泡沫鋁墊片厚度在侵徹過程中緩沖性能研究

姜星辰，程 翔，張錦明

(南京理工大學 機械學院，南京 210094)

戰斗部在侵徹混凝土過程中，會受到巨大的沖擊作用。作為內部控制核心的引信，在侵徹過程中承受著高達數萬G的過載，導致內部元器件無法正常工作，降低內部元器件承受過載是當前國內外學者關注的熱點與難點[1-4]。 Alsakarneh A分析了多層緩沖材料防護下的電子系統受沖擊載荷的問題，獲知與軟、硬橡膠以及軟木塞材料的防護層比較，環氧類的粘彈性材料防護層的厚度影響電子系統抗沖擊性能的作用更大[1]; Chakka V等設計了碳纖維環氧的壓層材料作為彈體內電子器件的緩沖層，分析得到碳纖維環氧中纖維所占體分數以及壓層材料的厚度是影響其緩沖沖擊的因素[2]。在國內，楊哲研究分析了不同孔隙率的泡沫鋁墊片對引信結構緩沖作用的影響[3]; 楊陽通過數值仿真發現在侵徹過程中，聚四氟乙烯墊片可以起到一定的緩沖作用，但緩沖效果隨墊片厚度的變換并不明顯[4]。

以上研究內容均將引信作為一個整體進行研究，未考慮其中的電路板結構承受的過載，本文通過對引信內部結構進行建模，利用Ls-dyna軟件對侵徹過程進行仿真，獲得引信內部電路板承受的沖擊過載。通過調整泡沫鋁墊片的厚度，研究電路板過載的變化，墊片的緩沖能力主要體現在使電路板上的過載減小，添加墊片后電路板上過載越小，表示墊片的緩沖性能越好。試驗結果對引信防護設計具有工程指導意義。

1 仿真軟件

Ls-dyna程序是功能齊全的幾何非線性(大位移、大轉動和大應變)、材料非線性(140多種材料動態模型)和接觸非線性(50多種)程序。它以Lagrange算法為主，兼有ALE和Euler算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體-結構耦合功能；以非線性動力分析為主，兼有靜力分析功能。

Ls-dyna軟件在進行數值模擬時，所采用計算方法為有限元法，通過Ls-dyna對彈體侵徹進行數值模擬時主要可分為以下幾步：

1) 對模型進行網格劃分后，將時間離散成時間序列：t=0,t1,t2，…，tm,tm+1…。

3) 計算下一步時間步長Δti+1。

4) 彈體與靶體接觸的處理。

5) 將節點撞擊力作為已知條件，求解出節點位移Ui+1。

7) 返回第3)步，直到計算結束。

2 仿真模型建立

2.1 建立幾何模型

本文研究的侵徹模型如圖1所示，彈體直徑125 mm，長度428 mm；引信殼體直徑40 mm，長度60 mm，厚度為2 mm；電路板厚度為2 mm；泡沫鋁墊片夾在引信殼與彈體之間；靶體尺寸為1 000 mm×1 000 mm×300 mm。為研究泡沫鋁墊片厚度對緩沖性能的影響，建立未添加緩沖墊片的彈引模型與添加墊片的彈引模型兩類模型，其中墊片模型中墊片的厚度分別為4 mm，8 mm，12 mm。由于模型都是對稱結構，且本文研究對象為正侵徹，沖擊具有軸對稱特性，因此所有模型取1/4部分進行仿真。

2.2 設定材料參數

材料參數如表1與表2所示，彈體材料為35CrMnSi，引信材料為鋁，由于彈體與引信殼本身變形很小可視為剛體，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC( 塑性隨動硬化模型)，用Cowper-Symonds 模型[5]考慮應變率，屈服應力如式(1)：

(1)

表1 材料參數

墊片材料選用泡沫鋁，采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型。泡沫鋁是一種擁有良好的物理性能和機械特性的多功能新型復合工程材料。可在沖擊過載下發生塑性變形，把沖擊能量轉換成塑性內能。在單向的壓縮載荷下,泡沫鋁的應力-應變曲線如圖2所示，可以分為3個階段：孔壁彈性彎曲階段、孔壁逐漸被壓垮的屈服平臺階段和孔壁完全坍塌壓實而引起的應力迅速增加的密實化階段。

表2 混凝土相關參數 cm-g-μs

靶選為素混凝土，采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET模型，其屈服應力如式(2)：

(2)

彈體的初始速度為850 m/s，在彈體以及內部元件的所有節點添加沿彈體軸線的初速度，設置的計算時間是1 200 μs。

3 仿真結果

將hypermesh處理的模型導出成k文件，利用Ansys/Ls-dyna求解器進行求解并利用Ls-PrePost提取模型中電路板上的加速度曲線。仿真結果如圖4所示。

圖4(a)～(d)中是不同模型中兩塊電路板的加速度曲線，2號曲線為靠近彈尾的電路板的曲線，可見比靠近彈頭的電路板上受到的過載稍大，但整體上兩塊電路板加速度曲線數值與趨勢差距較小，因此取加速度較大的曲線進行結果分析。

為定量分析泡沫鋁墊片對于侵徹引信的緩沖防護效果，這里以加速度峰值作為特征值。通過比較添加墊片后引信承受的最大加速度值與未添加墊片引信承受的最大加速度值，來說明泡沫鋁的緩沖效果。

由圖4(a)中可以看出，電路板在160 μs左右加速度出現峰值，大約為40 000 g，由于結構較為復雜，在之后的侵徹過程中，電路板上的加速度波動很大并且最大值達到幾乎為100 000 g。

圖4(b)(c)(d)為添加了墊片的模型中電路板的加速度曲線。加速度曲線在180 μs左右出現峰值約為25 000 g，相比無墊片的曲線減小了約40%，之后波動的峰值也由100 000 g減小至約40 000 g，相比減小約60%。同時對比圖4(a)曲線，圖4(b)(c)(d)中曲線的脈寬也明顯變寬。由此可見，墊片起到了緩沖的作用，并且隨著墊片加厚，加速度曲線的峰值有些許變小，脈寬逐漸變寬，說明增加厚度可以輕微提升墊片的緩沖性能。但是之后的曲線波動并沒有隨墊片厚度提升而變小，這是因為在侵徹過程中，墊片自身會發生變形，在3個模型中，墊片厚度在中心處被拉長的最大值分別為0.093 mm、0.099 mm、0.123 mm，而電路板在震蕩部分最大的沖擊約為35 000 g、60 000 g、42 000 g。可見墊片本身的變形會對電路板上的沖擊產生較大的影響。

4 結論

通過對引信內部結構進行細致建模，建立了采用泡沫鋁墊片的彈引連接模型，利用Ls-dyna數值仿真軟件對侵徹過程進行仿真，研究泡沫鋁墊片厚度對引信緩沖防護的影響，得到以下結論:

添加墊片可以減小侵徹過程中彈體內部元器件受到的沖擊，起緩沖作用，增加墊片厚度可以提升緩沖性能但影響很小。

墊片本身的變形會對侵徹過程中彈體內部元器件受到的沖擊產生影響，該影響較復雜且無法忽視。墊片能起到的緩沖作用有限，為了確實保證彈體內部元器件的正常工作，需要再采取其他措施。