侵徹單層靶時著靶姿態對裝藥損傷的影響規律研究

張萌昭　周忠彬　沈飛

[關鍵詞]爆炸力學；固體力學；著靶姿態；彈體侵徹；裝藥損傷

[分類號]TJ55

0引言

侵徹戰斗部應用自身動能對目標防御工事進行貫穿，戰斗部裝藥引爆，對目標形成毀傷。戰斗部裝藥在制備過程中將不可避免產生初始細微缺陷。當戰斗部侵徹目標靶時，在脈沖加載條件下，裝藥的缺陷極易不斷擴展成為裂紋，形成熱點，甚至引起提前點火，從而影響毀傷效果。同時，戰斗部受到發射條件及目標靶板的限制，往往在侵徹過程中存在一定攻角、著角，使得彈體的受力情況更為復雜，對戰斗部的裝藥安定性產生較大影響。因此，對不同著靶姿態下裝藥的損傷情況進行研究具有重要意義。

目前，已有大量學者對侵徹過程中裝藥的力學響應及損傷機理進行了試驗及數值模擬方面的研究。呂鵬博等模擬了不同攻角下含裝藥缺陷的戰斗部的穿甲過程，發現穿單層靶情況下，攻角越大，裝藥缺陷對安定性的影響越大。劉月勝等對裝藥彈丸侵徹混凝土靶板的過程進行了數值仿真研究，發現入射角越大，裝藥受到的塑性波幅值突變越大，而作用時間越短，對裝藥損傷越小。Lefrancois等通過試驗對高速彈體以一定攻角侵徹靶板的過程進行研究，發現彈體出現彎曲且尾部裝藥出現宏觀裂紋。石嘯海等基于內聚力模型，對侵徹半無限大混凝土靶板過程進行了數值仿真研究，發現裝藥的頭部和尾部分別在壓應力和拉應力的作用下產生損傷。侯曠怡等通過數值仿真研究了著靶姿態對戰斗部穿甲過程的影響，分析了不同著靶姿態下的裝藥加速度，發現與著角相比，攻角對裝藥的過載影響較大。上述研究多基于數值仿真，結果易受到本構模型及計算方法的影響：而試驗只對特定攻角下的裝藥損傷進行分析，并未得到不同著靶姿態下裝藥的損傷演化規律，結果具有一定的局限性，難以滿足復雜的侵徹條件下的裝藥損傷研究需求。因此，需要通過更加貼近真實受力條件下的裝藥損傷試驗方法，結合仿真模擬觀測裝藥內部的受力情況，得到著靶姿態對裝藥損傷的影響規律，為侵徹戰斗部的裝藥設計及安全使用提供參考。

本文中，將試驗彈在相同著角條件下以不同的攻角侵徹金屬靶板，通過CT掃描對比試驗前、后惰性模擬藥柱的損傷情況，結合數值模擬分析裝藥的受力情況，得到著靶姿態對裝藥損傷的影響規律。

1侵徹試驗

1.1試驗彈體及惰性填充物設計

試驗彈依托于某戰斗部結構進行幾何縮比，結構如圖1所示。考慮到超聲速侵徹條件下對彈體質量及裝填比的要求，殼體采用與傳統高強度鋼相比密度更小、強度更高的TA15鈦合金材料。試驗彈主要由殼體組件、惰性填充物、惰性裝藥和閉氣裝置組成。戰斗部總質量為20 kg，彈體總長330 mm，長徑比為2.75，彈體頭部形狀系數R_CRH為1.58。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定、連接，保證彈體在炮膛內不漏氣、受力均勻、發射順利。閉氣環為尼龍材料。

惰性填充物的主要成分為硫酸銨和鈍感劑，成型密度為1.80g/cm³

對比含鋁炸藥和模擬裝藥的應力，應變曲線可以看出：在相同的外力條件下，模擬裝藥的靜態力學響應與真實含鋁炸藥相近；且由于模擬裝藥的最大抗壓強度、最大抗拉強度均低于真實炸藥，故模擬裝藥的損傷區域包含了真實炸藥的損傷區域，為防護結構的設計和優化提供可靠參考依據。

模擬裝藥與含鋁炸藥的拉壓力學性能參數對比如表1所示。表1中：ρ為材料密度；σ₁為最大準靜態抗拉強度；σ₂為最大準靜態抗壓強度；E為材料彈性模量；v為材料泊松比。由表1可以看出，模擬裝藥的力學性能與真實炸藥性能接近。

模擬裝藥與含鋁炸藥兩種材料在不同應變率下的強度隨壓力的增加基本呈線性增長關系，且斜率幾乎保持不變，可以通過仿真模型規定應變率增強因子，描述材料在不同應變率下的強度。因此，在研究中使用模擬裝藥可以反映真實裝藥的損傷變化情況。

