破片侵徹鋼質(zhì)靶板實(shí)驗(yàn)及仿真研究

魯冬林， 劉 立，2， 曾擁華， 王小龍， 馬昭曄(.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京 20007；2.6924部隊(duì)，新疆 昌吉 83707)

0 引 言

在進(jìn)行榴彈、導(dǎo)彈等武器的戰(zhàn)斗部威力研究中，破片作為其主要的殺傷原件之一，其特征參數(shù)包括破片數(shù)量、破片質(zhì)量分布、破片初速及分布規(guī)律、破片迎風(fēng)面積等，其中破片的初速度及分布規(guī)律是考量的重要參數(shù)[1]。自然破片彈丸爆炸后，殼體先膨脹而后破裂成大小不一的破片，爆轟產(chǎn)物向空氣中擴(kuò)散推動(dòng)破片繼續(xù)加速，隨著破片所受爆轟產(chǎn)物推力的逐漸減小和空氣阻力的增大，其速度達(dá)到最大值后開(kāi)始衰減。破片速度研究通常采用工程理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法結(jié)合進(jìn)行[2]。隨著武器打擊精度的提高，現(xiàn)代武器系統(tǒng)對(duì)戰(zhàn)斗部破片速度的精度指標(biāo)要求越來(lái)越高。

除實(shí)彈爆炸實(shí)驗(yàn)外，傳統(tǒng)的破片加載方式是將破片放置在火炮內(nèi)，利用發(fā)射藥點(diǎn)燃后的火藥燃?xì)馔苿?dòng)破片高速運(yùn)動(dòng)。1957年,Crozier和Hume利用壓縮狀態(tài)下的氫氣、氦氣等輕質(zhì)氣體作為工質(zhì)推動(dòng)破片，此后出現(xiàn)了二級(jí)、三級(jí)輕氣炮裝置。國(guó)內(nèi)也大量使用輕氣炮裝置對(duì)破片進(jìn)行加載，方青等[3]用輕氣炮作為加載手段，進(jìn)行了鋼質(zhì)破片撞擊侵徹炸藥引發(fā)爆轟的機(jī)制研究。1958年,美國(guó)Los Alamos National Laboratory的Bostick首次提出“軌道炮”概念并進(jìn)行相關(guān)軌道發(fā)射實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前該技術(shù)在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入工程應(yīng)用階段[4]。

以上兩種加載方式雖然精度高，可以有效控制破片的發(fā)射速度，但裝置使用復(fù)雜、成本較高。本文采用爆炸驅(qū)動(dòng)加載技術(shù)，利用炸藥爆炸后產(chǎn)生的爆轟波及氣體驅(qū)動(dòng)破片運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，便于操作，可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本。針對(duì)該方法存在發(fā)射角度偏差較大的缺陷，通過(guò)加裝樹(shù)脂彈托，使用通斷靶進(jìn)行測(cè)速，使破片加速到789.4 m/s，并對(duì)鋼質(zhì)靶板進(jìn)行侵徹實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，二者吻合度較好。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 破片加載裝置

使用雷管引爆8701炸藥藥柱，利用其爆轟波及氣體驅(qū)動(dòng)30CrMnSiA材質(zhì)的4 g立方體破片運(yùn)動(dòng)。由于炸藥爆炸瞬間其威力巨大，會(huì)在不同方向?qū)ζ破a(chǎn)生推力，導(dǎo)致破片飛行方向難以控制[5]。在使用炮管或彈道槍對(duì)破片進(jìn)行加速時(shí)，需要制作彈托及底推片，目的是在引燃發(fā)射藥后導(dǎo)引、封閉火藥氣體，引導(dǎo)破片沿著炮管軸線運(yùn)動(dòng)[6-7]。本實(shí)驗(yàn)中，由于沒(méi)有使用加速炮管，可以省略金屬?gòu)椡屑暗淄破闹谱鬟^(guò)程，降低了實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度。

為在一定程度上保證破片的飛行方向不發(fā)生大的偏差，使用3D打印技術(shù)制作的樹(shù)脂彈托不但質(zhì)量輕，可以保證破片牢固貼合于藥柱端面，如圖1～3所示。通過(guò)在電腦端修改樹(shù)脂彈托幾何模型，可以方便快捷地一次性打印出多個(gè)不同規(guī)格的樹(shù)脂彈托。

