侵徹單層和多層靶時戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點生成機理研究

成麗蓉，汪德武，賀元吉

(96901部隊，北京 100094)

0 引言

高速鉆地戰(zhàn)斗部可有效毀傷地下深層堅固目標，但隨著撞擊速度不斷提高，經(jīng)歷沖擊環(huán)境越來越高、持續(xù)時間越來越長，內(nèi)部裝藥容易出現(xiàn)損傷并發(fā)生點火，導致早燃或早炸，戰(zhàn)斗部裝藥侵徹安定性已成為高速鉆地戰(zhàn)斗部發(fā)展的瓶頸技術(shù)。

國外軍事強國為解決戰(zhàn)斗部裝藥抗高過載問題，在降低炸藥配方感度、改進裝藥結(jié)構(gòu)、熱點產(chǎn)生機制及安全性評估技術(shù)方面進行了大量工作。在炸藥配方方面，上世紀末美國軍方陸續(xù)開發(fā)了塑性粘結(jié)炸藥PBXN-109與AFX-575、澆注成型溫壓炸藥PBXIH-135、熔鑄炸藥AFX-1100、壓裝炸藥PAX-3等多種鈍感炸藥用于鉆地戰(zhàn)斗部[1]。為提高安全性，通過在戰(zhàn)斗部前端填充惰性物衰減撞擊過程中應力波作用，采用外圍鈍感、內(nèi)層高威力的雙層裝藥結(jié)構(gòu)，改進裝藥工藝以減少熱點產(chǎn)生概率。在裝藥損傷試驗方面，通過撞擊混凝土試驗[2-5]開展了戰(zhàn)斗部速度、著角對內(nèi)部裝藥損傷的研究，結(jié)果表明斜侵徹彈道越彎曲，裝藥損傷越嚴重，特別是裝藥尾部產(chǎn)生了宏觀可見裂紋。在熱點產(chǎn)生機制方面，裂尖加熱、位錯雪崩、氣泡壓縮、空隙塌陷、絕熱剪切[6-7]等多種機制均被作為熱點產(chǎn)生可能機制并開展大量研究；近年來隨著計算機運算水平提升，采用細觀數(shù)值方法建立炸藥微觀結(jié)構(gòu)來模擬炸藥內(nèi)熱點產(chǎn)生過程成為新的研究方向[8-12]。目前國內(nèi)也開展了大量研究工作：陳文等[13]研究了裝藥彈體侵徹前后外觀以及密度變化，給出了彈體不同位置裝藥的損傷情況，并進行了沖擊起爆隔板試驗；高金霞等[14]、李媛媛等[15-16]從鈍感炸藥配方、裝藥工藝、侵徹目標類型等方面開展了戰(zhàn)斗部裝藥安定性研究；魏強等[17]、蔡宣明等[18]利用K&C、Rivilin等本構(gòu)模型描述了炸藥高應變率下動態(tài)力學響應特性；張馨予等[19]、Yang等[20]將孔隙壓塌損傷、炸藥晶體破碎損傷、粘結(jié)劑脫粘等多種細觀損傷形式耦合到炸藥宏觀本構(gòu)模型中，研究了不同沖擊環(huán)境下炸藥裝藥的熱點形成機理。

戰(zhàn)斗部侵徹過程中，首先在裝藥內(nèi)產(chǎn)生壓縮應力波傳播，頭部裝藥的前沖和壓縮使得裝藥尾端面與金屬殼體之間產(chǎn)生空隙[16]。壓縮波傳播到裝藥尾端時發(fā)射拉伸波，裝藥內(nèi)將會經(jīng)歷反復傳播的壓縮和拉伸作用，特別是在戰(zhàn)斗部姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)變化時，裝藥還將受到剪應力作用。總之，各種不同形式的力交織在一起導致裝藥內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋、疏松、破碎等損傷現(xiàn)象。考慮到微孔洞和微裂紋代表炸藥材料損傷的常見模式，裂紋摩擦、孔洞塌縮兩種機制雖然不能完全真實反映熱點生成過程，但數(shù)理模型清晰，且方便耦合到宏觀炸藥本構(gòu)中，可較好模擬裝藥受力- 損傷- 點火規(guī)律。本文立足戰(zhàn)斗部裝藥侵徹安定性研究需求，從侵徹復雜力學環(huán)境、裝藥損傷、熱點生成機制3個方面，利用裂紋摩擦和含損傷孔洞塌縮兩個細觀生熱模型，分析戰(zhàn)斗部在單次或多次沖擊載荷作用下裝藥受力特點及生熱機制，揭示炸藥斷裂韌性及裝藥孔隙率對熱點產(chǎn)生的影響規(guī)律。

