裝藥過載環境力等效模擬實驗技術研究

關鍵詞：過載環境力；等效模擬實驗；飛片沖擊；侵徹加載

近年來，隨著裝甲防護結構的優化和防護材料性能的不斷提升，使得侵徹戰斗部等毀傷元需要提升速度和彈頭強度來改善侵徹能力，帶來的問題是戰斗部中的裝藥通常處于高過載的服役環境下[1-2]，導致戰斗部在發射、穿甲、鉆地等復雜環境下，出現了裝藥結構完整性破環甚至早炸的現象[3]。因此，在復雜高過載環境下，裝藥的安全可靠性問題備受關注[4-5]。現有裝藥安全可靠性能實驗存在成本高、強過載環境測試難度大等瓶頸問題，急需探尋一種測試范圍連續可調、裝配簡易、成本低廉、測試散布精度高、同時滿足高過載壓力和大脈沖寬度的裝藥過載環境力等效模擬的實驗方式。

目前，學者們對裝藥過載環境測試方法進行了廣泛探索，主要有最小起爆試驗法、隔板試驗法、獵槍試驗法、殉爆試驗法、爆炸驅動技術、Hopkinson壓桿、落錘和輕氣炮等[6-8]方法。然而所有方法都存在一個共性的瓶頸，即：測試得到的過載壓力和脈沖寬度屬于“此消彼長”的關系，難以同時兼顧。采用輕氣炮、爆炸驅動技術等方法，能夠獲得高幅值的加載，但脈沖寬度通常不到10μs。例如：徐鵬等[9]以一級空氣炮為載體，驅動彈丸撞擊加速度儲存裝置，以毛氈為緩沖獲得了高過載的沖擊環境，但脈寬時間只能持續微秒級別；周廣宇等[10]以Hopkinson壓桿實驗裝置作為火工品抗過載實驗中的高g值加速度發生器，設計了波形整形器有效控制和改善火工品沖擊實驗中的加載環境；趙欣等[11]對已有的火工爆炸的地面模擬試驗和有限元分析研究進行了綜述，為火工爆炸地面模擬試驗提供了理論依據。

采用空氣擊錘、落錘等方法，能夠將過載脈寬延長至100μs以上，但加速度峰值通常低于105g（壓力低于1GPa）。例如：門士瀅[12]基于落球實驗裝置，設計了高過載、寬脈沖的空氣擊錘實驗裝置，獲得了脈寬100μs以上的加速度過載環境，但加速度峰值不足105g；何小斌[13]設計了落球實驗裝置，并將波形整形技術用于落球實驗，延長了過載脈寬。應用波形整型技術后，加載峰值平均值僅為1900g～2200g，脈寬平均值在400μs左右。滿曉飛等[14]和陳健[15]基于空氣擊錘實驗裝置進行改進，提出了立式空氣擊錘模擬侵徹過程，同樣延長了脈沖寬度，但加速度峰值均低于40000g。許志峰等[16]和劉計劃等[17]對落錘模擬實驗裝置進行了改進，提高了對彈丸侵徹靶板狀態模擬的真實性。Starkenberg等[18]和芮筱亭等[19]建立了發射裝藥動態擠壓破碎實驗系統，能夠等效模擬火炮發射過程中彈底發射裝藥的擠壓破碎過程；屈可朋等[20]建立了壓縮載荷模擬實驗方法和摩擦載荷模擬實驗方法，能夠較好地模擬裝藥實彈侵徹時所受應力載荷；Kim等[21]開發了一種高溫沖擊模擬器，可以通過控制沖擊環境生成變量來生成所需的沖擊環境，進而模擬火工品發射時的過載狀態。周霖等[22]基于單自由度受迫振動模型，建立了炸藥抗過載性能實驗測試裝置，能夠獲得1GPa以上加載峰值和1ms以上脈沖寬度的信號，可模擬彈體侵徹混凝土過程中裝藥的受力環境，但未涉及對彈體侵徹鋼靶環境的模擬。

