羅普光，毛 亮，李國(guó)杰，魏晨楊，劉偲雯，姜春蘭

(1.北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)院與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

活性破片是新型多功能復(fù)合材料制備的高效毀傷元，是近年來(lái)高效毀傷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。當(dāng)以一定速度撞擊目標(biāo)時(shí)，沖擊波使活性材料內(nèi)部發(fā)生變形重組，自行激發(fā)爆炸/爆燃反應(yīng)，以增強(qiáng)其對(duì)靶板目標(biāo)的后效作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(yīng)劇烈、釋能高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)靶后目標(biāo)具有較好的引燃、引爆效果，但材料強(qiáng)度較低，在戰(zhàn)斗部中作為破片使用時(shí)需要?dú)んw防護(hù)；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(qiáng)度高、制備工藝簡(jiǎn)單以及毀傷效果較好，可直接作為破片應(yīng)用于戰(zhàn)斗部。

目前對(duì)活性破片撞靶破碎行為及對(duì)靶后目標(biāo)毀傷的理論研究較少，本文主要通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)合的方法，研究鋯基非晶活性破片撞擊靶板過(guò)程及靶后碎片云的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)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(guò)程數(shù)值模擬

1.1 仿真算法與有限元模型

光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(簡(jiǎn)稱SPH)方法為無(wú)網(wǎng)格的Lagrange方法，在計(jì)算過(guò)程中可以有效避免有限元方法中網(wǎng)格的畸變和負(fù)體積等問(wèn)題。近年來(lái)，該方法在高速碰撞領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。

本文運(yùn)用AUTODYN軟件對(duì)鋯基非晶破片撞擊靶板過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，由于模型的對(duì)稱性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)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(shè)置為10 μm。

圖1 SPH數(shù)值計(jì)算模型示意圖Fig.1 Shape of debris clouds at different condition

1.2 材料模型與狀態(tài)方程

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中破片和靶板均采用Johnson-Cook材料模型以及Mie-Gruneisen狀態(tài)方程描述其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，前端靶板材料選擇45#鋼，后端靶板材料選2A12鋁。

Mie-Gruneisen狀態(tài)方程可通過(guò)沖擊絕熱關(guān)系確定，對(duì)于拉伸區(qū)材料：

=+(+)

(1)

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

表1 Mie-Gruneisen狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 State parameters of Mie-Gruneisen equation

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

(2)

1.3 計(jì)算結(jié)果與分析

鋯基非晶活性破片典型撞靶過(guò)程

活性破片毀傷元的作用目標(biāo)一般是帶有一定厚度防護(hù)的裝甲目標(biāo)，因此在仿真計(jì)算的過(guò)程中，用6 mm鋼板模擬輕型裝甲?？紤]到實(shí)際情形下破片在飛行過(guò)程中存在速度衰減，因此本文對(duì)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明不同速度破片撞擊靶板過(guò)程中發(fā)生破碎并生成碎片云的過(guò)程基本相似，因此選取其中一個(gè)算例進(jìn)行簡(jiǎn)述。

當(dāng)鋯基非晶破片以1 200 m/s速度撞擊6 mm鋼板時(shí)，破片碎裂及其靶后運(yùn)動(dòng)情況的數(shù)值模擬仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 破片撞擊靶板數(shù)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(guò)程中，靶板和破片發(fā)生部分破碎，碎片向破片運(yùn)動(dòng)反方向?yàn)R射，且反向?yàn)R射碎片群呈喇叭狀；定義破片侵靶運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S向，與之垂直為徑向，隨著侵徹的進(jìn)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(kuò)展，徑向?qū)挾扰c軸向長(zhǎng)度比值越來(lái)越小，具體數(shù)值見(jiàn)表2。從圖2中可以看出，靶后碎片云徑向長(zhǎng)度最大處至碎片云頭部的碎片分布密度最大，此部分區(qū)域可稱為主體碎片云。

表2 不同時(shí)間碎片云徑向?qū)挾扰c軸向長(zhǎng)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(guò)程特性分析

在圖2中，取靶后碎片云頭部破片碎片質(zhì)點(diǎn)為特征觀察點(diǎn)1、靶后碎片云頭部靶板碎片質(zhì)點(diǎn)為特征觀察點(diǎn)2、靶后碎片云徑向長(zhǎng)度最大處碎片質(zhì)點(diǎn)為特征觀察點(diǎn)3、靶前反向?yàn)R射質(zhì)點(diǎn)為特征觀察點(diǎn)4，觀察4個(gè)特征點(diǎn)軸向和徑向的速度變化曲線如圖3。