1 戰(zhàn)斗部裝藥熱點生成機制模型

1.1 含裂紋統(tǒng)計損傷的彈性- 黏塑性本構(gòu)模型

(1)

(2)

(3)

(4)

η為黏性系數(shù)，Y為屈服應力。

圖1 本構(gòu)模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果對比圖

在有限元分析軟件LS-DYNA中編制了UMAT本構(gòu)程序，開展了160 s-1、320 s-1、500 s-1應變率下PBX1的應力隨應變變化以及相應微裂紋擴展計算，描述了PBX1炸藥發(fā)生彈性變形、塑性屈服、微裂紋加速擴展并導致應力軟化過程，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，在500 s-1應變率下偏差較大，最大偏差約10%，主要因為高應變率下材料達到的最大應力數(shù)值增大，造成裂紋擴展加快，使得材料應力快速下降(見圖1(c))。

1.2 裂紋摩擦生熱機制

(5)

圖2 裂紋摩擦生熱以及含損傷孔洞塌縮生熱機制示意圖

1.3 孔洞塌縮生熱機制

在Whitworth[24]一維孔洞塌縮熱點模型基礎(chǔ)上，建立了耦合炸藥脆性損傷的孔洞塌縮模型[25](見圖2(b))，成功地模擬了微孔洞受力- 損傷- 塌縮生熱的物理過程。相比Whitworth模型，新模型可模擬百兆帕至千兆帕壓力持續(xù)毫秒時間作用下由于材料損傷導致的孔洞塌縮生熱。孔洞等效球殼的運動方程為

(6)

式中：ρ為密度；a為球殼內(nèi)徑；ps為施加在球殼的外壓力；pv和py為球殼運動的黏性力和彈塑性應力；D為模型損傷因子，

(7)

球殼內(nèi)徑塌縮運動產(chǎn)生的熱量為

(8)

式中：r為球殼內(nèi)位置對應半徑；u為球殼不同位置處的運動速度。

2 不同沖擊載荷下戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點生成研究

2.1 裝藥損傷及熱點生成研究

在LS-DYNA軟件中建立了戰(zhàn)斗部和靶板模型(見圖3)：單層靶為1 m厚，多層薄靶首層為0.3 m、其他層為0.2 m、層間隔3.0 m，兩種混凝土靶強度均為40 MPa；戰(zhàn)斗部長1.3 m，直徑φ0.3 m.戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點生成具體計算流程如圖4所示，根據(jù)含裂紋統(tǒng)計損傷的彈性- 黏塑性本構(gòu)模型計算的裝藥單元應力結(jié)果，將靜水壓力ps以及3個主應力σ1、σ2、σ3用作微裂紋擴展、裂紋面閉合狀態(tài)檢查、裂紋摩擦生熱計算；將靜水壓力ps用作孔洞塌縮及生熱計算；同時，單元內(nèi)裂紋擴展通過損傷因子D關(guān)聯(lián)到彈性- 黏塑性本構(gòu)模型中。

圖3 侵徹單層靶和多層靶仿真圖片

圖4 計算流程圖

PBX1炸藥熔化溫度取200 ℃、點火溫度取500 ℃，在分析裝藥安全性時，通過對比裝藥內(nèi)最高溫升和熔化溫度，如超過200 ℃則認為存在產(chǎn)生熱點可能。

