破片沖擊對復(fù)合殼體裝藥起爆的影響

劉沫言，焦志剛，梁 昊

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引言

高速破片是攔截戰(zhàn)斗部的重要手段，為防止戰(zhàn)斗部被反導(dǎo)破片擊中，使其提前失效，故研究戰(zhàn)斗部不敏感技術(shù)已成為當(dāng)今熱點。其問題的實質(zhì)是破片對帶殼裝藥的沖擊起爆，所以用高效耗能的殼體材料來削弱沖擊波強度成為防護(hù)領(lǐng)域的重點研究問題。

目前眾多學(xué)者在破片撞擊不敏感戰(zhàn)斗部方面進(jìn)行了大量研究，在單層殼體及不敏感炸藥方面有顯著成效，但對破片沖擊起爆復(fù)合殼體裝藥的研究較少。宋浦等[1]進(jìn)行了常規(guī)破片撞擊引爆裝藥的毀傷試驗，試驗結(jié)果與工程判據(jù)相結(jié)合，給出了破片沖擊起爆柱形殼體裝藥的臨界速度閾值。童宗保等[2]建立了屏蔽炸藥在破片斜沖擊狀態(tài)下的理論模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過二者結(jié)果對比，驗證了理論方法的有效性。張濤等[3]將戰(zhàn)斗部簡化為帶殼裝藥，通過設(shè)置3種墊層材料，研究破片對其沖擊起爆的強弱，其結(jié)果表明控制合理的匹配關(guān)系可有效抑制沖擊波毀傷。Howe[4]發(fā)現(xiàn)了破片在撞擊帶殼裝藥過程中，沖塞過程易形成剪切，由于剪切帶溫度過高引起裝藥引爆；Dickinson等[5]通過研究發(fā)現(xiàn)破片撞擊帶殼裝藥的位置、角度對傳輸?shù)秸ㄋ幹械哪芰考皦毫τ兄匾绊懀墒蛊鸨瑤ぱb藥的臨界速度變化。Melosh等[6]對不同速度破片撞擊炸藥的起爆行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了低速破片撞擊炸藥時的延時沖擊起爆行為。

文中設(shè)計了由鎢、聚乙烯、氧化鋁按6種組合方式構(gòu)成的復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)，分析了破片所產(chǎn)生的沖擊波在不同材料阻抗排列情況下的衰減特征以及沖擊波壓力，基于最佳阻抗匹配結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值模擬來研究各層殼體厚度變化對沖擊波衰減的影響規(guī)律。

1 破片沖擊復(fù)合殼體沖擊波衰減特性分析

根據(jù)宋浦等提出的p=Au2來分析沖擊波在多層介質(zhì)中的傳播[1]，其中A為材料的波阻抗，如圖1所示，曲線1～曲線3分別表示不同材料的Hugoniot關(guān)系曲線，由原點出發(fā)與Hugoniot關(guān)系曲線上某點連線的斜率越大，介質(zhì)的阻抗越大，圖中反映了沖擊波壓力pb從介質(zhì)A傳入介質(zhì)B的情形，分界面處的狀態(tài)既在反射波Hugoniot曲線1′上，也在介質(zhì)B的透射波Hugoniot曲線上，即a點狀態(tài)。同理，沖擊波從介質(zhì)A傳入介質(zhì)C時，狀態(tài)從b點變?yōu)閏點[7]。

圖1 波在分層材料中的傳播

假設(shè)介質(zhì)處于高壓條件下，且沖擊波初始狀態(tài)為b點，根據(jù)p=Au2則曲線1′可表示為[8]:

p=A1(u-2ub)2u<2ub

(1)

則對于c點

p=A1(u-2ub)2=A2u2u<2ub

(2)

(3)

由式(3)可以得出沖擊波傳播n層介質(zhì)后的透射系數(shù)：

(4)

