復合殼體對炸藥抗破片沖擊起爆影響研究

趙宇峰， 路志超， 董永香， 安二峰， 馮順山

(北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

破片或子彈撞擊炸藥層的安定性一直是彈藥安全性研究的重點，目前國內(nèi)外學者對這方面進行了大量的研究。Chen等[1]利用AUTODYN軟件對高速碰撞下炸藥的沖擊起爆進行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示PBXN-110炸藥的起爆速度閥值要遠遠低于LX-17；李小笠等[2]研究了球形、平頭圓柱和立方塊三種形狀的破片對帶殼裝藥的沖擊起爆能力，表明除了破片幾何尺寸和質(zhì)量外，破片的著靶姿態(tài)對沖擊起爆速度閥值有明顯影響；梁爭鋒等[3]通過工程理論計算、數(shù)值模擬和實驗得出了適用于小質(zhì)量規(guī)則破片對屏蔽B炸藥起爆速度閥值的工程理論計算公式；孫寶平等[4]提出在數(shù)值仿真中采用節(jié)點約束-分離方法、熱彈塑性材料本構(gòu)方程和化學動力學方程可以有效地描述炸藥層在破片撞擊作用下的破壞行為和點火反應；賈憲振等[5]探討了B炸藥在鎢球撞擊下的起爆機理。

在提高抗沖擊性能方面，由于新型防護材料擁有較高的比強度、比模量，其抗震疲勞性和減震性大大超過金屬材料，并且具有較好的動能吸收性，在人體防護和軍事儀器設(shè)備的防護上已經(jīng)得到廣泛的應用。目前許多學者對復合殼體的抗沖擊性能開展了大量的研究[6-8]，陳薇[9]研究了玻璃纖維和凱夫拉復合材料及其組合靶板的抗破片機理及彈道性能研究；黃拱武[10]對彈體撞擊帶纖維軟防護明膠靶標進行了數(shù)值模擬，得出超高分子量聚乙烯纖維軟防護前部纖維層的破壞主要源于剪切作用，而后部纖維層主要是拉伸破壞；陸曉等[11]則對碳纖維層合板抗高速碎片撞擊進行數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)纖維增強復合材料層合板在彈體橫向高速撞擊下主要的失效形式為纖維剪切、纖維和基體分離、分層破壞以及拉伸失效。

本文擬采用低波阻抗中間層的復合殼體來提高炸藥抗沖擊起爆的性能，在等面密度條件下，開展不同中間層材料、不同排列順序和等厚度復合殼體對破片沖擊起爆炸藥的影響特性研究，分析相同破片沖擊速度下，炸藥層壓力和傳入能量等動態(tài)響應，進一步獲得復合殼體對炸藥抗破片沖擊起爆的影響特性。

1 沖擊復合殼體仿真模型可行性驗證

1.1 仿真模型

為校驗復合殼體對炸藥沖擊起爆模型的可行性，基于ANSYS/LS-DYNA軟件進行仿真，采用與實驗[12]相同的破片和組合靶建模，仿真模型與實驗靶標如圖1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性建立1/4三維有限元模型。

圖1 仿真模型與實驗靶圖片F(xiàn)ig.1 Simulation model and experimental target

破片速度為1 270 m/s，質(zhì)量為10 g，材料為45鋼，帶殼裝藥由鋼圈、頂板、B炸藥、鑒證靶和支撐板組成，除炸藥其它均為A3鋼。破片、炸藥及各靶板之間采用*CONTARCT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE接觸算法。為描述防護靶和鑒證靶結(jié)構(gòu)在沖擊下的動態(tài)響應，引入涉及應變率和溫度效應的JC模型，材料參數(shù)如表1所示，由于鑒證靶尺寸遠大于破片直徑，為便于建模，將方形鑒證靶和支撐板簡化為柱形靶。本文重點分析破片沖擊下炸藥的動態(tài)響應，選用臨界起爆壓力為判據(jù)判斷炸藥是否起爆，為便于研究炸藥層的壓力變化情況，炸藥選用MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，主要材料參數(shù)如表2所示。

表1 鋼的主要材料參數(shù)[13]Tab.1 Primary material parameters of the steel[13]

表2 炸藥的主要材料參數(shù)[14]Tab.2 Primary material parameters of the explosive[14]

