鋯基非晶活性破片侵靶特性研究

羅普光，毛 亮，李國杰，魏晨楊，劉偲雯，姜春蘭

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；2.北京理工大學 爆炸科學院與技術國家重點實驗室，北京 100081)

活性破片是新型多功能復合材料制備的高效毀傷元，是近年來高效毀傷領域的研究熱點。當以一定速度撞擊目標時，沖擊波使活性材料內部發生變形重組，自行激發爆炸/爆燃反應，以增強其對靶板目標的后效作用，實現對目標的高效毀傷。

目前用于制備的活性破片材料主要有金屬-氟聚物體系和金屬合金體系。金屬-氟聚物體系活性破片具有反應劇烈、釋能高等優點，對靶后目標具有較好的引燃、引爆效果，但材料強度較低，在戰斗部中作為破片使用時需要殼體防護；以鎢鋯合金為代表的金屬合金體系活性破片，由于材料密度大、強度高、制備工藝簡單以及毀傷效果較好，可直接作為破片應用于戰斗部。

目前對活性破片撞靶破碎行為及對靶后目標毀傷的理論研究較少，本文主要通過數值模擬和試驗結合的方法，研究鋯基非晶活性破片撞擊靶板過程及靶后碎片云的運動特性，對活性破片的毀傷研究具有一定意義。

1 鋯基非晶活性破片撞靶過程數值模擬

1.1 仿真算法與有限元模型

光滑粒子流體動力學(簡稱SPH)方法為無網格的Lagrange方法，在計算過程中可以有效避免有限元方法中網格的畸變和負體積等問題。近年來，該方法在高速碰撞領域得到廣泛運用。

本文運用AUTODYN軟件對鋯基非晶破片撞擊靶板過程進行數值計算，由于模型的對稱性，為節約計算時間，本文采用三維1/4模型，有限元模型如圖1所示。破片和靶板均采用SPH算法，粒子尺寸設置為10 μm。

圖1 SPH數值計算模型示意圖Fig.1 Shape of debris clouds at different condition

1.2 材料模型與狀態方程

數值計算過程中破片和靶板均采用Johnson-Cook材料模型以及Mie-Gruneisen狀態方程描述其動態響應過程，前端靶板材料選擇45#鋼，后端靶板材料選2A12鋁。

Mie-Gruneisen狀態方程可通過沖擊絕熱關系確定，對于拉伸區材料：

=+(+)

(1)

式中：為材料聲速，為Gruneisen系數，=-1為密度變化比，和為體積修正量。材料的Mie-Gruneisen參數如表1所示。

表1 Mie-Gruneisen狀態方程參數Table 1 State parameters of Mie-Gruneisen equation

Grady-Spall模型定義了材料的失效應力與失效應變和材料密度、體積聲速以及屈服應力之間的關系，可表示為：

(2)

1.3 計算結果與分析

鋯基非晶活性破片典型撞靶過程

活性破片毀傷元的作用目標一般是帶有一定厚度防護的裝甲目標，因此在仿真計算的過程中，用6 mm鋼板模擬輕型裝甲。考慮到實際情形下破片在飛行過程中存在速度衰減，因此本文對速度范圍在500～2 000 m/s的鋯基非晶破片撞擊鋼靶的仿真模型進行數值計算，結果表明不同速度破片撞擊靶板過程中發生破碎并生成碎片云的過程基本相似，因此選取其中一個算例進行簡述。

當鋯基非晶破片以1 200 m/s速度撞擊6 mm鋼板時，破片碎裂及其靶后運動情況的數值模擬仿真結果如圖2所示。

圖2 破片撞擊靶板數值模擬仿真圖Fig.2 numerical simulation diagram of fragments impacting the target plat

在破片侵徹靶板過程中，靶板和破片發生部分破碎，碎片向破片運動反方向濺射，且反向濺射碎片群呈喇叭狀；定義破片侵靶運動方向為軸向，與之垂直為徑向，隨著侵徹的進行，破片和靶板破碎形成的碎片在靶板背面形成碎片云，碎片云沿軸向和徑向不斷擴展，徑向寬度與軸向長度比值越來越小，具體數值見表2。從圖2中可以看出，靶后碎片云徑向長度最大處至碎片云頭部的碎片分布密度最大，此部分區域可稱為主體碎片云。

表2 不同時間碎片云徑向寬度與軸向長度Table 2 comparison of radial width and axial length of debris cloud at different times

鋯基非晶活性破片典型撞靶過程特性分析

在圖2中，取靶后碎片云頭部破片碎片質點為特征觀察點1、靶后碎片云頭部靶板碎片質點為特征觀察點2、靶后碎片云徑向長度最大處碎片質點為特征觀察點3、靶前反向濺射質點為特征觀察點4，觀察4個特征點軸向和徑向的速度變化曲線如圖3。

圖3 特征點速度時間曲線Fig.3 velocity against time curve characteristic point

從圖3可知：

1)對于靶后碎片云徑向長度最大處碎片(特征觀察點1)，其軸向速度不斷減小后保持不變，碎片獲得徑向速度后基本不變；

2)對于靶后碎片云(特征觀察點2和特征觀察點3)，在破片貫穿靶板時，破片碎片速度減小，靶板碎片獲得小于破片頭部速度的軸向速度，在破片頭部碎片的作用下，碎片云頭部靶板碎片速度繼續增大，碎片云頭部破片碎片速度減小，最終碎片云頭部破片碎片和靶板碎片速度一致；