綜上所述，由于過載壓力和脈沖寬度2個指標難以同時兼顧，上述研究成果普遍無法等效還原彈體侵徹鋼靶板的真實加載狀態[23-25]。本文中，基于裝藥過載環境力實驗原理，設計測試范圍靈活、裝配簡易、成本低廉的裝藥過載環境等效模擬實驗裝置，同時滿足彈體侵徹鋼靶板時高應力（大于1GPa）和大脈寬（大于100μs）真實加載狀態的技術指標。通過原理分析以及數值模擬工作，開展裝藥過載環境力模擬實驗，驗證實驗裝置的等效性，并為裝藥安定性測試及評估提供重要的理論和實踐依據。

1裝藥加載模擬實驗裝置

為了等效還原彈體侵徹鋼靶時裝藥的過載環境，首先需要獲得裝藥表面受到的加載信號。受限于實彈打靶的測試難度和成本，本文中運用AUTODYN有限元數值模擬軟件對侵徹過程裝藥表面承受的過載進行數值模擬研究，通過分析觀測點的壓力-時間曲線，探究不同速度彈丸侵徹鋼板過程中裝藥表面壓力的變化規律。在獲得裝藥表面加載信號的波形、壓力峰值、脈沖寬度等參數后，通過合理選取飛片厚度、波形調整器材料和厚度等參數，有針對性地設計等效實驗裝置。

1.1彈體侵徹鋼靶裝藥過載環境數值模擬

1.1.1數值模擬模型及方案

裝藥沖擊加載結構模型如圖1所示，由殼體、裝藥、引信和彈底組成，裝藥位于彈體圓柱部，彈頭為尖卵形。殼體及裝藥之間的耦合關系采用拉格朗日算法描述。彈丸網格劃分如圖2所示。

鋼靶板厚度為30mm，彈丸侵徹速度v分別選取500、800、1000、1200和1500m/s，入射角度為90°。裝藥密度為1.63g/cm3，爆壓為21GPa，爆溫為600.06K，爆速為6.93km/s。殼體及靶板材料的密度為7.83g/cm3，體積模量為77GPa，剪切模量為159GPa。通過設置的觀測點，獲取彈體侵徹鋼靶過程中裝藥表面加載波形、超壓峰值及脈沖寬度。

1.1.2數值模擬結果分析

圖3為彈丸以1000m/s的速度侵徹靶板時載荷在彈體中的傳播云圖，可以看出，彈頭觸靶時載荷為3.12GPa，沖擊波傳到裝藥表面時載荷為1.06GPa，尖卵形彈頭有效降低了裝藥承受的載荷。表1為不同侵徹速度下裝藥的過載數據。圖4為不同侵徹速度下裝藥的過載波形，可以看出，波形均為半正弦波，存在2個有效波峰，第1個波峰略大。彈頭觸靶時分別向彈體和靶板形成2個方向的沖擊波，從彈體方向沖擊波傳到裝藥表面開始，到靶板方向沖擊波傳播到靶板自由面反射回來卸載波再次傳到裝藥表面結束，這段時間即為第1個波峰脈寬。可以看出，隨著沖擊速度的提升，裝藥表面加載峰值呈單調遞增，而脈沖寬度雖有單調遞減趨勢，但由于靶板厚度一致，脈寬變化不大，總體在100μs左右浮動。因此，等效模擬裝置應當能夠同時實現加載壓力峰值大于1GPa和脈寬大于100μs的指標。

1.2實驗裝置設計

1.2.1裝置組成

裝藥過載環境力等效模擬實驗裝置如圖5所示，實驗裝置主要由起爆系統、加載系統、輔助系統和壓力測試系統組成。通過主裝藥驅動飛片實現高過載加載，采用波形調整器實現修正波形和延長脈沖寬度。其中起爆系統由雷管、傳爆藥、平面波發生器和主裝藥構成；加載系統由墊片、飛片、波形調整器和待測藥構成；輔助系統由支撐架、鑒證板和防護板組成；壓力測試系統由PVDF（polyvinylidenefluoride）薄膜式壓電傳感器（型號：JYCD3-3B；壓電常數：43.94C/N；電容：25pF；表面電阻：小于40Ω）、導線、多通道應變儀（型號：BZ2202）和動態數據采集儀（型號：TST3125）構成，如圖6所示。

