破片侵徹鋼質靶板實驗及仿真研究

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

0 引 言

在進行榴彈、導彈等武器的戰(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、破片質量分布、破片初速及分布規(guī)律、破片迎風面積等，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，爆轟產物向空氣中擴散推動破片繼續(xù)加速，隨著破片所受爆轟產物推力的逐漸減小和空氣阻力的增大，其速度達到最大值后開始衰減。破片速度研究通常采用工程理論計算和實驗測試的方法結合進行[2]。隨著武器打擊精度的提高，現(xiàn)代武器系統(tǒng)對戰(zhàn)斗部破片速度的精度指標要求越來越高。

除實彈爆炸實驗外，傳統(tǒng)的破片加載方式是將破片放置在火炮內，利用發(fā)射藥點燃后的火藥燃氣推動破片高速運動。1957年,Crozier和Hume利用壓縮狀態(tài)下的氫氣、氦氣等輕質氣體作為工質推動破片，此后出現(xiàn)了二級、三級輕氣炮裝置。國內也大量使用輕氣炮裝置對破片進行加載，方青等[3]用輕氣炮作為加載手段，進行了鋼質破片撞擊侵徹炸藥引發(fā)爆轟的機制研究。1958年,美國Los Alamos National Laboratory的Bostick首次提出“軌道炮”概念并進行相關軌道發(fā)射實驗。經過近30年的發(fā)展，目前該技術在美國等發(fā)達國家已進入工程應用階段[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，但裝置使用復雜、成本較高。本文采用爆炸驅動加載技術，利用炸藥爆炸后產生的爆轟波及氣體驅動破片運動，實驗裝置簡單，便于操作，可以有效降低實驗成本。針對該方法存在發(fā)射角度偏差較大的缺陷，通過加裝樹脂彈托，使用通斷靶進行測速，使破片加速到789.4 m/s，并對鋼質靶板進行侵徹實驗。運用仿真軟件對實驗過程進行了驗證，二者吻合度較好。

1 實驗設計

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動30CrMnSiA材質的4 g立方體破片運動。由于炸藥爆炸瞬間其威力巨大，會在不同方向對破片產生推力，導致破片飛行方向難以控制[5]。在使用炮管或彈道槍對破片進行加速時，需要制作彈托及底推片，目的是在引燃發(fā)射藥后導引、封閉火藥氣體，引導破片沿著炮管軸線運動[6-7]。本實驗中，由于沒有使用加速炮管，可以省略金屬彈托及底推片的制作過程，降低了實驗復雜度。

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打印技術制作的樹脂彈托不但質量輕，可以保證破片牢固貼合于藥柱端面，如圖1～3所示。通過在電腦端修改樹脂彈托幾何模型，可以方便快捷地一次性打印出多個不同規(guī)格的樹脂彈托。

1.2 速度測量裝置

選擇室外無風的條件，忽略橫向氣流流動對破片產生的橫向阻力，使用繞線網靶對破片速度進行測量。網靶法作為一種接觸式測量方法，具有安裝方便，測試精度基本可以滿足需求的特點，廣泛應用于野外靶場戰(zhàn)斗部破片速度測算[8]。其基本原理是：當破片穿過兩個網靶的瞬間，網靶上纏繞的銅線被切斷，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下兩個電信號及時間差Δt，根據(jù)兩個網靶之間的距離Δl(本文Δl為1.4 m)及時間差既可求得破片飛行速度[9]為

圖1 樹脂彈托打印過程

圖2 立方體破片及樹脂彈托 圖3 炸藥加速裝置

v=Δl/Δt

(1)

為研究相應速度破片的侵徹能力，在網靶后設置45號鋼質材質，厚度為3 mm的金屬靶板，如圖4、5所示。

圖4 實驗系統(tǒng)組成

圖5 實驗裝置現(xiàn)場圖

1.3 實驗結果

經過多次實驗驗證，發(fā)現(xiàn)通過加裝彈托，可以大大提高實驗成功率，有效改善破片飛行方向不定、難以著靶的問題。

以一次實驗為例，計時器顯示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號鋼質靶板，由于立方體破片在飛行過程中高速翻轉，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，它提供很多高級功能，用來解決固體、流體、氣體及其相互作用的高度非線性動力學問題，尤其是在解決軍工問題方面有其獨特優(yōu)勢[10-11]。本文運用AUTODYN程序模擬炸藥驅動立方體破片，為保證計算速度，僅建立1/4模型，空氣場模型與藥柱及破片中心線同軸。

炸藥爆轟過程是完全動態(tài)的過程，根據(jù)實驗用8701炸藥規(guī)格，將其等效為圓柱體，同時建立適當大小的空氣場，保證能夠容納炸藥藥柱及立方體破片。為了減少計算時間，運用AUTODYN建立1/4 3維仿真模型并進行網格劃分，忽略引爆用雷管，將起爆點設置于藥柱底端。8701炸藥選用JWL狀態(tài)方程，30CrMnSiA材質的立方體破片選擇Shock狀態(tài)方程、Johnson-Cook本構方程模型[12]并使用Geometric-Strain侵蝕準則。炸藥和破片采用拉格朗日算法，空氣場采用歐拉算法，3種材料使用Fully-Coupled進行耦合。相關材料見表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本構關系可以表示為[13]：

(2)

(3)

