反應(yīng)裝甲干擾射流過(guò)程數(shù)值模擬*

夏松林,劉宏偉,韓立軍,黃仲昊

(1中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008)(2徐州空軍學(xué)院,江蘇徐州 221000)

0 引言

反應(yīng)裝甲是掛在坦克主裝甲外面的一種半主動(dòng)裝甲,基本結(jié)構(gòu)是在兩塊薄板之間夾有薄層炸藥,炸藥爆炸時(shí),驅(qū)動(dòng)金屬平板沿法向飛散,強(qiáng)烈干擾聚能金屬射流或穿甲桿體,使之失效或者降低侵徹能力。

文獻(xiàn)[1]通過(guò)射流垂直侵徹炸藥材料整個(gè)過(guò)程數(shù)值模擬,認(rèn)為在爆轟壓力作用下,射流回流與后續(xù)射流作用,干擾后續(xù)射流;文獻(xiàn)[2]在考慮爆轟壓力作用下建立了射流垂直侵徹炸藥材料模型;文獻(xiàn)[3]射流侵徹反應(yīng)裝甲進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究,提出了著名的“卵石”干擾模型;文中采用三維有限元程序模擬射流的形成及對(duì)反應(yīng)裝甲的侵徹過(guò)程,旨在分析炸藥爆炸后形成的產(chǎn)物飛散場(chǎng)及拋射加速的面板對(duì)射流侵徹能力的影響。

1 “卵石”模型干擾過(guò)程分析

M.Mayseless等人[3]在對(duì)射流與飛板相互作用的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象研究基礎(chǔ)上,不考慮飛板的變形,根據(jù)飛板和射流的質(zhì)量流mp和mj的比值,把飛板與射流相互作用分為間斷和連續(xù)過(guò)程:認(rèn)為射流撞擊飛板時(shí)坑的擴(kuò)展速度很高,射流會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)脫離與板接觸的情況,但隨著坑的擴(kuò)展速度下降,又會(huì)使射流與坑邊重新接觸,這一過(guò)程重復(fù)出現(xiàn)導(dǎo)致板周期性間斷干擾射流。而射流受飛板切割后,不僅直徑會(huì)有一個(gè)減小量,并同時(shí)獲得一個(gè)橫向速度從而使射流的后續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生彎曲、斷裂。應(yīng)用動(dòng)量守恒定理得到干擾后射流速度偏轉(zhuǎn)角為[3]:

式中:ρp、ρj分別為板和射流密度;υj為射流微元速度;dj為局部射流直徑;h為板厚;θ0為板與射流夾角?！奥咽Ｐ汀蔽锢磉^(guò)程明確,并得到了部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,逐漸被大家接受。但該模型未考慮飛板在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生變形,這對(duì)計(jì)算射流橫向速度造成誤差。

2 數(shù)值計(jì)算模型及材料參數(shù)

聚能裝藥射流是金屬藥型罩在爆炸產(chǎn)物作用下向中心軸線閉合產(chǎn)生的塑性金屬流,它具有較高的頭部速度,并存在一定的速度梯度,射流邊運(yùn)動(dòng)邊拉伸。另外,射流與靶板的相互作用過(guò)程是一個(gè)高速碰撞過(guò)程,侵徹中會(huì)出現(xiàn)大應(yīng)變、大變形及高應(yīng)變率現(xiàn)象,采用LS-DYNA程序中純Lagrangian算法很難實(shí)現(xiàn)射流形成、拉伸及侵徹過(guò)程的數(shù)值模擬?；谝陨峡紤],建模時(shí)所有涉及的材料模型均采用Eulerian算法,即采用LS-DYNA程序的多物質(zhì)ALE算法。

計(jì)算模型裝藥直徑56mm,罩后藥柱高度31mm,藥型罩為紫銅,口部直徑54mm,罩厚 1mm,炸高80mm。計(jì)算時(shí)藥型罩和平板均采用Johnson-Cook模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程共同描述,該模型能描述與材料應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度相關(guān)的強(qiáng)度變化[1],藥型罩和靶板的主要參數(shù)如表1所示。主裝藥采用JWL狀態(tài)方程,材料特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 炸藥材料基本參數(shù)

表1 材料基本參數(shù)

夾層裝藥為軍用B炸藥,采用彈塑性模型(ELAS TIC_PLASTIC_HYDRO)和點(diǎn)火與增長(zhǎng)狀態(tài)方程(IGNITION_GROWT H_OF_REACTION_IN_HE)來(lái)共同描述,所涉及的材料參數(shù)如表3所示。表中參數(shù)的物理意義為:I為控制點(diǎn)火熱點(diǎn)數(shù)量參數(shù);G1和G2分別為控制點(diǎn)火后熱點(diǎn)早期的反應(yīng)增長(zhǎng)和高壓下的反應(yīng)速度,與炸藥顆粒接觸狀態(tài)有關(guān);a為臨界壓縮度,用來(lái)限度點(diǎn)火界限,當(dāng)壓縮度小于a時(shí)炸藥不點(diǎn)火;b、c為反應(yīng)速度最大位置的相關(guān)參數(shù);d、g為熱點(diǎn)成長(zhǎng)形狀有關(guān)參數(shù);y和z為燃燒反應(yīng)的非層流特性有關(guān)的參數(shù),其取值范圍一般0.8～2.0之間,λig,max、λG1,max分別為點(diǎn)火與燃燒反應(yīng)度極大值;λG2,min反應(yīng)度的極小值,ρ0為炸藥密度,PCJ為C-J爆轟壓力;D為爆轟速度。由于采用了ALE算法,必須保證各物質(zhì)模型邊界面共節(jié)點(diǎn)。整個(gè)模型包括主裝藥、藥型罩、主靶板、夾層炸藥(面板、炸藥和背板)組成,聚能裝藥與反應(yīng)裝甲成45°。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱,采用二分之一結(jié)構(gòu)模擬,射流斜侵徹反應(yīng)裝甲基本模型如圖1所示。