1.2 速度測(cè)量裝置

選擇室外無(wú)風(fēng)的條件，忽略橫向氣流流動(dòng)對(duì)破片產(chǎn)生的橫向阻力，使用繞線網(wǎng)靶對(duì)破片速度進(jìn)行測(cè)量。網(wǎng)靶法作為一種接觸式測(cè)量方法，具有安裝方便，測(cè)試精度基本可以滿(mǎn)足需求的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于野外靶場(chǎng)戰(zhàn)斗部破片速度測(cè)算[8]。其基本原理是：當(dāng)破片穿過(guò)兩個(gè)網(wǎng)靶的瞬間，網(wǎng)靶上纏繞的銅線被切斷，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下兩個(gè)電信號(hào)及時(shí)間差Δt，根據(jù)兩個(gè)網(wǎng)靶之間的距離Δl(本文Δl為1.4 m)及時(shí)間差既可求得破片飛行速度[9]為

圖1 樹(shù)脂彈托打印過(guò)程

圖2 立方體破片及樹(shù)脂彈托 圖3 炸藥加速裝置

v=Δl/Δt

(1)

為研究相應(yīng)速度破片的侵徹能力，在網(wǎng)靶后設(shè)置45號(hào)鋼質(zhì)材質(zhì)，厚度為3 mm的金屬靶板，如圖4、5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)通過(guò)加裝彈托，可以大大提高實(shí)驗(yàn)成功率，有效改善破片飛行方向不定、難以著靶的問(wèn)題。

以一次實(shí)驗(yàn)為例，計(jì)時(shí)器顯示1 886 μs，由式(1)可得破片速度為742.3 m/s。破片擊穿3 mm厚45號(hào)鋼質(zhì)靶板，由于立方體破片在飛行過(guò)程中高速翻轉(zhuǎn)，彈孔成不規(guī)則圓形，如圖6所示。收集到的破片殘片顯示，破片在擊穿靶板的過(guò)程中發(fā)生了明顯的侵蝕現(xiàn)象。

圖6 靶板穿孔

2 有限元仿真

AUTODYN是一款顯式有限元分析程序，它提供很多高級(jí)功能，用來(lái)解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，尤其是在解決軍工問(wèn)題方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[10-11]。本文運(yùn)用AUTODYN程序模擬炸藥驅(qū)動(dòng)立方體破片，為保證計(jì)算速度，僅建立1/4模型，空氣場(chǎng)模型與藥柱及破片中心線同軸。

炸藥爆轟過(guò)程是完全動(dòng)態(tài)的過(guò)程，根據(jù)實(shí)驗(yàn)用8701炸藥規(guī)格，將其等效為圓柱體，同時(shí)建立適當(dāng)大小的空氣場(chǎng)，保證能夠容納炸藥藥柱及立方體破片。為了減少計(jì)算時(shí)間，運(yùn)用AUTODYN建立1/4 3維仿真模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，忽略引爆用雷管，將起爆點(diǎn)設(shè)置于藥柱底端。8701炸藥選用JWL狀態(tài)方程，30CrMnSiA材質(zhì)的立方體破片選擇Shock狀態(tài)方程、Johnson-Cook本構(gòu)方程模型[12]并使用Geometric-Strain侵蝕準(zhǔn)則。炸藥和破片采用拉格朗日算法，空氣場(chǎng)采用歐拉算法，3種材料使用Fully-Coupled進(jìn)行耦合。相關(guān)材料見(jiàn)表1、表2。

表1 8701炸藥性能及狀態(tài)方程參數(shù)

表2 30CrMnSiA材料參數(shù)

Johnson-Cook本構(gòu)關(guān)系可以表示為[13]：

(2)

(3)