由此可知對于相同層數(shù)(n)的介質(zhì)來說，存在某種順序的排列結(jié)構(gòu)，使得分母Sn存在最大值。

(5)

即透射系數(shù)Tn存在最小值，以利于殼體對沖擊波的削弱。

2 破片沖擊復(fù)合殼體裝藥模擬仿真

2.1 復(fù)合殼體仿真模型

基于AUTODYN數(shù)值模擬軟件建立模型，如圖2所示。

圖2 復(fù)合殼體仿真模型

大量參考文獻(xiàn)表明破片初速一般在1～3 km/s之間，故文中破片速度選取3 km/s，破片尺寸半徑×高度為6 mm×20 mm，破片距殼體上表面間隙為0.1 mm；被發(fā)炸藥尺寸半徑×高度為35 mm×70 mm。模型采用三層等厚殼體設(shè)計，每層殼體厚度為10 mm，以保證研究范圍覆蓋大部分常規(guī)戰(zhàn)斗部殼體厚度[9]，為了更好的觀察爆炸沖擊波在分層殼體中傳播過程，設(shè)置觀測點(圖中測點12～測點17)分別位于每層殼體的上下表面，以獲得殼體中壓力、能量等基本參量的變化，在炸藥內(nèi)部每隔1.75 mm設(shè)置觀測點，可通過觀測點處的壓力大小作為炸藥是否起爆的依據(jù)。由于破片撞擊過程中殼體的變形量較大，為了保證網(wǎng)格劃分中算法的收斂性，分別對殼體材料進(jìn)行了SPH網(wǎng)格劃分，對鎢合金破片、COMPBJJ1炸藥進(jìn)行了Lagrange網(wǎng)格劃分。

基于所選定的3種材料，根據(jù)阻抗大小設(shè)計了不同材料組合的阻抗排序方案，每種方案的組合方式如表1所示，表中第一層距破片最近，第三層與破片的距離最遠(yuǎn)。

表1 三層殼體材料組合方案

2.2 破片對不同材料排序復(fù)合殼體沖擊的數(shù)值模擬

為了研究不同材料組合對帶殼裝藥抗沖擊起爆的響應(yīng)特性，提取殼體上觀測點12～觀測點17的壓力如圖3所示，由于各方案材料的阻抗匹配不同，導(dǎo)致各方案的輸出壓力在各分界面上存在著突變，從第一層觀測點16～觀測點17可以看出除方案5、方案6在沖擊波傳播過程中壓力驟降外，其他方案在經(jīng)破片與第一層介質(zhì)接觸后，壓力均呈現(xiàn)上升趨勢，而出現(xiàn)此種現(xiàn)象的特征均是第一層材料阻抗值在中、小程度，故在研究多層防護(hù)結(jié)構(gòu)時，外層材料阻抗值應(yīng)選擇較大的，以盡快消除沖擊波壓力峰值[10]。

圖3 不同材料組合方案交界面壓力峰值

通過數(shù)值模擬結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)同組中方案6的最終輸出壓力為1.988 GPa，而方案1至方案5的輸出壓力分別為7.263 GPa、6.838 GPa、4.879 GPa、2.614 GPa、6.396 GPa，故表明方案6阻抗排序為大-中-小在抑制破片侵徹方面有較強優(yōu)勢。

在多層結(jié)構(gòu)設(shè)計中，第一層與第二層介質(zhì)吸能越多對削減沖擊波壓力越有利，且輸入到第三層的能量越少越好。由圖4可以看出傳播到第三層殼體的最少能量為810.1 J，組合方式為方案6組合方案(鎢-氧化鋁-聚乙烯)。

圖4 不同組合方案第三層殼體輸入能量和內(nèi)能

2.3 破片對不同厚度匹配復(fù)合殼體沖擊的數(shù)值模擬

2.3.1 復(fù)合殼體厚度匹配方案

本節(jié)選取阻抗排列方式較好的鎢、氧化鋁、聚乙烯3種材料，共進(jìn)行了27種方案的數(shù)值模擬，仿真模型及條件均不變，僅改變各層材料的厚度，以研究不同厚度的帶殼裝藥對破片侵徹性能的影響，復(fù)合殼體厚度分配方案如表2所示。

