新型復合隔爆結構在串聯裝藥中的應用研究

朱福林，陳 陽，馬寶成，武敬博，向召利

(四川航天電子設備研究所， 成都 610100)

串聯裝藥戰斗部是近幾年導彈戰斗部設計者研究的重點。由于導彈結構空間和重量的限制，使得兩級距離較小，所以前級戰斗部爆炸對后級裝藥的影響很大，主要包括[1]：前級爆炸后形成的空氣沖擊波超壓可能損壞藥型罩，引爆后級裝藥以及干擾后級裝藥射流的形成及其運行規律；戰斗部爆炸的爆轟產物(引信本體、彈丸艙體等)可能會對后級裝藥的成型和形狀造成破壞。因此，設計添加的隔爆結構應實現兩級裝藥的隔爆防護。

徐浩銘等[2]利用數值模擬和實驗研究了串聯聚能裝藥隔爆結構對后級裝藥侵徹能力的影響，結果表明底部開口形狀的隔爆體更適合作為串聯聚能裝藥的隔爆結構。徐全軍等[3]通過理論計算出爆炸性裝置的安全隔爆距離，設計了一種逆向抗爆裝置用來驗證聚氨酯材料和空氣共同作用下的隔爆性能，比較分析得出炸高大于130 mm且聚氨酯厚度大于30 mm時，能夠滿足隔爆裝置的設計要求，但是理論計算出的沖擊波壓力有待于試驗的驗證。國內外學者對單一材料隔爆結構的串聯戰斗部進行了大量理論和試驗研究，結果表明，單一材料只能依靠增加隔爆結構的厚度來削弱沖擊波的強度，這將導致戰斗部重量及成本的增加，同時由于隔爆體厚度的增加也會影響后級裝藥的侵徹能力。近年來，多層組合介質用于隔爆吸能方面己得到國內外很多學者的關注。Liu H等[4]利用試驗研究了鋼和泡沫鋁組成的復合結構在爆炸載荷下的響應，復合結構的沖擊波峰值壓力較單一的鋼材料削減了60%以上，獲得了閉孔泡沫鋁密度對沖擊波衰減的影響。

基于以上所述，本文在前人研究的基礎上，提出了一種由隔爆板和隔爆罩組成的新型復合隔爆結構。運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，研究有、無隔爆板和不同隔爆罩結構對復合隔爆結構抗爆能力的影響，并開展了相應的抗爆試驗進行驗證，該研究結果可為破-破型串聯戰斗部結構設計提供參考依據。

1 數值模擬

本文設計的新型復合隔爆結構由隔爆板和隔爆罩組成。與前級裝藥相鄰的為隔爆板，用于吸收前級裝藥爆炸產生的能量，而隔爆罩的作用是抗破片的侵徹作用，其結構設計成內凹形，目的是為了給后級射流留出成形空間。

1.1 結構模型及參數

復合隔爆結構及串聯聚能裝藥結構尺寸示意圖如圖1，其中裝藥長徑比為1.4，前級引信與隔爆罩距離為H=90 mm，隔爆罩與后級裝藥距離為定值。材料模型及參數來源于文獻[5-9]，見表1。

圖1 串聯聚能裝藥結構尺寸示意圖

名稱 材料 本構模型空氣空氣Null裝藥8701High_Explosive_Burn藥形罩紫銅Johnson_Cook引信本體LY-12鋁Plastic_Kinematic彈丸艙體ZK61M鎂Plastic_Kinematic隔爆罩LC4鋁Plastic_Kinematic隔爆板LY-12鋁Plastic_Kinematic尼龍套PA66尼龍Plastic_Kinematic

1.2 數值模型的建立

為避免出現網格畸變造成計算終止，炸藥、空氣和藥形罩網格采用多物質ALE算法，隔爆板、隔爆罩、引信本體、彈丸艙體均采用Lagrange算法，兩者之間采用流固耦合方法[10-11]。本文主要考察隔爆罩結構和有無隔爆板的復合隔爆結構對前級裝藥爆炸后的抗爆能力，通過觀察隔爆罩的破壞程度以及隔爆罩錐面單元的應力隨時間變化曲線來判斷抗爆能力的大小，其中隔爆罩錐面處的應力曲線通過設置高斯點來獲取。而在實際情況中，前級戰斗部爆炸的爆轟產物(引信本體、彈丸艙體)可能會對復合隔爆結構造成破壞，進而導致復合隔爆結構抗爆性能的降低，因此本文研究中加入等效的引信本體、彈丸艙體，以便更好的模擬真實情況。復合隔爆結構模型及網格如圖2所示。

