DU合金破片沖擊起爆B炸藥研究

朱福林，陳 陽，崔衛超，馬寶成，陳天榮

(1.四川航天電子設備研究所， 成都 610000； 2.晉西集團江陽化工有限公司， 太原 030051)

鎢合金破片由于其密度大、穿甲能力強而被廣泛應用作殺傷彈藥的毀傷元素，但隨著彈藥戰術要求的提高，希望殺傷元素不僅要滿足穿甲威力，還要具備引燃或者縱火能力，因此鈾合金被廣為關注。貧鈾合金在穿甲領域已經表現出良好的侵徹性能，比如在海灣戰爭中，美軍的貧鈾穿甲彈就大放異彩，致使T-72坦克黯然失色[1]。

近年來，國內外開展了很多關于DU(貧鈾)合金的研究，Eckmeyer[2]研究了熱處理對鈾鈦合金性能的影響，發現鈾合金的形成過程以及溶液中合金元素的固溶體增強效應，可以使合金的強度比其他非鈾合金高兩倍。Johnson和Cook通過大量實驗得到數據并進行擬合，提出了J-C本構模型，給出了鈾鈦合金的本構參數[3]。何立峰等[4]利用材料試驗機和霍普金森桿實驗裝置研究了U-Ti合金在室溫下的壓縮力學行為，并根據實驗數據擬合修正了Johnson-Cook模型。岳明凱等[5]通過研究穿甲彈芯材料發現DU合金在侵徹過程中更易發生絕熱剪切產生自發銳性，更有利于侵徹。石杰等[6]通過霍普金森桿實驗研究了不同溫度人工時效的鈾鈮合金在沖擊載荷作用下的絕熱剪切帶成型機理。

雖然國內外已有很多DU材料的研究論文，但在破片式起爆帶殼B炸藥方面使用DU合金材料的研究鮮有公開。對于防空反導方面來講，攔截并起爆(引燃)來襲導彈的戰斗部裝藥是理想的毀傷方式之一，因此對于鈾合金撞擊起爆帶殼炸藥的性能，需要進一步研究，以分析其起爆帶殼B炸藥的能力。本研究運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，采用“升-降”法研究DU合金破片形狀和長徑比對帶殼B炸藥閾值速度的影響，這對研究帶殼B炸藥在DU破片撞擊下的起爆問題具有重要意義。

1 計算方案和主要參數

利用LS-DYNA非線性顯式動力學軟件對破片沖擊起爆帶殼裝藥進行三維數值仿真[7]。為提高網格劃分效率并得到高質量的有限元網格,利用TrueGrid軟件完成計算的前處理工作。其中，破片、殼體和炸藥選用拉格朗日網格。為減小計算規模，建立1/4模型，同時為了保證計算精度，整體網格為0.5 mm，破片、殼體和炸藥中心區域進行加密處理來保證仿真的準確性。其中圓柱形破片為Φ8 mm×8 mm，殼體為Φ100 mm×6 mm，B炸藥為Φ92 mm×60 mm，其中選取在B炸藥上每間隔10 mm選取一個單元作為壓力-時間和反應度-時間的觀測點。簡化模型及網格如圖1所示。

圖1 簡化模型及網格

本研究仿真所用到的材料為DU合金、45#鋼和B炸藥，其中DU合金、45#鋼兩種材料的本構模型均選擇Johnson_Cook本構模型，而B炸藥的材料模型為彈塑性模型(ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)，狀態方程為點火與增長方程(IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE)。其參數來自文獻[8-10]，如表1～表3所示。

表1 材料的基本參數

表2 材料的本構參數

表3 B炸藥參數

2 仿真結果及分析

仿真計算采用升降法調整破片著靶速度，其中速度間隔5 m/s。圖2為圓柱形破片以680 m/s和685 m/s的速度撞擊帶殼B裝藥的反應度云圖，圖3為圓柱形破片以685 m/s的速度撞擊帶殼B裝藥的壓力-時間和反應度-時間曲線。

圖2 680 m/s和685 m/s起爆帶殼B炸藥反應度云圖

圖3 685 m/s時起爆帶殼B炸藥壓力、反應度曲線

分析圖2可知，速度680 m/s時，反應度最大值為0.625 9，未達到1，說明速度在680 m/s時未能起爆帶殼B炸藥；而從圖3中可以看出，在29.99 μs時，C點炸藥壓力突變到9.8 GPa，且此時刻反應度達到1，在隨后幾個觀測點壓力都逐漸變大，最大達到35.5 GPa，且剩余觀測點反應度均達到1，這充分說明速度在685 m/s時帶殼B炸藥被起爆，并且點火點發生在觀測點B和C之間。

