傳爆結(jié)構(gòu)對侵徹彈主裝藥動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算研究

孔慶強(qiáng)，許碧英，仲 凱，呂永柱

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

目前，侵徹彈藥研究中大多關(guān)注的是侵徹彈殼體及主裝藥在侵徹過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為了簡化模型，眾多研究并未考慮實(shí)際彈體中的傳爆裝藥及其結(jié)構(gòu)。而在實(shí)際中，在彈體對目標(biāo)實(shí)施侵徹毀傷時(shí)的高速、過載環(huán)境下，由于受到彈體尾部傳爆結(jié)構(gòu)的影響，主裝藥尾部存在復(fù)雜的力學(xué)行為，從而導(dǎo)致侵徹彈早燃、早爆，因此，有必要研究侵徹彈藥中傳爆結(jié)構(gòu)對主裝藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。

本文以典型結(jié)構(gòu)侵徹彈為參考，選取與之相同的材料參數(shù)與作戰(zhàn)環(huán)境，仿真計(jì)算在彈體對目標(biāo)靶板侵徹過程中，圓柱型傳爆結(jié)構(gòu)和半球形傳爆結(jié)構(gòu)對主裝藥尾部的力學(xué)響應(yīng)過程。得到主裝藥尾部與兩種不同傳爆結(jié)構(gòu)接觸典型位置的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間歷程曲線，從力學(xué)性能上分析不同傳爆結(jié)構(gòu)對主裝藥尾部的力學(xué)影響，為侵徹彈傳爆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)[1-2]。

1 模型的建立

1.1 幾何模型的建立

侵徹彈物理模型如圖1所示，構(gòu)建三維有限元模型，目標(biāo)靶板選取國外航母所使用的50mm厚單層鋼板。鑒于物理模型為幾何軸對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算時(shí)間，故構(gòu)建四分之一模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

在幾何模型主裝藥尾部分別添加如圖 2所示的圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)和半球形傳爆結(jié)構(gòu)，并使得主裝藥尾部具有相應(yīng)的幾何結(jié)構(gòu)能與之接觸配合。圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)與半球形傳爆裝藥結(jié)構(gòu)的體積相同，這樣能夠保證兩種傳爆結(jié)構(gòu)具有相同的傳爆藥與主裝藥裝藥量。

圖1 侵徹彈物理模型Fig.1 The model of penetrating projectile

圖2 侵徹彈尾部傳爆結(jié)構(gòu)幾何模型Fig.2 The tail-end of penetrating projectile model

在整個(gè)侵徹過程中影響傳爆結(jié)構(gòu)與主裝藥的力學(xué)性能的因素是多方面的，既有侵徹彈殼體的加工缺陷，又有主裝藥品種、形狀、壓制時(shí)的加工缺陷等，還有各種外在因素干擾，為使問題簡化，做出以下假設(shè)[3]：（1）侵徹彈殼體、傳爆結(jié)構(gòu)、主裝藥、目標(biāo)靶板為連續(xù)均勻介質(zhì)；（2）不考慮重力的影響；（3）不考慮空氣對彈體的摩擦力影響。

本文重點(diǎn)研究傳爆結(jié)構(gòu)與尾部主裝藥之間的力學(xué)響應(yīng)，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)，將這一部分的網(wǎng)格密度提高，以獲得更為精確的計(jì)算結(jié)果。

1.2 材料模型的建立

侵徹彈殼體、傳爆結(jié)構(gòu)、目標(biāo)靶板均采用Johnson/Cook彈-塑性模型及 Gruneisen狀態(tài)方程。Gruneisen狀態(tài)方程定義材料壓力為：

定義膨脹材料的壓力為：

式（1）～（2）中為當(dāng)前相對體積；C是（us——up沖擊波速度——質(zhì)點(diǎn)速度）曲線的截距；S1、S2和S3是us——up曲線斜率的系數(shù)；γ0是Gruneisen伽馬；a是對γ0的一階體積修正；E為材料內(nèi)能[4-5]。

本文主裝藥選用一般的彈-塑性模型。

1.3 材料參數(shù)

侵徹彈殼體、傳爆結(jié)構(gòu)、目標(biāo)靶板均為合金鋼，其材料參數(shù)：密度為7.83g/cm3，剪切模量為77GPa；其Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)：C=0.456 9，S1=1.49，S2=0，S3=0，γ0=2.17，α=0.46。

彈體內(nèi)主裝藥采用海薩爾炸藥的隨動(dòng)塑性力學(xué)模型，其材料參數(shù)：密度為 1.7g/cm3，楊氏模量為1.078GPa，泊松比為0.35，屈服強(qiáng)度162MPa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

定義模型彈體的初始侵徹速度都為350m/s，主裝藥在彈體內(nèi)部與彈體速度保持一致，計(jì)算時(shí)間同為5 000μs對目標(biāo)靶板進(jìn)行侵徹打擊。在與傳爆結(jié)構(gòu)接觸的主裝藥上面選取如圖3所示的6個(gè)典型觀測位置，通過LS-DYNA的后處理器得出觀測點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間歷程曲線，以對比兩種傳爆結(jié)構(gòu)對主裝藥影響。

