侵徹多層間隔靶板裝藥損傷特性研究

張萌昭，周 濤，郭洪福，沈 飛

(西安近代化學研究所，西安 710065)

1 引言

侵徹戰斗部依靠自身動能對防御工事進行穿透后，通過引信控制在特定位置爆炸，利用沖擊波、碎片等對目標進行殺傷。在侵徹過程中，戰斗部需要承受較大沖擊載荷[1-2]，隨著各國防御工事不斷增強，往往需要侵徹多層目標，裝藥經受連續多次脈沖載荷作用[3]，而受到飛行控制、環境條件等影響，戰斗部攻角及著角角度存在一定隨機性，使得裝藥受力情況更加復雜，在侵徹過程中產生裂紋、孔洞等損傷，對裝藥安定性提出了更嚴苛的挑戰[4-7]。因此，研究多層斜侵徹條件下的裝藥損傷特性具有重要理論意義和實際使用價值[8]。

目前已有許多研究人員針對裝藥損傷進行了大量工作。李志鵬等[9]采用材料試驗機、落錘試驗等方式對裝藥進行復合加載，得到載荷作用越強烈損傷越嚴重，沖擊感度越高的結論。李亮亮等[10]利用霍普金森壓桿實驗對炸藥進行2次脈沖加載，發現與單次沖擊相比，在多次脈沖加載下裝藥結構破壞形式改變。聶少云等[11]設計一種實驗裝置對裝藥進行多層穿靶過程模擬，發現在多次沖擊載荷下，炸藥的表面出現裂紋和破碎但并未點火。呂鵬博等[12]模擬了不同攻角下含裝藥缺陷的戰斗部的穿甲過程，得到了穿單層靶情況下攻角越大，裝藥缺陷對安定性的影響越大的現象。成麗蓉[13]采用裂紋摩擦和含損傷孔洞坍縮生熱模型研究了戰斗部垂直侵徹多層靶板時裝藥的損傷情況，發現頭部及尾部易產生熱點。上述實驗研究大多針對較為簡單的受力情況進行分析，難以模擬越來越復雜的侵徹條件下的裝藥受力過程。仿真模擬能夠觀測侵徹過程中裝藥的細觀尺度變化，但其計算結果受到本構模型和模擬計算方法的影響。因此，需要建立更加貼近真實受力條件的實驗方法對多層侵徹條件下的裝藥損傷進行研究，結合仿真模擬觀測內部裝藥的受力情況。

為了得到復雜條件下的裝藥損傷演化情況，本文依據實際侵徹戰斗部結構，設計小尺寸模型實驗彈，開展多層靶板侵徹實驗，結合模擬仿真結果，探索多次脈沖載荷作用下裝藥損傷演化規律。

2 實驗研究

2.1 實驗彈體設計

實驗彈設計依托于某戰斗部結構進行幾何縮比，試驗彈體的結構如圖1所示。實驗彈主要由殼體組件、惰性填充物、惰性裝藥和閉氣裝置等組成。戰斗部殼體質量M為10.90 kg，裝填質量m為1.75 kg，戰斗部長徑比L/D為2.32，彈體無量綱壁厚δ/D為0.144，曲徑比CRH為1.8，頭部長度與總長之比為l/L為0.29，其中L為戰斗部總長，δ為壁厚，D為最大外廓直徑，l為頭部長度。后蓋分為兩部分，均使用螺紋與彈體連接，閉氣環與壓環使用螺釘與后蓋固連，保證彈體在炮膛內不漏氣、受力均勻，順利發射。

戰斗部在侵徹目標的過程中，不僅需要承受高過載沖擊過載，還需減少彈藥質量同時提高裝填比，故對彈體結構和彈體材料均提出了較高要求。綜合考慮材料的密度、強度、韌性等參數，殼體組件均使用TC4-DT鈦合金。閉氣環為尼龍材料。

1.殼體；2.后蓋1；3.閉氣環；4.壓環；5.螺釘圖1 戰斗部結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of warhead structure

2.2 裝藥結構設計

惰性裝藥的主要成分為硫酸銨和鈍感劑，成型密度為1.70 g/cm3，物理性能與真實PBX材料接近，能夠較好地模擬真實PBX材料的力學性能。根據試驗彈殼體內腔，分為三節藥柱進行裝填，其中兩節藥柱形狀為圓柱形，一節為圓臺形。藥柱1直徑Φ1為81 mm，圓臺頂部直徑Φ2為40 mm，圓臺上部高h1為30 mm，下端高為10 mm，藥柱2及藥柱3均高h3為50 mm，直徑Φ3為81 mm。裝藥與殼體間隙1 mm。頭部及尾部均留有10 mm間隙，采用擠壓裝藥，填充加成型硅橡膠，冷卻后凝固避免裝藥在殼體內震蕩。