1.2 仿真結(jié)果

通過計算得出B炸藥在破片沖擊下的峰值壓力為1.99 GPa，小于章冠人等[15]給出的B炸藥臨界起爆壓力5.63 GPa，故炸藥未起爆，這也與實驗結(jié)果[12]鑒證靶上無爆轟痕跡一致；仿真計算得到的頂板和鑒證靶上的孔徑和成坑直徑分別為17.5 mm和13.0 mm，而實驗測得頂板和鑒證靶上的孔徑和成坑直徑分別為17.3 mm和13.4 mm，兩者誤差分別為1.16%和2.99%，仿真與實驗結(jié)果圖片見圖2和圖3。通過對破片沖擊炸藥復合殼體的仿真結(jié)果分析，說明該仿真模型得出的結(jié)果與實驗相吻合，用該模型進行后續(xù)研究是可行的。

2 不同復合殼體對炸藥防護特性仿真

分別研究等面密度條件下不同中間層材料的復合殼體、不同材料排列順序的復合殼體，以及與單一鋼殼體同等厚度的復合殼體對炸藥的防護能力。模擬時取破片速度1 000 m/s，分析復合殼體和炸藥的動態(tài)響應，對比方案如表3所示。

圖2 頂板仿真與試驗結(jié)果對比Fig.2 Comparison of simulation and experimental results of apical plate

圖3 鑒證靶仿真與試驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison of simulation and experimental results of identification target

表3 復合殼體仿真方案Tab.3 Simulation schemes of composite targets

2.1 計算模型

仿真基于上述校驗模型，如圖4所示。復合殼體和炸藥均為柱形，直徑為100 mm，柱形破片材質(zhì)為45鋼，尺寸為φ12 mm×12 mm，復合殼體中間層選用的材料分別為30CrMnSiNi2A鋼(St)、SW210牌號的玻璃纖維布(GF)、20796牌號的凱夫拉纖維布(Kevlar)、聚脲樹脂(SPUA)，并建立厚度為6 mm的單一鋼殼體30CrMnSiNi2A作為對比。

圖4 1/4有限元模型Fig.4 1/4 finite element model

2.2 材料模型

破片和B炸藥選用的材料參數(shù)和模型與校驗方案相同，鋼殼體采用隨動硬化模型；由于纖維增強復合材料具有非均值和正交各向異性的特性，在不同的方向材料的性能參數(shù)有很大的區(qū)別，選用MAT_COMPOSITE_DAMAGE材料模型，聚脲樹脂采用多線性彈塑性材料模型MAT_PIECEWISE _LINEAR_PLASTICITY，各材料的主要參數(shù)，如表4～表6所示。

表4 鋼殼體的主要材料參數(shù)Tab.4 Primary material parameters of protection steel

表5 聚脲的主要材料參數(shù)[16]Tab.5 Primary material parameters of the SPUA[16]

表6 纖維復合材料的主要參數(shù)Tab.6 Primary material parameters of the fiber composites

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 不同中間層材料復合殼體對炸藥防護能力研究

對比方案2～方案4，觀察在終點時刻不同復合殼體中背靶的應力狀態(tài)和變形情況，以及最低點在Y方向的位移，可以得到不同復合殼體的抗破片侵徹性能，如圖5和圖6所示。

圖5依次給出了方案2～方案4中背靶的應力狀態(tài)和變形情況，可以看出St-GF-St和St-SPUA-St復合殼體的抗侵徹能力最小，變形最大，而St-Kevlar-St復合殼體的抗侵徹性能最好，說明這種比強度和比模量大的復合殼體可以更加有效地衰減沖擊波，進而提高炸藥抗破片侵徹性能。

圖5 背靶終點時刻受力變形狀態(tài)圖Fig.5 Stress and deformation of the back target at the final moment

圖6 背靶最低點位移時程曲線Fig.6 Displacement history of the lowest point on the back target

圖6描述了方案2～方案4中復合殼體最低點的位移時程曲線，可以看出不同復合殼體抗侵徹能力最好的為St-Kevlar-St復合殼體，最差的為St-GF-St。

在裝藥中心軸線上選取0 mm，10 mm，20 mm和30 mm即A,B,C,D不同位置(如圖4所示)，分析它們在破片以1 000 m/s的速度撞擊下，各種方案下的壓力變化情況，以及炸藥內(nèi)部的壓力峰值。