起爆點(diǎn)設(shè)置在藥柱尾端，起爆路徑選擇直接起爆，最終建立的網(wǎng)格化仿真模型如圖7所示。

圖7 有限元仿真模型

高速運(yùn)動(dòng)的破片打擊金屬靶板和鋼管的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是碰撞及穿甲問(wèn)題，涉及到接觸算法的選擇[16]。對(duì)于Lagrange/Lagrange接觸問(wèn)題，AUTODYN軟件中有Trajectory和Externa Gap兩種接觸算法。Trajectory接觸算法便于多Part相對(duì)復(fù)雜模型的接觸分析，不能用于結(jié)構(gòu)單元的接觸分析，Externa Gap算法則不受結(jié)構(gòu)單元的限制[10,17]。

破片在擊穿靶板過(guò)程中，兩者都要經(jīng)歷高壓、高應(yīng)變速率和高溫過(guò)程。靶板材料形狀變化使用Johnson-Cook本構(gòu)方程、Shock狀態(tài)方程、von Mises屈服準(zhǔn)則和Geometric-Strain失效模型進(jìn)行描述[18]。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，經(jīng)過(guò)49 263個(gè)循環(huán)后，8701藥柱由于爆炸后體積迅速膨脹，已完全占據(jù)原空氣場(chǎng)區(qū)域。破片飛出空氣場(chǎng)后，完整性較好，沒(méi)有出現(xiàn)碎裂情況，因此30CrMnSiA材料的速度即為破片速度。也可通過(guò)在破片上設(shè)置Gauges Point，通過(guò)測(cè)試點(diǎn)速度的變化來(lái)獲得破片速度。

根據(jù)建立的仿真模型進(jìn)行模擬，炸藥氣體逐漸膨脹，推動(dòng)破片沿Z軸向運(yùn)動(dòng)，圖8反映立方體破片速度變化過(guò)程。0.02 ms后，破片速度達(dá)到789.4 m/s，在擊穿鋼質(zhì)靶板后，剩余速度為390 m/s。其速度峰值后，在破片接觸到鋼質(zhì)靶板前，其速度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，可看作為勻速運(yùn)動(dòng)，仿真與實(shí)際測(cè)算速度742.3 m/s誤差為5.85%。圖9反映了破片擊穿靶板過(guò)程，由圖10可以看出擊穿靶板后殘片網(wǎng)格模型與收集到的殘片形狀相似，仿真效果理想。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文使用8701炸藥藥柱加速30CrMnSiA材質(zhì)的立方體破片，運(yùn)用網(wǎng)靶測(cè)速系統(tǒng)對(duì)破片飛行速度進(jìn)行了測(cè)算。使用AUTODYN有限元分析軟件對(duì)破片侵徹鋼質(zhì)靶板實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：

圖8 破片速度 圖9 破片擊穿鋼質(zhì)靶板過(guò)程

圖10 收集的殘片

(1) 通過(guò)在破片上加裝樹(shù)脂彈托，可以有效降低炸藥爆轟瞬間破片的飛行偏移量，提高實(shí)驗(yàn)成功率，由于彈托質(zhì)量輕、體積小，對(duì)破片速度影響結(jié)果可以忽略不計(jì)。

(2) 本實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用測(cè)速金屬網(wǎng)靶測(cè)算破片速度時(shí)，網(wǎng)靶1同炸藥距離要大于3 m，如果二者距離過(guò)近，由于爆轟波速度遠(yuǎn)大于破片飛行速度，會(huì)首先擊斷測(cè)速網(wǎng)靶金屬絲，致使實(shí)驗(yàn)難以測(cè)出破片速度。

(3) 破片的飛行速度與藥柱長(zhǎng)度成正比，通過(guò)壓制一定尺寸的炸藥柱，可以將破片加速到預(yù)定的速度。通過(guò)AUTODYN軟件可以有效模擬一定長(zhǎng)徑比的炸藥柱驅(qū)動(dòng)不同質(zhì)量破片所能達(dá)到的速度。由于炸藥爆轟瞬間，其能量沒(méi)有形成約束，爆轟能量會(huì)向各個(gè)方向發(fā)散，存在較大的能量損耗，因此僅適于1 km/s左右的破片加速。

(4) 破片侵徹45號(hào)鋼質(zhì)靶板仿真結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，由于有限元仿真方法更便于分析破片侵徹靶板前后速度、靶板壓力值等參數(shù)，可以為侵徹問(wèn)題研究提供有益參考。

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