裝藥后對實驗彈進行DR(digital radiography)圖像及CT圖像檢驗，得到結果如圖2所示。實驗前裝藥密實，無肉眼可見初始損傷。

圖2 實驗前的裝藥CT掃描圖Fig.2 CT scan of the charge before the experiment

2.3 試驗布局

實驗采用口徑125 mm的滑膛火炮發射縮比戰斗部，火炮布設于靶板正前方約40 m處。在靶板側面放置高速攝影機，記錄實驗彈侵徹靶標的動態過程。過靶面的中心水平線與火炮發射線重合。靶標正后為松軟土丘，用于回收試驗彈，并對回收彈進行CT掃描以觀測其中裝藥損傷情況(圖3)。在實驗中，采用高速相機記錄彈體穿靶姿態。試驗現場布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 靶場示意圖Fig.3 Schematic of experimental set-up

圖4 靶場場景圖Fig.4 Photos of shooting range

試驗所用靶標為鋼筋混凝土靶標，其中，混凝土按照C40強度進行配比制作，4層靶板間距均為1 m，靶板目標的第1～2塊靶板尺寸為2 000 mm×2 000 mm ×120 mm，截面配筋率為0.62%；第3～4層靶板的尺寸為1 520 mm×1 520 mm×100 mm，截面配筋率為0.74%。迎彈面靶板鋼筋直徑為10 mm與12 mm交替分布，背面鋼筋直徑均為12 mm，鋼筋網格大小為150 mm×150 mm。靶板傾斜30°，靶板厚度及靶板間距設計參考實際混凝土建筑物，能夠真實的反應戰斗部實戰時的侵徹性能。鋼筋靶板通過鋼架支撐，并用沙土固定壓實，以保持在侵徹過程中傾角及間距不變。靶標擺放如圖5所示。

圖5 實驗4層鋼筋混凝土靶場景圖Fig.5 Four-layer reinforced concrete target used in the experiment

3 實驗結果及分析

3.1 實驗彈的侵徹能力

實驗彈以800 m/s的速度侵徹混凝土靶板，攻角為20°。實驗彈成功穿透4層靶標，隨后鉆入土丘中，侵徹過程如圖6、圖7所示。混凝土靶板受到嚴重破壞，靶板正面產生較大凹坑。第1層靶板彈孔半徑為19 cm，第2層為17 cm，第3層為15 cm，第4層為16.5 cm。從第1層至第3層靶板彈孔半徑逐漸減小，當運動至最后一層靶板時，尾部對靶板造成沖擊，靶板彈孔半徑增大。回收彈體見圖8,彈體頭部有較大侵蝕磨損現象，表面變得粗糙，并且出現部分凹坑，如圖9所示。彈體整體保持完整，且未出現塑性失穩變形，如圖7～圖9所示。

圖6 實驗彈侵徹第1層靶板實物圖Fig.6 High-speed photographs of projectile impacting concrete plate

圖7 試驗后靶板實物圖 圖8 回收彈體實物圖Fig.7 Target plate after experiment Fig.8 Recovered projectile

圖9 頭部磨損狀態圖Fig.9 Erosion of projectile

3.2 裝藥損傷情況

對比試驗前后DR圖像，如圖10所示。三節藥柱之間縫隙更加明顯，圖像左下角存在顏色較淺區域，說明侵徹過后藥柱在殼體內經受多次脈沖加載、震蕩，尾部藥柱出現較大損傷。從藥柱的CT圖像可以看到頭部并無明顯損傷，與圖2(a)相比，實驗后頭部裝藥與殼體之間的硅橡膠厚度減小，說明在侵徹過程中裝藥整體向前壓縮，頭部裝藥向前移動。中部裝藥產生微小孔洞，多分布于藥柱中間。尾部裝藥損傷最嚴重，出現明顯塌邊現象和深度裂紋，且越靠近底部損傷區域越大，損傷越嚴重。裂紋寬度由邊緣向內部逐漸減小，損傷呈現分布不勻現象，集中在藥柱的一側。c截面出現空腔，而d截面有部分殘渣，藥柱在穿靶過程中產生的碎屑隨彈體運動不斷下移，集中在底部(圖10)。