戰斗部內腔共由3節惰性藥柱填充。其中兩節藥柱形狀為圓柱形，頭部藥柱主體為圓臺形，底部為圓柱形，如圖3所示。母線與試驗彈殼體匹配，頭部及尾部均留有10 mm間隙，裝藥與殼體間隙為2mm，裝配接觸面及間隙填充有成型硅橡膠，保證藥柱與藥柱、藥柱與殼體之間緊密接觸，避免填充物在殼體內振蕩。

試驗前，裝藥無肉眼可見缺陷，藥柱周圍填充成型硅橡膠。裝藥后，對試驗彈進行DR圖像（數字化X射線成像）及CT圖像檢驗，結果如圖4所示。

1.2試驗布局

金屬靶板尺寸為1500 mm×1500 mm×14mm，靶板傾斜35°，靶板底部嵌入支架下部卡槽，支架底部用沙土固定，保證穿靶過程靶板傾斜角度及侵徹距離保持不變。采用125 mm口徑的滑膛炮對試驗彈體進行發射。火炮布設于靶板正前方約30m處。高速攝影放置在靶板側面，記錄試驗彈侵徹靶板的動態過程。在靶前4m處設置標桿，用以測量試驗彈入靶速度。試驗彈穿透靶板后落入松軟土壤。對試驗彈回收，進行CT掃描以觀測裝藥損傷情況。靶標擺放如圖5所示。

2試驗結果

2.1彈體的侵徹能力

假設彈體位于入射平面內，攻角為彈體速度矢量在水平面上的投影與彈體軸線方向的夾角：著角為彈體速度矢量與靶板法線之間的夾角：傾角為彈體軸線與靶板法線之間的夾角。當速度的投影沿順時針方向旋轉最小角度后與彈體軸線方向重合時，定義攻角、著角、傾角為正，反之則為負，如圖6所示。

共發射了3發試驗彈。3發試驗彈的侵徹狀態如表2所示。

3個試驗彈均成功侵徹鋼靶并完整回收。圖7給出高速攝影記錄下1#試驗彈的侵徹過程。可以看到，1#試驗彈以較為平穩的角度穿過靶板，與金屬靶板接觸時出現大量火花，穿過靶板后繼續飛行至松軟土堆中。金屬靶板彈孔近似為橢圓形，靶孔直徑略大于試驗彈外徑，靶板主要損傷模式為花瓣形開裂，如圖8所示。

2.2裝藥損傷情況

1#試驗彈侵徹金屬靶板后的裝藥損傷情況如圖9所示。從DR圖像可以看到，與侵徹前相比，1#試驗彈藥柱間間隙與頭部硅橡膠厚度減小，藥柱整體前移。頭部截面裝藥與殼體間隙減小，且出現少量孔隙；與頭部相比，中部裝藥產生的孔隙更多，且集中于裝藥一側，裝藥與硅橡膠之間出現細微間隙；尾部裝藥出現兩條徑向細小裂紋，由邊緣向內擴展，裝藥與硅橡膠之間的裂紋寬度增加，硅橡膠出現裂紋，損傷集中于藥柱一側。

2#試驗彈損傷情況如圖10所示。由圖10可知，2#試驗彈頭部的硅橡膠厚度也有所減小，藥柱之間縫隙更加不明顯，尾部出現縫隙。且藥柱一側出現明顯損傷，損傷范圍沿彈體軸向由底部向頭部逐漸縮小，損傷區域約占整個藥柱長度的2/3。觀察CT圖像發現，頭部藥柱無明顯損傷。中部藥柱出現深度裂紋和塌邊現象，主裂紋向內延伸并分裂出多條細小裂紋，主裂紋呈現圓弧形走向，藥柱外部硅橡膠斷裂，藥柱與殼體之間出現較大間隙。尾部藥柱損傷最嚴重，損傷區域更大，裂紋分布范圍更廣且裂紋條數明顯增加，主裂紋寬度增加，塌邊現象更加明顯，硅橡膠斷裂，出現殘渣，藥柱與殼體之間出現約3 mm的縫隙。

3#試驗彈攻角為-22°.損傷情況如圖11所示。從DR圖像上看到，彈體變形嚴重，鈦合金外殼出現裂紋，殼體部分斷裂并嵌入藥柱。藥柱隨外殼的變形產生較大變形，但無明顯損傷。頭部藥柱與殼體之間的硅橡膠厚度減小，藥柱前移且出現橢圓形變形，損傷以孔隙為主，同時在一側出現局部輕微損傷。中部藥柱變形較頭部小，藥柱內部出現孔隙，硅橡膠斷裂且與藥柱之間出現縫隙。尾部藥柱變形最小，孔隙較大且分布較為集中，硅橡膠出現多條裂紋，藥柱與硅橡膠之間仍緊密結合。