表3 B炸藥點(diǎn)火增長(zhǎng)模型材料參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 垂直侵徹試驗(yàn)結(jié)果比較

試驗(yàn)采用56mm標(biāo)準(zhǔn)聚能侵徹體,本試驗(yàn)采用450kV兩臺(tái)脈沖X光機(jī)組合進(jìn)行拍攝,兩臺(tái)脈沖X光射線管布設(shè)成45°匯交,實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)試反應(yīng)裝甲飛板的變形過(guò)程和飛散速度,所以聚能侵徹體與反應(yīng)裝甲以垂直方式布設(shè),并保證成形后聚能侵徹體通過(guò)兩臺(tái)X射線管匯交軸。由于試驗(yàn)條件限制,只進(jìn)行射流垂直侵徹反應(yīng)裝甲試驗(yàn)。

通過(guò)設(shè)置兩個(gè)脈沖X光機(jī)不同的出光時(shí)間,這樣一次試驗(yàn)就可以得到兩張不同時(shí)刻的X光照片,從而得到飛板的速度。平板運(yùn)動(dòng)與變形的X光照片如圖2所示,與圖中垂直侵徹?cái)?shù)值模擬得到的飛板變形基本一致。實(shí)驗(yàn)得到平板的極限速度為933 m/s。數(shù)值模擬得到的平板極限速度為1010 m/s,比實(shí)驗(yàn)略大,誤差在10%以內(nèi),說(shuō)明采用上述模型和材料參數(shù)模擬射流侵徹反應(yīng)裝甲過(guò)程基本正確。

圖2 反應(yīng)裝甲平板變形(60μ s)

3.2 斜侵徹?cái)?shù)值模擬與結(jié)果分析

圖3為射流與傾角為45°的反應(yīng)裝甲飛板作用過(guò)程數(shù)值模擬物理圖像和X光照片[4]。射流通過(guò)反應(yīng)裝甲后,射流直徑發(fā)生了明顯減小,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;射流在飛板作用過(guò)程中,受反應(yīng)裝甲干擾后的射流將獲得一定的橫向速度,從而使射流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生彎曲,干擾后射流形態(tài)數(shù)值模擬與X光照片基本一致。反應(yīng)裝甲干擾后射流橫向速度數(shù)值模擬和按式(1)分別得到的數(shù)值如表4所示。由表4可知,飛板的橫向速度理論計(jì)算與數(shù)值模擬基本一致。

圖3 射流反應(yīng)裝甲作用過(guò)程圖(傾角45°)

表4 射流微元與飛板作用后的橫向速度

圖4是射流經(jīng)過(guò)反應(yīng)裝甲時(shí)在飛板上形成的鑰匙形孔,由圖上可以看出,射流初次侵徹飛板,擴(kuò)孔直徑較大,后逐漸減小。圖4上可明顯看出射流多次侵徹飛板痕跡。

圖4 飛板上形成的鑰匙形孔(傾角45°)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)射流形成、侵徹反應(yīng)裝甲等過(guò)程的數(shù)值模擬研究,可以初步得出以下結(jié)論:

1)反應(yīng)裝甲爆炸后對(duì)射流的干擾除了受到爆轟產(chǎn)物的影響外,射流最主要是受到面板的“切割”作用;

2)射流與飛板作用后,射流出現(xiàn)鋸齒形和發(fā)生彎曲并獲得橫向速度,這導(dǎo)致射流在進(jìn)一步的拉伸過(guò)程中更容易斷裂,反應(yīng)裝甲干擾后射流橫向速度數(shù)值模擬與卵石模型基本吻合。

[1]Philip Pincosy,Peter Poulsen.Jet propagation through energetic materials[C]//20th International Symposium on Ballistic,Australia,2004.

[2]曾凡君,李健,梁秀清,等.反應(yīng)裝甲爆轟階段對(duì)射流干擾機(jī)理的研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),1994,14(3):286-291.

[3]M Mayseless,Y Erlich,Y Falcovitz,et al.Interaction of shaped-charge jet with reactive armour[C]//8th International Symposium on Ballistic,Orlando Florida USA,1984.

[4]M Mayseless,E M armor,N Gov,et al.Interaction of a shaped charge jet with reactive or passive cassettes[C]//14 th International Symposium on Ballistic,Quebec Canada.