緩沖材料及結構對戰斗部裝藥防護效果影響

李東偉，譚正軍，郝 宇，曾令清，汪 衡

(1.重慶紅宇精密工業集團有限公司，重慶 402760；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

1 引言

戰斗部在撞擊靶板瞬間，會在撞擊界面產生壓縮波向彈體及內部裝藥傳播，同時，由于靶板滯止作用，戰斗部裝藥承受巨大的慣性沖擊載荷作用。在前驅應力波及慣性沖擊沖擊載荷復合作用下，炸藥裝藥的內部將會產生裂紋、破碎等損傷，在后續侵徹過程中，將可能導致裝藥“早炸”[1-4]。因此，在裝藥危險部位填充緩沖材料，降低炸藥裝藥所受到的沖擊應力，提高裝藥安全性，具有重要意義。

緩沖材料按其工作機理分為結構緩沖(如多孔金屬等)和柔性緩沖(如橡膠等)2種[5]。多孔材料壓縮性較大，在侵徹過程中易發生大變形，導致裝藥顆粒之間劇烈的摩擦，降低炸藥安定性，因此侵徹戰斗部緩沖材料不宜采用空間結構緩沖材料[6]。董永香等[7]研究了應力波在多層介質中的傳播與衰減。張丁山等[8]基于應力波理論，研究了侵徹戰斗部撞擊靶標過程中應力波傳播過程，建立了應力波傳播數學計算模型。李媛媛等[9]在彈體前端填充緩沖層，采用AUTODYN對不同種類、厚度緩沖材料的緩沖特性進行了數值模擬。Zhu等[10]采用AUTODYN計算了侵徹時壓力通過緩沖材料傳入裝藥的情況，指導緩沖材料設計。黃榮和石嘯海等采用LS-DYNA計算了不同緩沖材料戰斗部內部裝藥的應力響應[11-12]。許志峰等[13]采用大型落錘模擬加載系統研究了緩沖裝置對炸藥裝藥抗過載安全性的影響。

綜上所述，目前針對戰斗部裝藥防護研究工作主要集中于單一緩沖材料方面，緩沖結構形式對裝藥防護效果影響研究鮮有報道。本文采用有限元計算軟件LS-DYNA，開展典型柔性材料種類、厚度、結構等因素對戰斗部裝藥防護效果影響研究，為侵徹戰斗部裝藥設計提供參考。

2 計算模型

戰斗部侵徹鋼靶數值計算模型由戰斗部殼體、炸藥裝藥、防護材料和靶板組成。戰斗部尺寸為φ76 mm×306 mm，彈頭CRH為1.2，殼體厚度為0.8 cm。靶板為φ760 mm×8 mm的鋼板，靶板傾角70°。戰斗部以600 m/s速度斜侵徹靶板，考慮到幾何模型力學對稱性，建立戰斗部侵徹靶板1/2計算模型簡圖如圖1。彈體與靶板之間采用面-面侵蝕接觸。所有單元均為8節點solid164實體單元，計算模型采用Lagrange算法，單位為cm-g-μs。

1-projectile；2-charge；3-cushion material；4-target

戰斗部殼體采用超高強度合金鋼，炸藥裝藥為DMCX(DNAN/HMX/Al/助劑)炸藥。靶板采用船用鋼板。戰斗部殼體、炸藥和靶板均力學本構采用Johnson-Cook模型。Johnson-Cook模型表達式如下[14]：

(1)

戰斗部殼體和靶板狀態方程均采用Grüneisen模型。Grüneisen模型描述壓縮材料表達式為：

(2)

描述膨脹材料表達式為：

p=ρ0C2μ+(γ0+aμ)

(3)

式中，C為體積聲速；μ=ρ/ρ0-1；γ0為Grüneisen常數；α為γ0的一階體積修正。

緩沖材料退火純鋁(Al)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)采用Johnson-Cook本構模型。有機玻璃采用流體彈塑性本構模型和Grüneisen狀態方程。各部件模型參數見表1。

表1 材料本構模型參數

3 計算結果與討論

3.1 戰斗部裝藥動力學響應分析

采用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA，計算得到了戰斗部以600 m/s的速度斜侵徹鋼板動力學響應情況。