圖2 結構模型及網格

2 仿真分析

2.1 有、無隔爆板對復合隔爆結構抗爆能力的影響

為了研究有、無隔爆板對復合隔爆結構抗爆能力的影響，本文隔爆罩均采用圓錐形結構。圖3為有、無隔爆板工況時隔爆罩形態與隔爆罩錐面單元的應力隨時間變化曲線。

計算結果表明，在無隔爆板的情況下，隔爆罩罩頂大部分單元的應力值均在500 MPa以上，超過了材料的屈服極限430 MPa，致使隔爆罩罩頂出現嚴重塑性變形，而帶有隔爆板的隔爆罩罩頂亦有小部分單元應力值在450 MPa以上，致使罩頂部出現塑性變形，進而導致失效形成破孔。由仿真結果分析可知，沖擊波比破片傳播速度更快，當在有隔爆板的條件下，隔爆板會先吸收部分前級爆炸的能量，剩余的能量和破片再作用于隔爆罩，而無隔爆板的條件下，沖擊波與破片都直接作用于隔爆罩。最后的仿真結果亦說明在有隔板的情況下，隔爆效果更好。

2.2 隔爆罩結構對復合隔爆結構抗爆能力的影響

為了研究隔爆罩帶尼龍套結構的抗爆性能，在帶隔爆板的隔爆罩狀態下添加附有尼龍套的結構作對比。圖4為附有尼龍套隔爆罩結構及尼龍套與隔爆罩錐面單元的應力隨時間變化曲線。

計算結果表明，尼龍套罩頂最大應力為122 MPa，已超過其選用材料PA66尼龍的破壞極限(82 MPa)，尼龍套大部分被破壞，而隔爆罩錐面絕大部分單元的應力均小于400 MPa，小于材料的屈服極限(430 MPa)。由仿真結果分析可知，與無尼龍套的復合隔爆結構相比，尼龍套對經隔爆板衰減后沖擊波和破片進行再一次的能量衰減和抗破片侵徹作用，繼而使得隔爆罩滿足隔爆性能要求。

圖3 有、無隔爆板情況下的應力-時間曲線

圖4 附有尼龍套結構的應力-時間曲線

由上分析可知，在帶有尼龍套的條件下，隔爆罩整體完好、未破裂，說明該結構的復合隔爆罩對前級戰斗部爆炸后產生的爆轟產物、破片等有較好的隔離性能。

3 抗爆試驗研究

圖5為試驗布置圖，主要由隔爆結構和前級戰斗部組成。

圖5 試驗布置圖

為了分析有、無隔爆板對復合隔爆結構抗爆能力的影響，進行了兩發驗證性試驗，其中，1#為無隔板的隔爆罩，2#為帶隔板的隔爆罩，試驗結果見圖6均為破裂，與數值結果相同。

圖6 有、無隔爆板的抗爆能力試驗結果

為了驗證隔爆罩結構對復合隔爆罩性能的影響，同時為數值模擬結果提供事實依據，進行了1發不同結構隔爆罩的復合隔爆結構驗證性試驗(帶有尼龍套)，其中，3#彈隔爆罩和隔爆板與(3.2)相同，不同的是該彈在隔爆罩上添加了尼龍套，試驗結果完好見圖7與數值結果相同。

表2為數值仿真和抗爆試驗后隔爆罩罩頂破壞尺寸統計表。

圖7 附有尼龍套的隔爆罩試驗結果

試驗編號試驗結果/mm數值結果/mm無隔爆板19.4×17.920.4×18.8有隔爆板6.8×6.57.4×7.2帶尼龍套隔爆罩未破未破

從孔徑上可以看出：數值模擬結果和試驗結果基本相似；從隔爆罩形態上亦可以看出兩者基本吻合。但是仿真值得孔徑要大于試驗值，原因可能是數值仿真中隔爆罩材料已失效，而試驗中的隔爆罩材料會有殘留導致的，進而造成兩者間的細微誤差，誤差小于10%。

4 結論

通過數值模擬和試驗驗證，分析了有、無隔爆板和不同結構隔爆罩對復合隔爆結構抗爆能力的影響，得到兩者規律基本相似，結果基本吻合，誤差小于10%。

此外得到了由隔爆板和附有尼龍套的隔爆罩組成的復合隔爆結構具有更好的抗爆能力。