圖3 特征點(diǎn)速度時(shí)間曲線Fig.3 velocity against time curve characteristic point

從圖3可知：

1)對(duì)于靶后碎片云徑向長(zhǎng)度最大處碎片(特征觀察點(diǎn)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(duì)于靶后碎片云(特征觀察點(diǎn)2和特征觀察點(diǎn)3)，在破片貫穿靶板時(shí)，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(xù)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(duì)于靶前反向?yàn)R射碎片群(特征觀察點(diǎn)4)，破片撞擊靶板瞬間，碎片獲得軸向負(fù)速度和徑向飛散速度，軸向負(fù)速度略微減小后趨于穩(wěn)定，徑向速度快速減小后保持不變。

從圖3時(shí)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(wěn)定，30 μs后軸向速度趨于穩(wěn)定。由于靶后碎片云頭部和徑向長(zhǎng)度最大處存在軸向速度差，隨著時(shí)間的增大，碎片云主體部分在軸向不斷拉長(zhǎng)。

根據(jù)上述模型分別對(duì)鋯基非晶活性破片以500～2 000 m/s速度撞擊6 mm鋼板進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，活性破片撞擊靶板時(shí)，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(dāng)活性破片撞擊靶板速度較低時(shí)，破片只發(fā)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(shí)，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(shù)值模擬仿真結(jié)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(guò)程試驗(yàn)研究

2.1 彈道槍試驗(yàn)方法

鋯基非晶活性破片侵徹靶板實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖5所示。使用12.7 mm彈道槍發(fā)射破片，破片速度由測(cè)速儀測(cè)得，撞擊靶與彈道槍距離為5 m，測(cè)速儀距離撞擊靶0.5 m，通過(guò)改變發(fā)射藥質(zhì)量調(diào)節(jié)破片的初速。由于測(cè)速靶與撞擊靶距離較近，破片速度衰減較小，可認(rèn)為測(cè)時(shí)儀計(jì)算的速度即為破片撞擊靶板速度。試驗(yàn)過(guò)程中利用高速攝影儀記錄活性破片撞擊靶板過(guò)程。

圖5 活性破片對(duì)靶板侵徹實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.5 schematic diagram of the penetration experiment of reactive fragment on the target plate

本次實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(yàn)證板。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

鋯基非晶活性破片撞靶過(guò)程典型現(xiàn)象

鋯基非晶活性破片以1 225 m/s速度撞擊靶板時(shí)，活性破片撞擊過(guò)程如圖6所示。撞擊板過(guò)程中破片發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生明亮的火光。隨著撞擊速度的增大，撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的火光更為強(qiáng)烈，且持續(xù)時(shí)間隨之增加；撞擊過(guò)程中靶板背面的火光近似橢圓形，火焰隨時(shí)間沿軸向和徑向擴(kuò)展，且在火光周圍能觀察到活性破片碎片持續(xù)燃燒產(chǎn)生的火星，由此可以對(duì)應(yīng)活性破片在撞擊靶板時(shí)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(xiàn)象

典型情況下破片對(duì)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(duì)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(shí)別方法對(duì)第二層鋁板的擴(kuò)孔面積進(jìn)行識(shí)別統(tǒng)計(jì)分析，不同速度下破片穿透6 mm厚45#鋼板后對(duì)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(yàn)與仿真結(jié)果分析

鋯基非晶活性破片以不同速度撞擊靶板時(shí)，破片在靶后200 mm處的作用面積計(jì)算值與試驗(yàn)過(guò)程中破片對(duì)第二層鋁板的擴(kuò)孔面積如圖8所示。數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，由此驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型的正確性。從圖8可以看出，當(dāng)撞擊速度較小時(shí)，破片在侵徹過(guò)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(dāng)破片撞擊速度從500 m/s增加到 2 000 m/s時(shí)，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(guān)系曲線Fig.8 Relationship between damage area behind target and impact velocity

3 結(jié)論

1)鋯基非晶活性破片撞靶過(guò)程中會(huì)在靶后形成碎片云，隨著時(shí)間的增加，碎片云的輪廓增大，形成碎片云對(duì)靶后目標(biāo)較大的毀傷區(qū)域；

2)鋯基非晶活性破片撞擊鋼板時(shí)，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(shí)，碎片云面積增加736.7%，結(jié)合仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)撞擊速度到達(dá)2 000 m/s后，碎片云面積達(dá)到最大值，活性破片對(duì)靶后目標(biāo)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(shí)會(huì)發(fā)生劇烈爆燃反應(yīng)，對(duì)靶后目標(biāo)造成較強(qiáng)的擴(kuò)孔毀傷效果，后續(xù)可以針對(duì)破片撞靶過(guò)程中的釋能特性展開(kāi)進(jìn)一步數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究。

4)鋯基非晶活性破片撞靶過(guò)程的數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了仿真模型正確，可以對(duì)后續(xù)的活性破片仿真計(jì)算提供參考。