表2 厚度分配方案 單位：mm

2.3.2 數(shù)值模擬

如圖5所示，給出了破片到達(dá)帶殼裝藥各層殼體分界面處的壓力。當(dāng)?shù)谝粚渔u殼體厚度不變時，從觀測點14～觀測點15可知，方案A3、A4、A5、A6在氧化鋁陶瓷層突現(xiàn)出對沖擊波較好的抑制能力，其4組方案在該層的壓力衰減量分別為：14.25 GPa、11.99 GPa、12.83 GPa、15.62 GPa，即氧化鋁陶瓷厚度增加，該層衰減能力明顯提高，隔離性增強；從整體方案A1～方案A9的壓力變化來說，方案A9的壓力減少量為114.014 7 GPa，而等厚度(方案A5)的壓力減少量為113.661 7 GPa，故方案A9優(yōu)于方案A5，說明存在合理的厚度匹配，可使帶殼裝藥的抗侵徹性能增加。

圖5 A組不同厚度方案各交界面處沖擊波壓力峰值

從圖6的觀測點12～觀測點13(即第三層殼體聚乙烯)得知，沖擊波經(jīng)該層殼體后，對峰值壓力衰減能力弱于第一、二層，其內(nèi)能的變化幅度較大，表現(xiàn)出較好的吸能性，綜合殼體的輸出能量及炸藥的輸入能量發(fā)現(xiàn)方案A9為本組中最優(yōu)方案。

圖6 A組方案各層殼體內(nèi)能分配變化趨勢

當(dāng)控制第二層氧化鋁陶瓷的厚度不變，改變鎢和聚乙烯的厚度，仿真結(jié)果如圖7所示。僅看第一層材料(鎢)觀測點16～觀測點17，隨著鎢殼體厚度的增加，方案B7由初始壓力值115.66 GPa持續(xù)衰減至14.072 GPa，減少了101.588 GPa，變化最為顯著，而對比B組中其他方案，B7、B8、B9較明顯得可以看出鎢殼體的衰減性能并不與材料的厚度呈線性關(guān)系，即各層材料的厚度有一定臨界值；在鎢與氧化鋁陶瓷材料的分界面處，根據(jù)阻抗匹配技術(shù)知，由于鎢的阻抗值大于氧化鋁陶瓷，沖擊波壓力會發(fā)生突變，故在分界面處沖擊波壓力會降低，且波阻抗差值越大，沖擊波峰值壓力降低的幅度越大[11]；盡管破片侵徹至氧化鋁陶瓷層的初始壓力不同，但在同一層上最終都表現(xiàn)出衰減能力，與等厚度的鎢相比，該層衰減能力弱于等厚度的鎢，其原因是二者波阻抗不同，而當(dāng)破片到達(dá)聚乙烯層時，隨著聚乙烯厚度的減小，該層在抑制破片侵徹方面，未呈現(xiàn)出較大的貢獻(xiàn)。

圖7 B組不同厚度方案各交界面處沖擊波壓力峰值

就破片所產(chǎn)生的沖擊波傳播到最后一層(聚乙烯)與炸藥界面處的峰值壓力而言，最后一層材料的阻抗值越小，則峰值壓力越小。如圖8所示隨著鎢殼體厚度的增加，其內(nèi)能逐漸減小，由于氧化鋁的阻抗值低于鎢，故在破片與氧化鋁分界面處內(nèi)能呈上升趨勢，待破片穩(wěn)定侵徹該層時，氧化鋁表現(xiàn)出一定的隔離性，有效抑制破片的侵徹，同理由于材料阻抗的差異，在第二、三層接觸面也存在內(nèi)能突變，但聚乙烯層內(nèi)能總體呈上升趨勢，是由于該材料具有一定的吸能特性，致使輸入炸藥的內(nèi)能也逐漸減少。

