驗時相同組共進行3次測試，相關材料特性參數見表2。

圖2 試驗裝配示意圖

表1 惰性體結構匯總

表2 相關材料特性參數

Tab.2 Material characteristic parameters

3 結果分析

3.1 試驗結果

通過大落錘試驗，共進行18次試驗測試，獲取了試驗測試結果，測試結果見表3，相同組選取1條測試曲線，如圖3所示。

表3 試驗結果

Tab.3 The summary of test results

圖3 惰性體試驗測試曲線

從圖3（a）中可得，在沒有惰性體的情況下，落錘提供的初始應力波峰值約為1 033MPa。從圖3（b）~（d）中可得，在惰性體直徑不變，厚度依次為10mm、30mm、50mm時，落錘提供的初始應力波通過惰性體后，應力波峰值分別約為410MPa、398MPa、422MPa。另外，對比圖3（b）~（d）可得，隨著惰性體厚度的增加，應力波的波長逐漸增長。

從圖3（e）中可得，在惰性體厚度為50mm、應力波輸入端直徑為20mm、應力波輸出端直徑為40mm的情況下，落錘提供的初始應力波通過惰性體后，應力波峰值約為193MPa。從圖3（f）中可得，在惰性體厚度為50mm、應力波輸入端直徑為30mm、應力波輸出端直徑為40mm的情況下，落錘提供的初始應力波通過惰性體后，應力波峰值約為288MPa。

通過表3可得，由于傳感器測試誤差，相同組3次試驗測試結果存在較小偏差；通過第2、3、4組試驗測試結果對比，3組應力波峰值測試結果基本相當，即惰性體直徑不變的情況下，小幅度變化厚度對應力波峰值影響較小。

3.2 模型校核及分析

應用公式（1）、（11）計算初始峰值為1 033MPa的應力波分別通過組號4、組號5、組號6惰性體后的輸出應力波峰值，計算結果分別為345MPa、128MPa、209MPa。計算結果與試驗結果相比均偏小，是由于計算時只考慮了應力波通過惰性體的傳播，未考慮應力波通過固定裝置及其余連接部件的傳播，但計算結果與試驗結果變化趨勢相同，應力波傳播計算模型仍可作為分析惰性體結構對應力波傳播影響規律的依據。

結合試驗測試結果、應用應力波在惰性體中的傳播計算模型，可分析得出：（1）應力波從殼體透射進入惰性體時，應力波強度的變化主要與惰性體自身的材料性能有關，值越小，透射進入惰性體的應力波強度也越小，而與惰性體和殼體的接觸面結構關系較小；同樣，應力波從惰性體透射進入主裝藥時，應力波強度的變化主要與惰性體、主裝藥的材料性能有關，與兩者接觸面結構的關系較小；（2）應力波在惰性體內傳播時，應力波強度的變化主要與惰性體兩端面的結構有關，即與（-）/的比值有關，且應力波強度按照e-2(D-)/D的規律進行變化，而與惰性體的厚度沒有直接的關系；（3）惰性體厚度可影響應力波傳播的波長變化，即惰性體厚度越大，應力波波長越大。

綜上所述，侵徹戰斗部頭部惰性體結構設計時，若在截面積不發生變化，即（-）/的比值不變時，單獨增加惰性體厚度對應力波的衰減效果較小，甚至沒有影響，因此，在滿足惰性體自身強度的前提下，結合彈體內腔結構，在一定厚度的條件，盡可能設計（-）/比值較大的惰性體結構，可達到較優的應力波衰減效果。

4 結束語

本研究應用應力波理論，初步建立了應力波在侵徹戰斗部殼體和惰性體間傳播的數學計算模型，通過試驗研究，驗證了模型的合理性，得出應力波在侵徹戰斗部殼體與惰性體間傳播時強度的變化規律，對侵徹戰斗部內腔頭部惰性體的結構設計具有指導意義。但實際侵徹過程中，應力波在戰斗部殼體和惰性體間的傳播過程將非常復雜，存在應力波通過多個接觸面透射進入惰性體、應力波在殼體與惰性體間的反復傳播、多個應力波在惰性體內的疊加等問題，將在后續工作中逐一深入研究，另外，對于試驗測試結果與計算結果存在偏差問題，擬通過優化試驗裝置，降低試驗環境對測試結果的干擾，進一步提高測試精度。

參考文獻：

[1] 王成華,陳佩銀,徐孝誠.侵徹過載實測數據的濾波及彈體侵徹剛體過載的確定[J].爆炸與沖擊,2007,27(5):416-419．

[2] 高金霞,趙衛剛,鄭騰.侵徹戰斗部裝藥抗過載技術研究[J].火工品,2008(4):4-7.

[3] 寧慧君,張丁山,阮文俊,等.火藥顆粒床裝藥結構設計及其抗侵徹過載的數值模擬與實驗研究[J].火炸藥學報,2014,37 (5):70-75.

[4] 姚磊,李永池.應力波在變截面體中的傳播特性[J].爆炸與沖擊,2007,27(4):345-350.

[5] 王禮立.應力波基礎[M].北京:國防工業出版社,2010.

The Research on Structure Design of Inert Material in the Penetration Warhead

ZHANG Ding-shan，ZHOU Tao，QU Ke-peng，GAO Jin-xia，ZHAO Xiang-jun

（Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an，710065）

In order to research the principle of structure design of inert material in the penetration warhead, the propagation process of stress waves from shell to inert material and then to the charge was analyzed with stress wave theory in the penetration process of warhead, and the mathematical model was set up. The research on propagation process of stress waves was developed by big drop test equipment, when it pass through different thickness or different structure inert material, as well as the rationality of mathematical model was proved by comparing the test results with the calculation results. It is concluded that the structure size of inert material two ends surface impact on strength of stress wave much more according to the mathematical model, and accord the change rule of e-2(D-d)/D, while the thickness of inert material impact on strength of stress wave very little when it changes between 10mm and 50mm.

Warhead；Penetration；Propagation characters；Stress waves；Structure design

1003-1480（2016）04-0025-04

TJ760.3+1

A

2016-05-04

張丁山（1984 -），男，副研究員，主要從事戰斗部結構設計及性能研究。