3)對于靶前反向濺射碎片群(特征觀察點4)，破片撞擊靶板瞬間，碎片獲得軸向負速度和徑向飛散速度，軸向負速度略微減小后趨于穩定，徑向速度快速減小后保持不變。

從圖3時間軸可以看出，破片撞擊靶板20 μs后碎片云軸向速度趨于穩定，30 μs后軸向速度趨于穩定。由于靶后碎片云頭部和徑向長度最大處存在軸向速度差，隨著時間的增大，碎片云主體部分在軸向不斷拉長。

根據上述模型分別對鋯基非晶活性破片以500～2 000 m/s速度撞擊6 mm鋼板進行數值模擬，數值模擬仿真結果如圖4所示。從圖4中可以看出，活性破片撞擊靶板時，撞擊速度越大，碎片云頭部靶板碎片和破片碎片界面越明顯。當活性破片撞擊靶板速度較低時，破片只發生部分碎裂，隨著撞擊速度的增大，破片碎裂部分不斷增加直至完全碎裂。與此同時，碎片云的輪廓隨撞擊速度的增大而增大。

圖4 活性破片不同速度侵徹鋼板數值模擬仿真結果圖Fig.4 numerical simulation diagram of reactive fragment penetrating steel plate at different speeds

2 鋯基非晶活性破片撞靶過程試驗研究

2.1 彈道槍試驗方法

鋯基非晶活性破片侵徹靶板實驗現場布置如圖5所示。使用12.7 mm彈道槍發射破片，破片速度由測速儀測得，撞擊靶與彈道槍距離為5 m，測速儀距離撞擊靶0.5 m，通過改變發射藥質量調節破片的初速。由于測速靶與撞擊靶距離較近，破片速度衰減較小，可認為測時儀計算的速度即為破片撞擊靶板速度。試驗過程中利用高速攝影儀記錄活性破片撞擊靶板過程。

圖5 活性破片對靶板侵徹實驗現場布置示意圖Fig.5 schematic diagram of the penetration experiment of reactive fragment on the target plate

本次實驗采用圓柱形活性破片，尺寸為Φ9×9 mm，活性破片的材料密度為12 g/cm，單枚破片質量為7.2 g。撞擊靶為厚度6 mm的45#鋼板，間隔200 mm處布置2 mm厚2A12鋁板為驗證板。

2.2 試驗結果與分析

鋯基非晶活性破片撞靶過程典型現象

鋯基非晶活性破片以1 225 m/s速度撞擊靶板時，活性破片撞擊過程如圖6所示。撞擊板過程中破片發生反應，產生明亮的火光。隨著撞擊速度的增大，撞擊過程中產生的火光更為強烈，且持續時間隨之增加；撞擊過程中靶板背面的火光近似橢圓形，火焰隨時間沿軸向和徑向擴展，且在火光周圍能觀察到活性破片碎片持續燃燒產生的火星，由此可以對應活性破片在撞擊靶板時破碎形成碎片云。

圖6 破片撞擊靶板高速攝像圖Fig.6 high-speed video of fragments impacting the target

鋯基非晶活性破片撞靶后效分析

1)破片撞靶后效毀傷現象

典型情況下破片對第一層鋼板及第二層鋁板的毀傷效果如圖7所示，破片穿透鋼板后對后層鋁板造成較大的毀傷面積，后效毀傷面積隨破片速度的提高而不斷增大。采用圖像識別方法對第二層鋁板的擴孔面積進行識別統計分析，不同速度下破片穿透6 mm厚45#鋼板后對鋁板形成的毀傷面積如表3所列。

圖7 靶板毀傷效果圖Fig.7 diagram of damage effect

表3 破片后效毀傷面積Table 3 damage area of reactive fragment

2)試驗與仿真結果分析

鋯基非晶活性破片以不同速度撞擊靶板時，破片在靶后200 mm處的作用面積計算值與試驗過程中破片對第二層鋁板的擴孔面積如圖8所示。數值仿真結果與試驗結果吻合較好，由此驗證了數值仿真模型的正確性。從圖8可以看出，當撞擊速度較小時，破片在侵徹過程中只有部分碎裂，徑向飛散破片較少，隨著撞擊速度增大，破片完全碎裂，破片徑向飛散距離明顯增大。當破片撞擊速度從500 m/s增加到 2 000 m/s時，破片的靶后作用面積增加了500%。

圖8 靶后作用面積與撞擊速度關系曲線Fig.8 Relationship between damage area behind target and impact velocity

3 結論

1)鋯基非晶活性破片撞靶過程中會在靶后形成碎片云，隨著時間的增加，碎片云的輪廓增大，形成碎片云對靶后目標較大的毀傷區域；

2)鋯基非晶活性破片撞擊鋼板時，靶后碎片云面積隨撞擊速度的提升不斷增大，撞擊速度由843 m/s增加至1 563 m/s時，碎片云面積增加736.7%，結合仿真計算數據，當撞擊速度到達2 000 m/s后，碎片云面積達到最大值，活性破片對靶后目標的毀傷面積隨破片撞靶速度的增加而增大；

3)鋯基非晶活性破片侵徹靶板時會發生劇烈爆燃反應，對靶后目標造成較強的擴孔毀傷效果，后續可以針對破片撞靶過程中的釋能特性展開進一步數值模擬及試驗研究。

4)鋯基非晶活性破片撞靶過程的數值模擬和試驗結果吻合較好，驗證了仿真模型正確，可以對后續的活性破片仿真計算提供參考。