利用Matlab軟件對戰斗部運動學計算結果進行處理，得到戰斗部殼體及裝藥速度、加速度曲線如圖2。

圖2 戰斗部侵徹鋼靶過程殼體和裝藥速度、加速度曲線

在研究斜侵徹過程戰斗部速度降時，我們關注的是戰斗部相對于靶板垂直運動情況，而平行于靶板的運動屬于無效運動，圖2所示速度的方向為垂直于靶板。

由圖2可以看到，戰斗部撞擊靶板初始階段，由于靶板的阻力作用，戰斗部減加速度劇增，速度驟減；當戰斗部頭部穿出靶板時刻(t1=29 μs)阻力減小，減加速度減小，直到頭部完全穿出靶板(t2=140 μs)時阻力減至最低，加速度出現拐點，并開始正向增加，速度開始增大。由于慣性作用，戰斗部裝藥與殼體存在速度差，t3=244 μs時刻之前，戰斗部殼體速度大于裝藥速度，裝藥尾部受到壓縮，t3=244 μs時刻之后，戰斗部殼體速度小于裝藥速度，裝藥向前撞擊殼體分離，產生慣性沖擊載荷。之后，裝藥在殼體內部做往復運動，直到戰斗部裝藥與殼體以相同的速度向前運動。

利用Matlab軟件對裝藥頭部、中部和尾部位置(如圖3所示)應力響應計算結果進行處理，得到戰斗部裝藥靜水壓力曲線如圖4所示。

1#-head gauge；2#-central gauge；3#-tail gauge

圖4 戰斗部侵徹鋼靶過程裝藥靜水壓力曲線

由圖4可以看到：戰斗部頭部裝藥受力最大，中部次之，尾部最小，裝藥頭部是危險部位，需要重點防護；同時，裝藥尾部應力在侵徹后期增加，這是由于裝藥尾部相對于殼體向后運動，撞擊殼體尾部導致的。

結合圖2和裝藥頭部應力時間曲線，圖4中A峰為高速撞擊產生的前驅沖擊波，B峰和C峰為慣性沖擊波。前驅沖擊波峰值小，慣性沖擊波峰值大，因此，侵徹過程中裝藥點火可能是由于慣性沖擊載荷導致的。

圖5為典型時刻戰斗部VMS應力等值面圖。

圖5 戰斗部侵徹靶板不同時刻VMS應力等值面圖

由圖5可以看到，裝藥頭部應力在戰斗部穿靶過程處于較高水平。

3.2 材料類型對防護效果影響

由前述分析得到，裝藥頭部是危險部位，需要重點防護。防護材料需選用具有良好塑性的熱塑性材料。退火純鋁(Al)、尼龍(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、有機玻璃(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)均為常用且性能優良的彈塑性材料。文獻[11]和[12]已經針對PA、PTFE、PMMA的緩沖性能進行了研究，得到了PMMA和PTFE做緩沖層能明顯減小裝藥頭部受到的軸向應力，且有機玻璃做緩沖層對于裝藥的保護最為有效。因此，本小節緩沖材料選用PMMA、Al、PE和PC等4種常用材料。在保持戰斗部殼體不變的前提下，在裝藥頭部設置緩沖層，厚度H分別設為10 mm、20 mm、30 mm和40 mm，模型示意圖如圖6。

圖6 戰斗部計算模型示意圖

圖7給出了不同緩沖材料、不同厚度情況下，戰斗部斜侵徹靶板，頭部裝藥觀測點處的應力曲線。

由圖7可以看到：

圖7 不同緩沖材料下裝藥應力曲線

1)退火純鋁(Al)、有機玻璃(PMMA)、聚乙烯(PE)和聚碳酸酯(PC)4種柔性(彈塑性)緩沖材料均能夠有效衰減戰斗部撞擊靶板時作用于裝藥的前驅沖擊波(應力波)和隨后慣性沖擊載荷；

2)緩沖層厚度較小(10 mm、20 mm)時，材料類型對緩沖效果影響不明顯；隨著緩沖層厚度的增加，緩沖效果差異性逐漸明顯；

3)通過綜合對比，退火純鋁對沖擊載荷(特別是2次、3次慣性沖擊載荷)具有更強的衰減作用。文獻[12]報道有機玻璃做緩沖層對于裝藥的保護最為有效，但退火純鋁是一種更有效的緩沖材料。

為了更清晰地對比材料厚度對緩沖效果的影響，以退火純鋁為例，得到了不同緩沖材料厚度下，侵徹過程裝藥應力曲線，如圖8。這里需要說明的是，本文所研究的緩沖材料在不同厚度下對裝藥的緩沖特性規律相似，這里僅以退火純鋁為代表進行分析。