1.2.2裝置設計原理

采用在飛片與待測藥之間添加波形調整器的方法，調整待測藥受到加載后傳播到其上信號的波形和特征值。飛片與波形調整器發生對稱碰撞后，沖擊波傳播至待測藥的過程主要由3個階段組成：（1）瞬態高壓階段，在飛片撞擊波形調整器的瞬間、出現反射稀疏波之前，飛片與波形調整器撞擊界面的壓力高于準定常階段；（2）平臺峰值壓力保持階段，飛片與波形調整器撞擊界面的峰值壓力保持穩定，平臺峰值壓力所保持的時間即是脈沖寬度；（3）卸載階段，波形調整器反射回來的追趕稀疏波或邊界稀疏波到達待測藥中心，使壓力迅速下降[26-27]。

由此可看出，沖擊波壓力平臺的持續時間（脈沖寬度）主要取決于波形調整器的厚度，在數值上等于沖擊波到達波形調整器自由面的時間與自由面反射的追趕稀疏波到達待測藥和波形調整器界面的時間之和。沖擊波到達波形調整器自由面的時間τ1為：

式中：us1為沖擊波陣面在波形調整器中傳播的速度，v為飛片速度，d為波形調整器的厚度。

從自由面反射的稀疏波波速為彈性縱波聲速cL，壓縮后的波形調整器厚度為ρ01d/ρ1，ρ01為波形調整器的初始密度，ρ1為波形調整器壓縮后的密度，則稀疏波達到待測藥與波形調整器界面的時間τ2為：

根據式（1）～（6）可對波形調整器的材料和厚度進行設計。

1.2.3裝置工作過程

通過雷管引爆起爆藥，對平面波發生器形成點起爆，平面波發生器對爆轟波形進行調整，在主裝藥上表面形成平面波，主裝藥驅動飛片對波形調整器和待測藥進行高速沖擊，沖擊波通過波形調整器改變波形，傳播到待測藥表面，貼在待測藥正面的壓電傳感器對沖擊波信號進行定量測量。通過控制飛片的厚度，調節輸入待測試藥的沖擊波強度。通過控制波形調整器的材料和厚度，調節輸入待測藥沖擊波的脈寬。通過壓力測試系統獲得沖擊波加載的壓力-時間波形。

2裝藥過載等效模擬實驗結果分析

按照設計方案對裝藥過載安定性模擬實驗裝置進行裝配和實驗。實驗現場布置如圖7所示，待測藥爆燃和燃燒2種典型回收結果如圖8所示，傳感器測得的壓力-時間曲線如圖9所示，實驗方案及測試數據如表2所示，df為飛片厚度，pp，e為實驗測得的超壓峰值，pp，s為1.1節中數值模擬得到的超壓峰值，τe為實驗測得的脈寬，τs為1.1節中數值模擬得到的脈寬。基于前期對該裝置探索性實驗發現，熱塑性樹脂材料和彈性聚合物材料能夠有效調節壓力峰值和延長脈沖寬度。因此，本文中采用聚乙烯基材料（代號A）和橡膠基材料（代號B）2種波形調整器材料進行對比。每個工況進行3發實驗，對相同時刻的壓力值求取平均數。

從表2和圖9可以看出，波形調整器材料對待測藥表面載荷的影響十分顯著。在相同工況下，A類波形調整器形成的壓力峰值大于B類的，而脈沖寬度小于B類的。采用A類波形調整器調整后的波形近似于正弦波，與彈丸侵徹鋼板產生的脈沖波形一致，而B類波形調整器調整后的波形以方波為主。相比之下，A類波形調整器調整后的波形較B類波形調整器調整后的波形與裝藥受到的加載波形更一致。