圖7給出了不同方案下炸藥層不同位置處的壓力隨時間的變化趨勢，表7列出了不同方案下炸藥層的壓力峰值，均低于文獻[15]中給出的炸藥的臨界起爆壓力，可以看出這些方案下炸藥均未起爆，分析對比方案結(jié)果可知復合殼體防護下炸藥層的壓力峰值均低于單一鋼殼體。其中St-SPUA-St復合殼體下炸藥層的壓力峰值最小，僅為單一鋼殼體的36%，炸藥層中壓力峰值從小到大依次為St-Kevlar-St、St-GF-St，而中間層材料波阻抗由小到大依次為聚脲樹脂、凱夫拉、玻璃纖維。由此可知復合殼體中間層的材料波阻抗越小，炸藥層受到破片沖擊后的壓力峰值通常越小。

圖8為不同方案下炸藥層的能量隨時間的變化，由圖可知傳入炸藥層能量最高的是單一鋼殼體，然后依次為St-SPUA-St、St-GF-St，傳入炸藥層能量最少的是St-Kevlar-St復合殼體。因此在分析炸藥抗沖擊起爆特性時，應基于炸藥壓力峰值與能量等臨界判據(jù)進行綜合分析。

圖7 炸藥不同位置壓力時程曲線Fig.7 Pressure history of the different locations on the explosive

方案名稱壓力峰值/GPa1Single Steel1.882St-GF-St1.303St-Kevlar-St1.264St- SPUA -St0.675St- St- SPUA0.566St- St- SPUA(6mm)1.20

圖8 炸藥的能量時程曲線Fig.8 Energy history of the explosive

2.3.2 不同排列順序復合殼體對炸藥防護能力研究

改變St-SPUA-St復合殼體的排列順序，方案4和方案5對比可以看出，將聚脲樹脂作為炸藥內(nèi)襯放置時，炸藥層的壓力峰值為0.56 GPa，僅為單一鋼殼體的30%，并由壓力變化曲線可知改變復合殼體排列順序后，炸藥層較大壓力持續(xù)時間較短。圖8中炸藥的能量變化曲線可以看出改變St-SPUA-St復合殼體的排列順序后，傳入炸藥層的能量與單一鋼殼體相比降低了將近一個數(shù)量級。

2.3.3 等厚度復合殼體對炸藥防護能力研究

當保持復合殼體總厚度不變，由方案1和方案6對比可以看出，破片以1 000 m/s的速度沖擊下，鋼-鋼-聚脲樹脂復合殼體防護下炸藥層內(nèi)部受到的壓力峰值為1.20 GPa，僅為單一鋼殼體的64%；從圖8中炸藥的能量變化曲線可以看出保持靶板厚度不變，傳入復合殼體防護下炸藥的能量約為單一鋼殼體的一半。

3 結(jié) 論

通過對破片撞擊A3鋼殼體防護下炸藥層的試驗結(jié)果和數(shù)值仿真對比，驗證了該仿真計算的可行性；分別研究等面密度條件下不同中間層材料的復合殼體、不同材料排列順序的復合殼體，以及與單一鋼殼體同等厚度的復合殼體對炸藥的防護能力。對炸藥層防護能力的數(shù)值模擬研究，得出的主要結(jié)論如下：

(1) 低波阻抗中間層復合殼體可有效降低炸藥層的峰值壓力，鋼-聚脲樹脂-鋼復合殼體炸藥層內(nèi)壓力峰值僅為單一鋼殼體的36%，而中間層材料比強度越高時炸藥抗破片侵徹能力越強，傳入炸藥的能量也越少。

(2) 改變復合殼體的排列順序，將聚脲樹脂作為炸藥內(nèi)襯放置時，炸藥層的峰值壓力僅為單一鋼殼體的30%，傳入炸藥層的能量比單一殼體低了將近一個數(shù)量級，可有效提高炸藥抗破片沖擊起爆的能力。

(3) 當復合殼體厚度與單一鋼殼體厚度相同時，鋼-鋼-聚脲樹脂復合殼體防護下炸藥層內(nèi)的峰值壓力僅為單一鋼殼體的64%，傳入炸藥層的能量約減少一半。

由此可知，通過采用不同中間層材料的復合殼體，改變復合殼體層的組合排列等措施，可提高復合殼體對炸藥抗破片沖擊起爆的性能。