由圖8可以看到：

圖8 不同退火純鋁緩沖層厚度下裝藥應力曲線

1)隨著緩沖層厚度的增加，裝藥應力減小，說明防護性能增強；

2)裝藥頭部緩沖層由20 mm增加至30 mm時，防護能力有較大提升，但從30 mm提升至40 mm時，防護效果基本相當。這是由于沖擊波壓力在材料中服指數衰減，在較小的厚度時，增加緩沖材料厚度對應力波衰減作用增量大，但增加到一定厚度時，對應力波衰減作用增量減小。這一結果在文獻[17]中得到驗證。因此，戰斗部裝藥緩沖材料厚度具有最優值，并非越厚越“好”。

本文研究條件下，優選30 mm退火純鋁作為戰斗部裝藥緩沖，可使戰斗部裝藥應力下降43%。

3.3 結構形式對防護效果影響

由應力波基礎知識易知，在應力波傳播過程中，當它從一種介質進入與之相接觸的另一種介質時，應力波將在2種介質的分界面上產生反射和折射現象。透射波的強度ΔσT可以表示為：

ΔσT=T·ΔσI

(4)

式中，T為透射系數，T=2/(1+n)；n為2種介質的聲阻抗比。

當應力波從A、B兩種材料交替疊加形成的多層結構中穿過時，不考慮應力波傳播過程中的損耗，透射波的強度為：

(5)

式中，T1為A→B透射系數，T2為B→A透射系數，顯然，T1/T2=1/n；m為應力波A→B的次數，l為應力波B→A的次數。

假設材料A與材料B的聲阻抗比n=2.0。分別計算初始應力波從材料A傳入材料B和從材料B傳入材料A兩種情況下多層復合材料透射波衰減系數隨透射次數變化曲線，如圖9。

圖9 多層復合材料透射波衰減系數隨透射次數變化曲線

由圖9可以看到：

1)材料A與材料B總層數相同時，從較“硬”的材料傳入較“軟”的材料中的時應力衰減效果較好。

2)材料A加材料B的總層數為奇數時，材料疊加順序對應力衰減效果無影響。

進一步，采用有限元計算軟件ANSYS/LS-DYNA，研究多層組合緩沖材料對戰斗部裝藥的防護效果。本小節在保持戰斗部殼體和緩沖層總厚度(30 mm)不變的前提下，在裝藥頭部設置多層組合緩沖層，結構分別為等厚度的Al+PE、PE+Al、Al+PE+Al和PE+Al+PE、PE+Al+PE+Al、Al+PE+Al+PE，模型示意圖如圖10所示。

圖10 多層結構戰斗部計算模型示意圖

圖11表示了不同緩沖材料結構形式下，戰斗部斜侵徹靶板，頭部裝藥觀測點處的應力。

由圖11可以看到：

圖11 不同緩沖結構下裝藥應力曲線

1)在裝藥頭部緩沖層總厚度相同的情況下，采用多層結構緩沖體可以達到與整體退火純鋁相當的緩沖效果；

2)隨著“軟”、“硬”間隔緩沖層數的增加，緩沖能力增強，當緩沖層數達到4層時，緩沖效果優于退火純鋁；

3)對于頭部緩沖層而言，侵徹過程為一個應力波在材料中傳播的過程，由前文分析易知，應力波隨透射次數增加，幅值衰減增加，且當通過材料界面的次數相同時，從較“硬”材料傳入較“軟”的材料中的次數較多，透射系數越小。在計算中Al+PE+Al+PE結構形式可使裝藥應力下降47%，比PE+Al+PE+Al結構多降低了8%，前者具有更好的緩沖效果。

4 結論

1)戰斗部裝藥頭部填充柔性緩沖材料能夠有效衰減戰斗部撞擊靶板時作用于裝藥的前驅沖擊波和隨后慣性沖擊載荷。

2)隨著緩沖層厚度的增加，緩沖效果差異性逐漸明顯，防護性能增強。

3)退火純鋁與有機玻璃相比，對沖擊載荷(特別是2次、3次慣性沖擊載荷)具有更強的衰減作用。

4)采用“軟”、“硬”相間多層結構緩沖體，可以較好地實現對裝藥的防護作用，且采用軟材料與裝藥可以獲得更好的防護效果。

5)研究結果可為高安全性侵徹戰斗部的設計提供參考。