圖5 侵徹單層靶戰(zhàn)斗部裝藥損傷及溫升分布云圖

裂紋摩擦生熱機制仿真結(jié)果表明，侵徹單層靶時戰(zhàn)斗部頭部裝藥受力最大，頭部區(qū)域損傷及溫升較為顯著(見圖5)。圖6為侵徹速度700 m/s下戰(zhàn)斗部最高溫升單元所受壓力及摩擦溫升變化情況，可見隨著壓力增加裝藥內(nèi)微裂紋發(fā)生擴展并摩擦生熱，但由于侵徹時間較短，總體溫升不大，最高溫度180 ℃未超過熔化溫度。

圖6 侵徹單層靶裝藥內(nèi)壓力及裂紋面溫升情況

侵徹多層靶時，戰(zhàn)斗部多次沖擊使得內(nèi)部裝藥多次與殼體撞擊，裝藥承受反復壓縮、拉伸以及姿態(tài)偏轉(zhuǎn)引起的高應力等聯(lián)合作用，使得裝藥內(nèi)微裂紋發(fā)生擴展并產(chǎn)生熱點，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可知頭部和尾部裝藥溫升都比較顯著，圖8表明隨著侵徹層數(shù)增加裝藥內(nèi)部裂紋開始快速擴展，并導致摩擦溫升以及熱點產(chǎn)生，圖8中v為侵徹速度。仿真還表明，戰(zhàn)斗部侵徹速度越高，裝藥受力越大，裂紋面局部溫升越高，侵徹速度700 m/s下裂紋面摩擦溫升變化迅速。

圖7 侵徹多層靶戰(zhàn)斗部裝藥損傷及溫升分布云圖

圖8 不同速度侵徹多層靶裝藥裂紋面溫升情況

孔洞塌縮生熱機制仿真結(jié)果表明：對于單層靶，在計算侵徹速度600～800 m/s范圍內(nèi)，裝藥內(nèi)壓力較低(120 MPa)、作用時間較短(4 ms)，孔洞內(nèi)溫升未超過10 ℃，不會產(chǎn)生熱點；對于多層靶，圖9(a)給出侵徹速度600 m/s條件下戰(zhàn)斗部尾部區(qū)域裝藥單元所受壓力峰值與單層靶相當，但經(jīng)歷長時間(約15 ms)持續(xù)振蕩作用。圖9(b)給出了孔洞內(nèi)徑運動過程，開始屬于彈性階段，基本無溫升；當孔洞內(nèi)材料損傷一定程度時，孔洞內(nèi)徑運動加快，溫升快速升高，熱點產(chǎn)生對應戰(zhàn)斗部侵徹第4層。圖10給出相同孔隙率裝藥不同侵徹速度下孔洞塌縮生熱情況，500 m/s速度下溫升很小、不會產(chǎn)生熱點，侵徹速度700 m/s下產(chǎn)生熱點最容易。

圖9 侵徹多層靶裝藥受力及孔洞塌縮溫升情況(v=600 m/s)

圖10 不同速度下侵徹多層靶裝藥孔洞塌縮溫升情況

高金霞等[14]開展了戰(zhàn)斗部侵徹單層靶和多層靶的裝藥安定性試驗研究，高速(600 m/s、670 m/s)條件下戰(zhàn)斗部通過單層靶的考核試驗，但低速(580 m/s)下多層靶試驗彈體在撞擊最后一層時發(fā)生爆燃，并對同狀態(tài)下回收的惰性裝藥彈體進行了CT檢測，發(fā)現(xiàn)多層靶裝藥尾部固體惰性物碎裂并有前沖現(xiàn)象。本文利用裂紋摩擦和孔洞塌縮兩種機制解釋了相關(guān)試驗現(xiàn)象，得出多次沖擊環(huán)境導致了侵徹多層靶裝藥不安定。對于單層靶，裝藥內(nèi)壓縮和拉伸次數(shù)少且持續(xù)時間短，孔洞塌縮機制在此力學環(huán)境下溫升不顯著，而裂紋摩擦機制會產(chǎn)生一定溫升，并且速度越高、受力越大、溫升越高。對于多層靶，裝藥內(nèi)壓縮和拉伸次數(shù)多且持續(xù)時間長，孔洞塌縮和裂紋摩擦兩種機制均表明速度越高、溫升越快，而且戰(zhàn)斗部尾部裝藥也容易產(chǎn)生熱點。裂紋摩擦機制主要與剪切應力、法向應力，以及摩擦作用時間相關(guān)，孔洞塌縮主要與壓力及作用持續(xù)時間相關(guān)，兩種熱點機制考慮了不同力學變量，給出的結(jié)論也存在差異。在裝藥侵徹安定性分析時，考慮到裝藥內(nèi)部力學環(huán)境復雜，兩種熱點生成機制互為補充，以降低各種潛在風險。