從回收試驗彈的CT掃描截面可以看出，隨著攻角的增加，殼體的損傷變形程度增大，而裝藥的損傷程度與傾角正相關。1#和3#試驗彈傾角較小（+28°、+13°），裝藥基本保持完整，損傷以孔隙為主，裝藥與殼體之間硅橡膠出現部分斷裂。當傾角較大（+36°）時，裝藥出現明顯損傷，且越靠近底部，損傷越嚴重，裝藥與殼體之間硅橡膠斷裂區域較大，損傷分布有明顯不均勻現象。

3分析與討論

3.1能量分析

斜撞擊的初始進入階段十分復雜，由于非對稱作用力不經過彈體質心，存在一定時間的動量矩作用。在動量矩的作用下，彈體沿質心近似按照螺旋線旋轉；侵入過程中，彈體與靶板的接觸面積不斷變化，使得彈體在侵徹過程中受力的方向及大小不斷改變，如圖12所示。圖12中，P為彈體侵徹過程中非對稱作用力的作用點；M為過質心O的動量矩；F_P為橫向合阻力；v為彈體侵徹速度；β為入射角；δ為偏轉角。

基于正侵徹理論和動量守恒思想，對卵形彈體斜撞擊過程中的偏轉現象進行了理論分析。圖12（a）中，當斜侵徹的入射角為β時，彈體穿過靶板的偏轉角為δ，所以穿過靶板后彈體的傾斜角為（δ+β）。設彈體質量為m，初始速度為v₀，開始時的動量為mv₀，方向與入射角相同，因此彈體用于剪切沖塞或韌性擴孔的有效撞擊速度為v₀cos δ，得到卵形彈體貫穿靶板后的有效剩余速度V_f為：

隨著攻角、著角的增加，彈體在侵徹過程中損失的動能也在不斷增加。損失的動能一部分被裝藥吸收，轉化為彈性勢能，當彈體出靶后裝藥產生回彈效應，受到拉伸作用力而產生裂紋。因此，攻角、著角越大，裝藥越容易產生損傷。

3.2仿真分析

對于試驗過程中裝藥的受力情況需要通過數值模擬進一步分析。利用LS-DYNA軟件，進行1#～3#試驗彈3種工況下的數值模擬研究。考慮計算的對稱性，采用1/2模型提高計算效率，靶板定義對稱面和無反射邊界，殼體與鋼靶之間為侵蝕接觸。殼體及靶板均采用Johnson_Cook模型。裝藥則使用*Mat_Concrete_Damage_Rel 3模型反映動態力學變化，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。主要材料參數見表3。

使用仿真模型計算得到彈體的出靶角度、出靶速度。與試驗結果對比如表4所示。

對比發現，仿真計算得到的出靶速度及出靶姿態與試驗結果十分接近，而彈體速度和姿態與彈體在侵徹過程中的受力密切相關；因此，仿真模型可靠。裝藥受到應力波作用，承受動態應力而產生不同損傷，參考裝藥中應力的傳播特性對把握不同位置的應力狀態、分析裝藥損傷產生的原因有重要作用。基于該仿真模型對裝藥受到的應力作用進行分析。選取3個典型裝藥結構參考單元，見圖14。得到裝藥結構在侵徹過程中3個不同位置應力，時間曲線及應力分布云圖，分別如圖15和圖16所示。

觀察3發試驗彈內裝藥的應力曲線發現，頭部在初始時刻承受較大的軸向應力，產生應力集中現象；隨著侵徹的深入，應力波傳播至中部，且有一定衰減；在尾部，應力波反射形成拉伸波，對尾部裝藥產生拉伸作用。裝藥整體應力曲線均呈現出慣性振蕩現象。其中，1#和3#試驗彈的裝藥最大應力出現在頭部，而2#試驗彈的裝藥最大應力出現在尾部。3#試驗彈在侵徹過程中殼體產生較大變形，裝藥內部始終處于150 MPa的壓縮應力狀態下，整體受到壓縮應力的持續作用，應力波振蕩最小。

比較3發試驗彈侵徹過程中的應力云圖，可以看到，由于攻角的影響，侵徹彈在入靶時受到靶板擠壓，裝藥頭部承受的沖擊載荷較大，產生應力集中現象；隨著侵徹的深入，應力波傳至尾部，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縮狀態、下部為拉伸狀態。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現象。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。隨著攻角的增加，彈體受到的偏轉力矩作用越大，產生的應力作用不均效果越明顯。1#試驗彈上、下兩側應力差異大于2#試驗彈，而3#試驗彈殼體在侵徹過程中裝藥產生的較大變形施加了持續的壓應力。當彈體出靶時，1#和2#試驗彈尾部上側會受到靶板的持續作用，而尾部下側受力較小，產生的偏轉力矩使得裝藥上側受到拉伸作用，而下側受到應力的壓縮作用。3#試驗彈裝藥仍然受到殼體壓縮應力作用，裝藥上側未產生拉伸應力。在侵徹單層靶板的過程中，頭部裝藥主要承受壓縮應力，而中部裝藥受到拉伸一壓縮應力的反復作用，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。