圖10 試驗后CT圖Fig.10 CT scan of the charge after the experiment

3.3 裝藥力學響應分析

為進一步了解裝藥的復雜受力過程，對侵徹過程進行模擬仿真。在LS-DYNA軟件中設計模擬彈以800 m/s的速度、20°攻角侵徹厚25 mm、30°傾斜的C40水泥靶板。考慮計算的對稱性，采用1/2模型以提高計算效率，在對稱面施加對稱約束。

考慮應變率和溫度對材料屈服強度的影響，殼體材料采用*MAT_JOHNSON_COOK模型描述， 而HJC模型考慮了大應變、高應變率條件下脆性材料的斷裂特性，因此選用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型對混凝土靶板進行模擬， 由于PBX炸藥的宏觀力學性能與混凝土具有一定的相似性，故選用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型反映其動態力學變化，該模型引入初始屈服面、極限強度面、殘余強度面等3個失效面，能較真實地通過損傷度的計算反映材料的損傷情況。其中，材料參數[14-16]如表1、表2所示。

表1 殼體及裝藥主要材料參數

表2 混凝土材料參數

圖11為侵徹過程中應力云圖。由圖11可知，侵徹過程中，裝藥頭部承受的沖擊載荷較大，產生應力集中現象，隨著侵徹深入，應力波傳入至尾部，壓縮波在自由面反射形成拉伸波，尾部裝藥與殼體擠壓形成應力較大區域。隨著彈體繼續侵入靶板，殼體上部受到靶板擠壓，形成力矩造成受力不均的情況，可見此時裝藥上部為壓、下部為拉伸。這種受力情況持續至彈體即將出靶，此時下部殼體受力較小，而尾部的上端繼續與殼體接觸，形成偏轉力矩，裝藥中段上部為拉伸狀態，下部為壓縮狀態，頭部、尾部尖角仍存在應力集中。當彈體完全出靶，力矩影響彈道使得裝藥內部仍存在拉伸-壓縮的應力反復作用，對裝藥造成持續性損傷。從圖12可以看出：在侵徹單層靶板的過程中，頭部在初始時刻受到較大的軸向應力，隨后應力波傳播至中部，幅值衰減，到尾部時幅值最小。頭部在整個侵徹過程中主要承受壓縮應力，而中部裝藥受到拉伸-壓縮的應力反復作用，尾部則受到反射形成的拉伸波及斜侵徹工況下的剪切應力作用。

由于裝藥材料呈現脆性，抗壓強度遠大于抗拉強度，而模擬藥柱中存在石蠟等物質，在高溫高壓作用下起到流動、滑移作用，一定程度上避免了孔隙、坍縮等損傷的形成，同時在縮比彈試驗中，頭部裝藥與殼體之間有約1 cm厚的硅橡膠，能夠有效減小應力波強度，對裝藥頭部的沖擊載荷起到緩沖作用，進一步避免了損傷的產生[17]。因此，雖然頭部裝藥受到較大的壓縮應力，但所產生的損傷最少，與實驗結果相符。中部裝藥在侵徹過程中，由于殼體與靶板之間存在夾角，造成的力矩使得裝藥不斷承受拉伸-壓縮的反復應力作用，而應力波傳播至中部有幅值衰減，裝藥的粘彈性特征進一步避免了損傷的出現，因而裝藥中部只出現部分孔洞損傷。頭部撞擊產生的多個間隔壓縮波在尾部反射為拉伸波，由于裝藥的脆性特征，尾部裝藥在多次重復拉壓載荷作用下出現裂紋和損傷；此外，長徑比較小(CRH<2.5)的實驗彈在較大攻角(20°)下侵徹混凝土靶板時，彈體在穿靶過程中發生偏轉，彈體尾部與靶板發生碰撞，造成損傷集中于一側且較為嚴重的現象，與實驗結果相符。

圖11 仿真應力云圖Fig.11 Contours of stress

圖12 壓力-時間曲線Fig.12 Pressure-time curve

4 結論

1) TC4-DT鈦合金侵徹彈在侵徹多層混凝土靶板時，頭部有磨損，彈體結構保持完整。殼體結構強度能夠滿足完整性要求。

2) 在侵徹多層靶板時，侵徹彈內部裝藥尤其尾部裝藥在復雜外力作用下易產生塌陷、裂紋損傷，提前起爆。

3) 可以提高藥柱與殼體內腔的直徑匹配度，避免藥柱在沖擊過程側轉。針對頭部的高壓區，增加緩沖物質可避免裝藥損傷。需要對存在著角條件下多次脈沖加載的裝藥的動態力學響應行為進行深入研究，為裝藥結構設計及配方優化提供參考。