起爆點設置在藥柱尾端，起爆路徑選擇直接起爆，最終建立的網格化仿真模型如圖7所示。

圖7 有限元仿真模型

高速運動的破片打擊金屬靶板和鋼管的過程，實質是碰撞及穿甲問題，涉及到接觸算法的選擇[16]。對于Lagrange/Lagrange接觸問題，AUTODYN軟件中有Trajectory和Externa Gap兩種接觸算法。Trajectory接觸算法便于多Part相對復雜模型的接觸分析，不能用于結構單元的接觸分析，Externa Gap算法則不受結構單元的限制[10,17]。

破片在擊穿靶板過程中，兩者都要經歷高壓、高應變速率和高溫過程。靶板材料形狀變化使用Johnson-Cook本構方程、Shock狀態(tài)方程、von Mises屈服準則和Geometric-Strain失效模型進行描述[18]。通過計算機仿真計算，經過49 263個循環(huán)后，8701藥柱由于爆炸后體積迅速膨脹，已完全占據(jù)原空氣場區(qū)域。破片飛出空氣場后，完整性較好，沒有出現(xiàn)碎裂情況，因此30CrMnSiA材料的速度即為破片速度。也可通過在破片上設置Gauges Point，通過測試點速度的變化來獲得破片速度。

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

3 結 語

本文使用8701炸藥藥柱加速30CrMnSiA材質的立方體破片，運用網靶測速系統(tǒng)對破片飛行速度進行了測算。使用AUTODYN有限元分析軟件對破片侵徹鋼質靶板實驗結果進行了驗證，結果表明：

圖8 破片速度 圖9 破片擊穿鋼質靶板過程

圖10 收集的殘片

(1) 通過在破片上加裝樹脂彈托，可以有效降低炸藥爆轟瞬間破片的飛行偏移量，提高實驗成功率，由于彈托質量輕、體積小，對破片速度影響結果可以忽略不計。

(2) 本實驗中，運用測速金屬網靶測算破片速度時，網靶1同炸藥距離要大于3 m，如果二者距離過近，由于爆轟波速度遠大于破片飛行速度，會首先擊斷測速網靶金屬絲，致使實驗難以測出破片速度。

(3) 破片的飛行速度與藥柱長度成正比，通過壓制一定尺寸的炸藥柱，可以將破片加速到預定的速度。通過AUTODYN軟件可以有效模擬一定長徑比的炸藥柱驅動不同質量破片所能達到的速度。由于炸藥爆轟瞬間，其能量沒有形成約束，爆轟能量會向各個方向發(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號鋼質靶板仿真結果同實驗結果吻合較好，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)，可以為侵徹問題研究提供有益參考。

參考文獻(References)：

[1] 曹鳳霞. 爆炸綜合毀傷效應研究[D]. 南京:南京理工大學, 2008.

[2] 馬光勇, 羅興柏, 張玉令. 國內破片速度測試技術研究近況及發(fā)展趨勢[J]. 四川兵工學報, 2009(9): 125-127.

[3] 張華麗. 典型破片速度衰減規(guī)律實驗研究[D]. 南京:南京理工大學, 2015.

[4] 李 軍, 嚴 萍, 袁偉群. 電磁軌道炮發(fā)射技術的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 高電壓技術, 2014(4): 1052-1064.

[5] 楊相禮, 何 勇, 何 源. 圓柱形預制破片爆炸驅動仿真研究[J]. 兵工自動化, 2016(8): 9-12,41.

[6] 肖統(tǒng)超, 陳 文, 王紹慧, 等. 不同破片殺傷元對飛機油箱的毀傷試驗[J]. 四川兵工學報, 2010(12): 32-34.

[7] 沈曉樂, 朱 錫, 侯海量, 等. 高速破片侵徹防護液艙試驗研究[J]. 中國艦船研究, 2011(3): 12-15.

[8] 李麗萍, 孔德仁, 易春林, 等. 戰(zhàn)斗部破片速度測量方法綜述[J]. 測控技術, 2014(11): 5-7,13.

[9] 項續(xù)章, 劉雁安. 戰(zhàn)斗部破片通靶測速法[J]. 兵工學報, 1990(3): 64-69.

[10] 李世民, 李曉軍, 郭彥朋. 基于AUTODYN對彈丸高速碰撞靶體的數(shù)值模擬[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2013(4): 621-625.

[11] 石少卿,汪 敏, 孫 波. AUTODYN工程動力分析應用實例[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[12] 胡昌明, 賀紅亮, 胡時勝. 45號鋼的動態(tài)力學性能研究[J]. 爆炸與沖擊, 2003(2): 188-192.

[13] 童宗保. 2-3 km/s初速下破片對金屬薄靶和屏蔽炸藥的毀傷效應研究[D]. 南京:南京理工大學, 2015.

[14] 李建光, 施 琪, 曹結東. Johnson-Cook本構方程的參數(shù)標定[J]. 蘭州理工大學學報, 2012(2): 164-167.

[15] 周義清. 30CrMnSiNi2A鋼的動態(tài)性能研究[D]. 太原:中北大學, 2007.

[16] 李鐵鵬, 喬相信, 于 鋒, 等. 定向驅動預制破片戰(zhàn)斗部數(shù)值模擬與試驗[J]. 彈箭與制導學報, 2013(1): 89-92.

[17] 王智慧, 紀 偉, 侯圣英, 等. AUTODYN中接觸算法對穿甲問題仿真結果的影響[J]. 兵器材料科學與工程, 2014(4): 8-11.

[18] AUTODYN Users Manual[M]. California: Century Dynamics Corporation, 2005.