2.2 炸藥斷裂韌性、孔隙率影響規(guī)律研究

根據(jù)裂紋擴展理論[22]，裂紋擴展速率與炸藥自身斷裂韌性KIC密切相關(guān)，為此計算了侵徹速度600 m/s條件下，不同斷裂韌性炸藥裝藥侵徹4層靶標后微裂紋摩擦溫升情況，可見炸藥自身斷裂韌性越低，裂紋越容易擴展，裂紋面局部溫升越高(見圖11)。

圖11 侵徹多層靶炸藥斷裂韌性對裝藥裂紋面溫升影響

圖12 炸藥初始孔隙率對多層靶裝藥孔洞塌縮溫升影響

在孔洞塌縮機制中，初始孔隙率代表炸藥內(nèi)部缺陷大小，計算了初始孔隙率1%、2%、5%裝藥在戰(zhàn)斗部侵徹中熱點產(chǎn)生過程，計算結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出：孔隙率5%對應戰(zhàn)斗部侵徹第3層靶板時產(chǎn)生熱點，孔隙率2%和1%對應戰(zhàn)斗部侵徹第4層靶板時產(chǎn)生熱點，可見初始孔隙率越大，侵徹過程中戰(zhàn)斗部裝藥越不安全。

3 結(jié)論

本文采用裂紋摩擦和含損傷孔洞塌縮生熱模型，用于描述戰(zhàn)斗部侵徹單層和多層兩種典型靶板的復雜動態(tài)力學環(huán)境、裝藥損傷及熱點生成過程，解釋了侵徹單層靶和多層靶時裝藥損傷以及點火機理和相應試驗現(xiàn)象。得出以下結(jié)論：

1)相比單層靶，戰(zhàn)斗部侵徹多層靶時經(jīng)歷多次沖擊以及侵徹姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，更容易使得裝藥發(fā)生損傷，由于裂紋擴展以及裝藥內(nèi)應力持續(xù)振蕩，導致熱點產(chǎn)生，而且戰(zhàn)斗部裝藥頭部和尾部都是熱點產(chǎn)生的危險部位。

2)通過不同速度下侵徹兩種類型靶標，以及炸藥斷裂韌性、初始孔隙率等因素仿真分析，得出：戰(zhàn)斗部速度越高或姿態(tài)偏轉(zhuǎn)越嚴重，炸藥受力越大，越容易產(chǎn)生熱點；戰(zhàn)斗部內(nèi)裝藥受沖擊次數(shù)越多、持續(xù)時間越長，越容易產(chǎn)生熱點；炸藥本身力學性能越低或初始孔隙率越大，越容易產(chǎn)生熱點。因此通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，穩(wěn)定侵徹彈道，改善裝藥力學環(huán)境，減少在殼體內(nèi)振蕩過程，提高炸藥材料自身強度性能，降低裝藥初始微裂紋、微孔洞等疵病，均是提高裝藥侵徹安全性的有效手段。

3)本文主要研究了裂紋摩擦與孔洞塌縮兩種點火機制，考慮到侵徹安定性機制涉及影響因素多，如剪切層間滑移和絕熱剪切帶滑移等機制也可生熱，不同熱點生成機制用于解釋不同物理現(xiàn)象；此外，局部炸藥高溫升會產(chǎn)生瞬間熔化和快速再結(jié)晶，生成微小超硬炸藥顆粒，在侵徹下一個靶板時，容易產(chǎn)生應力集中，使炸藥爆燃；總之，熱點生成過程屬于多尺度耦合問題，如何在宏觀本構(gòu)方程中引入表征多種熱點生成機制的力學- 熱學- 化學數(shù)理模型是未來研究重點方向。