強爆轟環境下測試儀器防護技術仿真研究＊

聞利群，魯建霞，張同來

（1中北大學化工與環境學院，太原 030051；2北京理工大學宇航學院，北京 100081）

0 引言

彈載測試儀器是搭載在導彈武器系統上的數據采集和記錄設備，能實時存儲記錄導彈的飛行試驗數據并可靠回收數據，為導彈系統的設計改進提供技術依據，是產品研制階段主要的測試手段之一［1］。彈體在打擊目標的同時，自身的測試儀器也面臨強過載作用［2－3］。目前國內外彈載測試儀的發展只停留在對混凝土靶、鋼靶的侵徹模擬試驗環節。真正在強爆轟場中心部位的測試及其生存技術研究才剛剛起步。文中以某導彈結構框架為基本模型，采用仿真手段對這一環境及其防護技術做了較為深入的研究，為進一步實物仿真下的儀器防護提供了重要的參考信息。

1 彈載環境幾何模型

如圖1所示，文中以某小型戰術導彈為仿真研究的幾何模型，并作了一定簡化。計算彈體長為3m，彈徑為0.4m，裝藥30kg的TNT。采用ANSYS軟件來進行仿真計算。由于模型結構是關于xoy和yoz平面對稱（y為軸向），因此為減少計算量，建立四分之一模型進行計算，在對稱邊界上施加對稱約束。

圖1 彈體與測試裝置模型示意圖

測試儀器材料選擇45號鋼，彈體選用LS－DYNA中能描述金屬材料的加工硬化、應變率和溫度軟化效應的JOHNSON－COOK模型和GRUNEISEN狀態方程。國內外眾多文獻給出了JOHNSON－COOK模型基本參數的確定方法。根據文獻［4］確定彈體GRUNEISEN模型基本參數如表1。

表1 彈體材料模型參數

文中采用JWL狀態方程和MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型來描述炸藥。以典型的TNT炸藥進行計算，材料參數見表2。

表2 TNT炸藥的JWL狀態方程參數

2 緩沖材料的選用

爆轟環境下儀器的防護主要依賴于緩沖材料的使用。緩沖材料的應力 應變曲線與橫坐標之間的面積越大，則其積蓄或吸收的能量就越大，緩沖效率也就越高。經過對多種緩沖材料的比較，本研究選用了泡沫鋁。與其它材料相比，泡沫鋁具有許多優點，可通過改變密度調節彈性模量，具有較高的抗彎剛度，是一種各向同性的金屬材料，重量輕，具有較高的沖擊能量吸收能力［5］。

泡沫鋁采用 LS－DYNA 中的63號 CRUSHABLE－FOAM［6］材料模型，所出現的物理量量綱為g-cm μs。所以泡沫鋁的材料參數設置為：密度ρ＝0.37g／cm3，泊松比ν＝0.3；楊氏模量E＝1.2GPa，拉伸失效截止應力Pcut＝10MPa。

3 測試儀器受力情況仿真

3.1 無防護情況仿真

為了比較爆炸荷載作用下彈體儀器艙內的動力響應，文中選擇了A、B、C三點進行分析，分別位于儀器艙前端、中部、尾部，如圖1所示，C點不帶緩沖防護材料。

炸藥爆炸后，所產生的沖擊波經過一段時間傳播到儀器艙并與測試儀器發生相互作用，圖2～圖4給出了爆炸沖擊波作用時不同位置儀器艙上的壓力時程曲線，而圖5～圖7給出了加速度曲線。

圖2 A點壓力時程曲線

圖3 B點壓力時程曲線

圖4 C點壓力時程曲線

圖5 A點加速度曲線

圖6 B點加速度曲線

圖7 C點加速度曲線

在爆炸中，裝藥壓力隨著距起爆點不同距離而在不同時間到達峰值，但作用時間基本相同。從圖2～圖4可以看出，沖擊波首先與距離爆心最近的A點（爆心投影點）相遇并發生反射，爆炸荷載大都在A點附近，其它部位此時的作用荷載幾乎為零。隨著時間的推遲，應力作用范圍逐漸擴展，且幅值不斷增大。在100～200μs時A點壓力達到最大，然后沖擊波向彈壁及儀器艙尾端傳播，并且儀器艙前端A點的應力迅速下降，隨之影響相鄰范圍內的應力分布，在這些區域形成高壓區。從圖的壓力時程曲線可以看出：由于沒有任何緩沖，三點的瞬變壓力量級基本變化不大，但能量卻衰減迅速，導致到達C點時，設備產生的加速度僅為A點的十分之一。

3.2 全包裹防護情況仿真

文中從最佳防護位置考慮，選擇C點增加緩沖防護材料進行仿真。彈體與測試裝置的模型如圖1所示，緩沖材料把設備全部包裹起來。圖8是C點帶防護時受到的壓力時程曲線，圖9是C點帶防護時產生的加速度曲線。

圖8 防護測試儀器壓力時程曲線

圖9 防護測試儀器加速度曲線

與圖4、圖7相比可以看出，受緩沖結構影響，加速度曲線的峰值明顯衰減，同時沖擊波在傳播過程中形狀發生了變化。由于泡沫鋁的塑性形變吸收了大量的能量，C點產生的加速度表現為單向受力，且高頻部分被完全衰減了，低頻幅值僅達到原來的百分之一。從壓力曲線可以看出，C點原來受到的壓力被衰減為幅度僅為原來二十分之一的隨機振動。從量值上來分析，經過加固處理的測試儀器完全有能力承受，因此，采用全包裹型緩沖結構可以達到測試儀器防護目的。

4 結論

強爆轟場中測試儀器的防護技術對真實獲取武器毀傷性能具有重要意義。文中用計算機模擬方法，以某小型戰術導彈為模型，分析了在彈頭爆炸過程中測試儀器在不同安裝位置的受力情況，對比分析了采用泡沫鋁材料作為緩沖材料時對測試儀器動態響應情況的影響。結果表明，無防護情況下，儀器艙的測試儀器至少將承受－6E－5～5E－5cm／μs2的加速度和－5.7E－3～5E－3Mbar的壓力量值，這明顯超出一般測試儀器的抗沖擊能力。而采用全包裹方式進行防護時，加速度量值被降低到原來的百分之一，壓力降低到原來的二十分之一。如果采取灌封、強化結構等措施以后，測試儀器完全可以承受這一量值的沖擊。所以在強爆轟場中，采用全包裹型緩站結構可以達到測試儀器防護目的。其數值仿真結果對進一步的實物仿真中防護材料的選用和防護結構的設計具有重要指導意義。

［1］張文棟.存儲側試系統的設計理論及其應用［M］.北京：北京高等教育出版社，2002.

［2］楊平.電子信息設備抗振動沖擊防護理論與技術研究現狀和展望［J］.中國機械工程，2002，13（13）：356－359.

［3］楊秀敏.數值模擬在防護工程中的作用［C］／／中國土木工程學會防護工程分會第九次學術年會論文集，2004：616－624.

［4］Meyers M A.Dynamic behavior of materials［M］.New－York：John Wiley ＆Sons，1994.

［5］王永剛，胡時勝，王禮立.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（6）：33－35.

［6］王代華，劉殿書，杜玉蘭，等.泡沫吸能層防護結構爆炸能量分布的數值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（6）：563－566.