由上述可知，利用LS-DYNA計算Φ8 mm×8 mm圓柱形破片沖擊起爆帶殼B炸藥的臨界速度為685 m/s。

只考慮破片正侵徹(理想情況)的情況下，圓柱形破片正侵徹情況下沖擊起爆的比動能公式為

代入本文數據,可得e=34.91 MJ/m2。

3 破片特性對沖擊起爆帶殼B炸藥影響的仿真研究

3.1 破片長徑比對沖擊起爆閾值速度的影響

圓柱形破片和長方體破片在質量均為7.48 g的條件下，分別對不同長徑比λ=L/D(L為破片長度，D為破片橫截面邊長度或圓直徑)進行建模與沖擊起爆仿真，其中λ分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0。

兩種破片同質量條件下不同長徑比沖擊起爆的閾值速度結果如圖4所示。

圖4 兩種破片閾值速度與長徑比關系

由圖4分析可知，在同質量條件下，破片正侵徹時，隨著長徑比的增加，沖擊起爆的閾值速度也不斷增加，成拋物線趨勢增加；長徑比相同時，圓柱形破片的閾值速度始終大于長方體，同時破片由“扁平”形向“長桿”變化，破片截面積減少。這是由于同一長徑比的長方體的方形面面積大于圓柱形破片圓面積，這使得同等脈沖強度下傳入炸藥的能量更多，因此長方體破片的閾值速度小于圓柱形破片。

3.2 破片形狀對沖擊起爆的影響

為研究不同形狀DU合金破片對帶殼B炸藥的臨界起爆速度和比動能，在原仿真的基礎上，增加了長方體和正方體兩種形態。其中，圓柱形、長方體、正方體破片的質量均為7.48 g，圓柱形破片為Φ8 mm×8 mm、長方體為7.09 mm×7.09 mm×8 mm、正方體為7.38 mm×7.38 mm×7.38 mm。

由圖5(a)、圖5(b)可知，長方體DU合金破片在速度為610 m/s時，在18.99 μs時，壓力最大值為27.32 GPa，同時刻的反應度為1，帶殼B炸藥被起爆。而圖5(c)、圖5(d)是正方體DU合金破片在速度為585 m/s時曲線圖，在14.99 μs時壓力最大值為28.89 GPa，壓力峰值分布在波陣面上且從點火點向外擴散，說明炸藥中有爆轟波的傳播，在同時刻的反應度云圖中，出現反應度為1的完全反應區域與此時刻壓力云圖的波面位置相對應，印證了爆轟波的傳播，說明在585 m/s時炸藥發生了爆轟。

圖5 長方體和正方體破片起爆B炸藥壓力、反應度曲線

分析表4可知，等質量的3種DU合金破片中圓柱形破片最不易起爆帶殼B炸藥，依次是長方體、正方體，即質量不變時，正方體破片最易起爆帶殼B炸藥。這是由于長方體破片的方形面與圓柱形破片的圓面(將圓看成無窮多邊形)形狀的不同，在同質量同破片截面積條件下，長方體破片的方形面接觸碰擊時4個直角的作用比圓柱形破片的圓面n個鈍角更容易起爆帶殼B炸藥，而同為方形面的正方體破片和長方體破片，由于正方體破片的截面積大于長方體的，進而使得正方體破片閾值速度小于長方體破片。

表4 3種破片沖擊起爆仿真結果

4 結論

1) 尺寸為Φ8 mm×8 mm、質量為7.48 g的圓柱形DU合金破片的閾值速度為685 m/s,比動能為34.91 MJ/m2；

2) 同質量條件下，隨著長徑比的增加，兩種破片沖擊帶殼B炸藥的閾值速度都增加；破片截面積越大，閾值速度越小，反之，截面積越小，閾值速度越大。

3) 同質量條件下，不同結構破片正侵徹撞擊帶殼B炸藥時，同一長徑比的圓柱形破片閾值速度始終大于長方體破片。

4) 同質量破片在撞擊面積相同條件下，方形面的長方體破片比圓柱形破片閾值速度小，更容易起爆帶殼B炸藥。