如圖17所示，隨著彈體侵徹時傾角的增加，藥柱在殼體內壓縮一拉伸循環的軸向形變量不斷增加，而循環所需時間不斷減小。當傾角從+13°（3#彈）增加至+36°（2#彈）時，裝藥軸向變形量由0.28 cm增加至0.38cm，增大35.7%；循環時間由66μs減小至61μs，減小8%。即當傾角更大時，藥柱在相同時間內要承受強度更大、次數更多的應力波反復拉壓作用，尾部與殼體的擠壓摩擦次數更多，更易產生損傷。同時，裝藥長度的軸向變化量隨時間的變化與裝藥應力變化趨勢一致，裝藥長度受到裝藥應力的影響較大，與理論分析吻合較好。隨著侵徹過程的進行，藥柱的慣性力逐漸降低，變形量逐漸減小。當傾角更小時，裝藥受到的剪切力更小，裝藥更容易恢復至穩定狀態。

將侵徹過程中能量損耗的仿真結果、試驗結果與理論分析進行對比，得到圖18。隨著攻角增加，彈體在侵徹過程中的能量損耗增加。部分能量用于侵徹過程中對靶板的擴孔及彈體的變形；同時，裝藥在內部的壓縮變形也會儲存彈性應變能。其中，3#試驗彈侵徹能量損耗最高，而由于攻角較大，殼體變形嚴重，靶板單孔直徑為230 mm，故侵徹靶板消耗的能量也最大。結合圖17，雖然裝藥儲存了大量的彈性應變能，但殼體變形嚴重，裝藥始終處于壓縮狀態，儲存的彈性應變能難以釋放，藥柱整體產生的損傷較小。1#試驗彈（攻角為-7°）靶板彈孔直徑為171mm，是2#試驗彈（+1°攻角）產生的彈孔直徑的1.3倍，而能量損耗為1.2倍，2#試驗彈內裝藥儲存的彈性應變能更高。當能量釋放時，裝藥回彈幅度越大，與殼體擠壓摩擦作用越劇烈，形成的損傷越明顯。與仿真得到的裝藥變形曲線結論一致。

結合圖15～圖18分析發現，損傷的演化發展與裝藥的反復壓縮，拉伸密切相關。在侵徹過程中，3發試驗彈雖然頭部裝藥承受較大的沖擊應力，但是該區域在侵徹過程中始終處于壓縮狀態，且三向受壓，微裂紋處于自鎖狀態，較難發生剪切滑移與擴展。同時，模擬裝藥中的石蠟等物質在高溫下起到流動滑移的作用，所以頭部整體產生的損傷較小。應力波傳播至中部有所衰減，故中部裝藥損傷以孔隙為主。尾部裝藥受到拉伸作用，在侵徹過程中不斷與殼體擠壓摩擦，裂紋更容易發生擴展，進而形成宏觀損傷。同時，隨著傾角的增加，裝藥軸向變形增大，尾部裂紋數量及分布區域增加，甚至發展為塌邊等宏觀損傷。非對稱作用力形成的力矩作用于藥柱，使得損傷分布更集中于一側。

4結論

依據縮比原則，設計試驗彈結構，開展了試驗彈侵徹單層鋼靶的試驗。著重研究了彈體在侵徹過程中著靶姿態對裝藥損傷的影響，并結合數值仿真對彈體侵徹鋼靶過程中裝藥的動態力學響應進行了分析，與試驗結果進行對比，主要得到如下結論：

1）通過分析斜侵徹時彈體的受力特性發現，彈體在侵徹過程中的能量損耗與彈體攻角、著角正相關，理論計算結果與試驗和仿真結果吻合較好，誤差控制在15%以內。且能量損耗越大，裝藥儲存的彈性勢能越大，能量釋放時引起的裝藥變形量越大，更易引起裝藥損傷。

2）在侵徹過程中，侵徹彈尾部受到應力波反復振蕩拉伸作用，與端蓋發生擠壓，同時受到應力的剪切作用，與頭部和中部裝藥相比，微裂紋更易發生擴展。當攻角、著角耦合作用時，傾角越大，裝藥損傷越嚴重。

3）壓縮應力較大時可以使微裂紋處于摩擦自鎖狀態，避免裂紋的滑移和擴展，減緩損傷區域擴展。因此，在裝藥時可以提高藥柱與殼體內徑的匹配度，避免藥柱在沖擊過程中的側轉，同時施加適當的預壓力，在裝藥尾部添加緩沖物質，避免裝藥損傷的產生。