Al/PTFE 活性破片高速碰撞雙層間隔鋁靶數值模擬

李 陽，陳 闖，易智濤

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159）

進入21 世紀以來，隨著世界各軍事強國的武器裝備不斷更新換代，裝甲防護能力大幅提升，迫切需要發展高效毀傷的武器彈藥。Al/PTFE 活性破片在與目標碰撞時，會因壓力升高達到其反應閾值，從而發生反應產生化學能和熱，對目標造成進一步毀傷。相比于普通破片，活性破片的殺傷半徑是其2 倍，潛在的毀傷威力可達其5 倍。國內外學者針對活性彈丸高速碰撞單層靶開展了大量研究，然而，對雙層靶的研究還較為缺乏。Liu S B 等[1]開展了反應材料填充彈丸（RMFP）在1100m/s 的碰撞速度下對多層間隔靶板的毀傷效應試驗，發現毀傷效應與前鋼板的厚度密切相關，建立了反應材料初始填充長度與前板厚度及板后毀傷效應的理論模型。黎勤[2]分析了活性破片作用雙層靶板的力學行為，建立了迎彈靶貫穿及后效靶侵爆行為的力學分析模型，研究了彈靶參數和著靶條件對彈靶作用力學行為的影響，運用Powder Burn 材料模型描述爆燃反應能較好地實現活性破片碰靶毀傷效應分析。肖艷文等[3]利用彈道槍加載PTFE/Al/W 活性破片正碰撞雙層間隔鋁靶，結果表明破片主要通過侵徹作用對前靶造成沖塞破壞，并通過剩余侵徹體的動能侵徹和爆炸聯合作用，對后靶造成更為嚴重的毀傷，表現為隆起及裂紋等結構性破壞；引入裂紋擴展理論，分析了活性破片對后靶動能侵徹和爆炸毀傷聯合作用下，碰撞速度和靶厚對后靶毀傷面積的影響規律，從機理上揭示了后靶隆起、裂紋擴展行為和毀傷模式。本研究采用SPH 算法仿真分析雙層靶板間距對毀傷效應的影響，得到雙層靶板間距對后靶孔徑及著靶速度的影響規律，為活性破片在彈藥戰斗部上的推廣應用提供參考。

1 Al/PTFE 活性破片高速碰撞雙層間隔鋁靶作用過程分析

1.1 前靶板貫穿行為

當活性破片以一定的速度碰撞前靶板時，在接觸面上會產生較大的剪應力和剪應變，彈丸的動能轉換為內能產生熱量。由于碰撞的時間極短，產生的熱量堆積，使得靶板的溫度升高，導致靶板的剪切強度降低，破片開始擠進靶板。活性破片在碰撞中經沖擊波加載后，又經稀疏波卸載，彈丸與靶板接觸的部分發生破碎，部分碎片沿橫向飛散。隨著破片不斷的侵徹，在破片速度方向上的靶材逐漸被彈丸剪斷，破片的破壞模式表現為沖塞，并伴隨碎片飛散。

1.2 后靶板侵爆行為

活性破片貫穿前彈靶后，一部分變為碎片云，剩下的部分依舊為侵徹體。剩余的侵徹體自身具有一定的質量和速度，依靠自身動能侵徹后靶板；碎片云因彈丸形成熱點而發生爆燃反應，侵徹體和碎片云共同對后靶板作用。活性破片貫穿前靶板后，帶著一部分靶材一起運動，最后作用于后靶板。靶材、剩余侵徹體、碎片云先后碰撞后靶板，靶材對后靶板的毀傷不明顯，僅造成后靶板彈性形變，對后靶板的毀傷主要依靠剩余侵徹體和碎片云。剩余侵徹體貫穿后靶板時被激活，發生劇烈的爆燃反應；同時，碎片云的爆燃反應增強了對后靶板的毀傷，使得活性破片對后靶板的毀傷效應增強。圖1 為活性破片高速碰撞雙層間隔靶作用原理示意圖。

圖1 活性破片高速碰撞雙層間隔靶作用原理

2 數值模擬

采用Autodyn 有限元軟件對Al/PTFE 活性破片碰撞雙層間隔鋁靶的過程進行二維數值模擬，彈靶均采用Johnson-Cook 強度模型，該模型主要用于金屬材料在高溫、高應變率、大應變環境下的強度極限以及失效過程，包括塑性應變、應變率、壓力和溫度對材料強度的影響。其本構方程為：