對比飛片厚度不同、波形調整器厚度同為13mm情況下的壓力-時間曲線，以及A型波形調整器厚度不同、飛片厚度同為3.5mm情況下的壓力-時間曲線，如圖10～11所示。從圖10可以看出，隨著飛片厚度從2.0mm增大到7.5mm，飛片獲得的驅動速度逐漸降低，加載在待測藥表面的壓力從1.27GPa到0.70GPa明顯降低，而脈沖寬度變化不明顯。從11可以看出，隨著波形調整器厚度從5mm增大至13mm，加載在待測藥表面的壓力從1.07GPa降低到0.77GPa，脈沖寬度從87μs逐漸延長至126μs，這說明波形調整器不僅能夠調控產生的波形，還能對壓力值的衰減產生大幅影響。

為等效表3中500～1200m/s速度的彈丸侵徹鋼板仿真數據，分別設計了表4中序號1～4的4種實驗工況，而等效1500m/s侵徹速度的仿真工況需要在現有設計方案基礎上提升主裝藥量才能匹配加載強度，因此本文實驗模擬彈體侵徹鋼靶的速度范圍為500～1200m/s。通過對數值模擬和實驗信號對比，可以看出兩者波形相仿，均為正弦波，且同樣存在2次波峰，其中第1次峰相似度較高，第2次峰受限于較大的結構差距，難以完全等效，另外實驗獲得信號的上升沿較數值模擬信號更陡峭。與數值仿真數據相比超壓峰值誤差最低為2.4%，最高為12.7%；脈寬誤差最低為1.0%，最高為14.8%。相比之下，低速工況（厚飛片）下的超壓峰值誤差偏大，高速工況（薄飛片）下的脈沖寬度誤差偏大。全部工況的超壓峰值和脈寬誤差均低于15%，可認為模擬實驗獲得的脈沖特征值與彈體侵徹鋼靶時裝藥表面產生脈沖相一致，也驗證了通過對本文所設計的裝藥過載模擬裝置的參數的調控，能夠實現對彈體侵徹鋼靶時裝藥過載環境力的等效模擬。

3結論

以等效模擬彈體侵徹鋼板時內部裝藥過載環境力為目標，基于數值模擬方法，設計了裝藥過載環境力等效模擬實驗裝置，并開展了等效模擬實驗，一定程度上驗證了該裝置模擬彈體以500～1200m/s的速度侵徹鋼靶時裝藥的過載環境力的等效性。主要結論如下：

（1）基于沖擊動力學理論，設計了裝藥過載等效模擬實驗裝置，進行了等效模擬實驗，通過選取合適的裝置參數，能夠形成峰值為1.17GPa和脈寬為134μs的過載信號，突破了同時滿足壓力峰值大于1GPa和脈沖寬度大于100μs的技術難點。

（2）對比不同波形調整器形成的過載信號，發現A類波形調整器獲得的波形近似于正弦波，與彈丸侵徹鋼板產生的脈沖波形一致，而B類波形調整器獲得的波形以方波為主。A類波形調整器形成的壓力峰值大于B類的，而脈沖寬度小于B類的，表明波形調整器不僅能夠調控產生的波形，還能對壓力值的衰減產生大幅影響。

（3）對比等效模擬實驗數據與數值仿真數據，超壓峰值誤差最低為2.4%，最高為12.7%；脈寬誤差最低為1.0%，最高為14.8%。相比之下，低速工況（厚飛片）下的超壓峰值誤差偏大，高速工況（薄飛片）下的脈沖寬度誤差偏大。全部工況的超壓峰值和脈寬誤差均低于15%，驗證了通過對本文所設計的裝藥過載模擬裝置的參數的調控，能夠實現對彈體侵徹鋼靶時裝藥過載環境力的等效模擬。