圖8 B組方案各層殼體內(nèi)能分配變化趨勢

控制第三層聚乙烯厚度不變，改變鎢和氧化鋁陶瓷的厚度，結(jié)果如圖9所示。發(fā)現(xiàn)仍然如前所述，在同一層材料傳播里，鎢殼體的厚度越大，沖擊波峰值壓力越小；當(dāng)鎢的厚度增加到18 mm 時尤其明顯，沖擊波壓力由初始值115.65 GPa衰減為1.6802 GPa，減少了113.97 GPa，其衰減程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他厚度分配透射出來的沖擊波峰值壓力；觀察當(dāng)破片侵徹氧化鋁陶瓷時，其壓力峰值的變化量隨著該層厚度的減小而減少。

由圖10可見，隨著鎢殼體厚度的增加，殼體的內(nèi)能的下降幅度也不斷增加，而氧化鋁陶瓷殼體的內(nèi)能也呈現(xiàn)出下降趨勢，聚乙烯材料在厚度不變的情況下，從方案C5、C6、C7、C8可以看出，該層殼體中內(nèi)能呈現(xiàn)出下降趨勢，致使輸入炸藥的能量降低，所以由此可見，在帶殼裝藥開始熱分解前，隨著殼體厚度的增加，在輸入炸藥能量的分配上，內(nèi)層聚乙烯吸收能量能力所占比例上升，使帶殼裝藥的內(nèi)能輸入能量減少，裝藥的反應(yīng)度降低。

由圖11可以看出，沖擊波在第三層(聚乙烯)與炸藥分界面處，因二者阻抗值的差異，炸藥的壓力明顯高于殼體的壓力，根據(jù)熱點理論，沖擊波將在被發(fā)裝藥中產(chǎn)生局部高溫，雖然炸藥尚未發(fā)生爆轟反應(yīng)，但它會在高溫中進(jìn)行快速熱分解，從而釋放內(nèi)能，內(nèi)能釋放的越快，則帶殼裝藥的響應(yīng)程度就越小，從壓力及能量方面分析可知，方案18(B9)為最佳厚度匹配組合。其表明增加阻抗值大的材料厚度，且按阻抗遞減的排序?qū)_擊波的衰減、能量耗散作用顯著。

圖11 27組方案內(nèi)能、壓力變化趨勢

3 結(jié)論

基于復(fù)合殼體材料阻抗匹配、厚度匹配方案，對破片沖擊起爆帶殼裝藥的過程進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

1)從沖擊波輸入炸藥中的壓力及炸藥內(nèi)能發(fā)現(xiàn)，復(fù)合殼體中阻抗排序大-中-小為最佳，且鎢-聚乙烯-氧化鋁陶瓷為最優(yōu)材料匹配組合，可有效抑制沖擊波壓力，即阻抗大的材料適合作為與破片接觸的第一層防護(hù)材料，以確保盡快消除沖擊波壓力峰值平臺。殼體材料的排列順序應(yīng)盡可能使波阻抗沿沖擊波傳播方向遞減，其相鄰材料的匹配應(yīng)選擇阻抗差較小的。

2)基于等厚度情況下的最優(yōu)阻抗匹配組合鎢-氧化鋁陶瓷-聚乙烯，研究不同厚度匹配的帶殼裝藥對破片沖擊起爆的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，對于阻抗值較大的材料，增加其厚度，可使進(jìn)入帶殼裝藥的初始壓力、輸入能量越小，降低炸藥的敏感性，且每層殼體厚度，都存在一定的臨界值，使變壁厚的復(fù)合殼體裝藥在抗破片沖擊起爆方面強于等壁厚帶殼裝藥，即復(fù)合殼體之間存在合理的厚度匹配關(guān)系。