式中：A1、A2、A3、n、m為材料常數；εp為等效塑性應變；為相對塑性應變率；ε0＝1.0。

其中無量綱溫度TH由室溫Troom和熔化溫度Tmelt按下式確定

選擇Shock 狀態方程，用于描述材料沖擊波速度D、波后質點速度up的關系。

式中：s為與材料相關的常數。

選取SPH 算法進行仿真。SPH 算法以差值理論為基礎，核函數對場變量在一點值的估計為核心，從而把偏微分形式的控制方程轉化為積分方程。該算法將整個域場的材料分解為一系列具有質量、速度和能量的粒子，每個粒子有其特征，通過一個核函數的積分進行核函數估值，從而求得整個場中不同時刻不同位置的各種動力學參量。該算法不需要劃分網格，且邏輯比較簡單。圖2 為SPH 算法流程。

圖2 SPH 算法流程

圓柱形的活性彈丸尺寸為Φ15.5 mm × 15.5 mm，靶板的尺寸為120 mm × 120 mm，前靶板的厚度為2 mm，后靶板的厚度為4 mm。圖3 為仿真模型，（a）為有限元模型，（b）為局部放大圖。靶板間距h代表目標內部的幾何尺寸，通過改變雙層間隔靶板的間距模擬不同的目標。破片的初始撞擊速度為314 m/s。

圖3 仿真模型

3 仿真結果及分析

分別仿真靶板間距h為60、80、100、120、140 和160 mm 的雙層靶被活性破片貫穿后，靶板間距對后靶板孔徑的影響，不同靶板間距下后靶板穿孔形貌如圖4 所示。

圖4 不同靶板間距下后靶板穿孔形貌

后靶板孔徑隨靶板間距的變化如圖5 所示。

圖5 后靶板孔徑隨靶板間距的變化

靶板間距為120 mm 時，活性彈丸貫穿后靶板的孔徑最大。80～ 120 mm 孔徑逐漸增大，120～ 160 mm孔徑逐漸減小。彈丸貫穿前靶板時會斷裂成兩個部分，前面部分速度較快，后面部分較慢。

活性破片在貫穿前靶板后，碰撞后靶板的速度大意味著其動能越大，毀傷效應越大。活性彈丸貫穿前靶板后會裂成兩個部分，在此討論彈丸前部分碰撞后靶板的速度和后部分碰撞前部的速度。圖6 為靶板間距與后靶板速度的關系。彈丸前部分的著靶速度隨著靶板間距的增加而減少，而后部分的剩余速度先是遞減，120 mm 的靶板間距達到最小，隨后遞增。圖7 為靶板間距140 mm 時破片撞擊后靶示意圖。

圖6 靶板間距與后靶板速度的關系

圖7 靶板間距140 mm 時破片撞擊后靶

4 實驗驗證

為了驗證數值模擬的有效性，采用一級輕氣炮加載Al/PTFE 破片，實驗裝置主要由一級輕氣炮、雙層鋁靶、激光測速儀和高速攝像機組成。利用激光測速儀測量破片速度，高速攝像機記錄破片的作用過程。圖8 為實驗照片。從圖可以看出活性彈丸貫穿了前靶板，形成了瓣裂穿孔，其尺寸為23.86 mm × 18.01 mm；彈丸未貫穿后靶板但是在后靶板上有明顯的燒蝕現象，表明活性彈丸在碰撞后靶板時發生了爆燃反應。仿真與實驗結果吻合較好，驗證了仿真的可靠性。

圖8 實驗照片

5 結語

采用Autodyn-2D 非線性動力學軟件對Al/PTFE活性破片高速碰撞雙層間隔靶進行數值模擬，在相同靶板厚度下，靶板間距為120 mm 時，活性彈丸貫穿后靶板的孔徑最大。80～120 mm 孔徑逐漸增大，120～160 mm 孔徑逐漸減小。彈丸前部分的著靶速度隨著靶板間距的增加而減少，而后部分的剩余速度先遞減，120 mm 的靶板間距達到最小，隨后遞增。