2.1 主裝藥應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果

在彈體完成對目標(biāo)靶板的侵徹過程中，受到慣性力與目標(biāo)靶板的作用，侵徹彈殼體內(nèi)的主裝藥經(jīng)受著壓縮-回彈-再壓縮-再回彈的過程。從主裝藥在彈體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過程可以看出，在彈體完成侵徹的過程中，裝藥結(jié)構(gòu)及尾部主裝藥的力學(xué)行為十分復(fù)雜。

圖3 主裝藥尾部觀測點(diǎn)Fig.3 The observation points on tail-end of main charge

通過仿真計(jì)算得出如圖4所示的圓柱形、半球形傳爆結(jié)構(gòu)與主裝藥界面的6個(gè)觀測點(diǎn)的應(yīng)力——時(shí)間動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果。

圖4 不同結(jié)構(gòu)觀測點(diǎn)應(yīng)力——時(shí)間Fig.4 The results of dynamic response on different observation points

由圖4可知，在彈體開始對目標(biāo)靶板侵徹時(shí)（1 000μs），受到慣性力及殼體應(yīng)力波的影響，主裝藥內(nèi)部開始產(chǎn)生壓應(yīng)力，圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)的A點(diǎn)處在此時(shí)的應(yīng)力最大。通過觀察發(fā)現(xiàn)是由于殼體在侵徹過程中產(chǎn)生變形，在這一時(shí)刻對圓柱結(jié)構(gòu)的A點(diǎn)處有一個(gè)橫向的擠壓，使得圓柱結(jié)構(gòu)A點(diǎn)處的應(yīng)力在整個(gè)侵徹過程中達(dá)到一個(gè)峰值；在主裝藥產(chǎn)生回彈變形的時(shí)候，其內(nèi)部壓應(yīng)力開始變小，當(dāng)主裝藥回彈到與殼體尾部的傳爆結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)（2 000μs），由于受到殼體及其尾部傳爆結(jié)構(gòu)的約束作用，兩種傳爆結(jié)構(gòu)的所有觀測點(diǎn)的應(yīng)力在這個(gè)時(shí)刻達(dá)到一個(gè)峰值，其中圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)的C、E點(diǎn)，以及半球形傳爆結(jié)構(gòu)的C點(diǎn)的應(yīng)力都達(dá)到了主裝藥材料本身的屈服應(yīng)力（162MPa），從而使得主裝藥產(chǎn)生力學(xué)上的危險(xiǎn)點(diǎn)，圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)C點(diǎn)處屈服應(yīng)力的作用時(shí)間為40μs，而半球形傳爆結(jié)構(gòu)C點(diǎn)處屈服應(yīng)力作用時(shí)間為16μs；在第2次主裝藥的壓縮回彈后，主裝藥與傳爆結(jié)構(gòu)發(fā)生第2次碰撞，各個(gè)觀測點(diǎn)應(yīng)力上升，由于主裝藥與殼體內(nèi)壁的摩擦力作用，使得第2次回彈碰撞對主裝藥的應(yīng)力小于第1次，兩種傳爆結(jié)構(gòu)各個(gè)觀測點(diǎn)的應(yīng)力均小于主裝藥的屈服應(yīng)力。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析與討論

圖4中，圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)界面主裝藥最大應(yīng)力點(diǎn)在C、E兩點(diǎn)處，分析其原因，C、E兩點(diǎn)處有尖銳的幾何角度，這就使得這兩點(diǎn)處主裝藥存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而形成力學(xué)危險(xiǎn)點(diǎn)；半球形傳爆結(jié)構(gòu)界面主裝藥的最大應(yīng)力點(diǎn)在C處，其原因同樣是因?yàn)榇颂幍募怃J幾何角度產(chǎn)生了應(yīng)力集中，而在與圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的E點(diǎn)處，其應(yīng)力只有110MPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)E點(diǎn)處的應(yīng)力。

對比兩種結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，半球形傳爆結(jié)構(gòu)的主裝藥尾部C點(diǎn)處同樣是一處危險(xiǎn)點(diǎn)，但半球形傳爆結(jié)構(gòu)上屈服應(yīng)力的作用時(shí)間要少于圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)上主裝藥屈服應(yīng)力的作用時(shí)間。同時(shí)，因?yàn)榘肭蛐蝹鞅Y(jié)構(gòu)采用了圓滑過渡的幾何結(jié)構(gòu)，其周圍主裝藥應(yīng)力分布均勻，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3 結(jié)論

半球形傳爆結(jié)構(gòu)避免了幾何上的尖銳角過渡，減少了應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，半球形傳爆結(jié)構(gòu)比圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)對主裝藥具有更為安全的力學(xué)響應(yīng)結(jié)構(gòu)，即半球形傳爆結(jié)構(gòu)的抗過載性能要優(yōu)于圓柱形傳爆結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計(jì)侵徹彈藥時(shí)，既要考慮起爆彈藥主裝藥的起爆性能，更要關(guān)注侵徹彈尾部傳爆結(jié)構(gòu)及其與主裝藥界面的力學(xué)性能。

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