危險(xiǎn)破甲彈爆炸防護(hù)的數(shù)值模擬分析

劉 鵬， 侯秀成， 劉振宇， 李創(chuàng)新， 田紅英

(1. 武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉儲系， 湖北 武漢 430075；2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 3. 中國華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西 華陰 714200)

危險(xiǎn)破甲彈爆炸防護(hù)的數(shù)值模擬分析

劉 鵬1， 侯秀成2， 劉振宇1， 李創(chuàng)新1， 田紅英3

(1. 武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉儲系， 湖北 武漢 430075；2. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 山西 太原 030051； 3. 中國華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西 華陰 714200)

針對危險(xiǎn)破甲彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)的防護(hù)問題，采用爆炸式反應(yīng)裝甲作為防爆車廂體內(nèi)防護(hù)射流侵徹的結(jié)構(gòu)。以某制式破甲彈為例，應(yīng)用非線性有限元程序LS-DYNA研究了反應(yīng)裝甲在不同斜置角時(shí)對射流的防護(hù)效果。結(jié)果表明：增大反應(yīng)裝甲的放置角度，在保證安全的情況下可以大幅減小危險(xiǎn)彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)廂體裝甲鋼的厚度； 當(dāng)放置角度為60°時(shí)，運(yùn)輸系統(tǒng)廂體對裝甲鋼的厚度要求可以降低70%以上。

危險(xiǎn)彈藥運(yùn)輸；射流防護(hù)；反應(yīng)裝甲；數(shù)值模擬

在彈藥運(yùn)輸、射擊、試驗(yàn)等過程中會產(chǎn)生部分未爆彈藥，該類彈藥可能已解除保險(xiǎn)，危險(xiǎn)性相當(dāng)大。在對該類彈藥進(jìn)行運(yùn)輸時(shí)，如何安全運(yùn)輸成為長期困擾人們的一大技術(shù)難題[1]。危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)又名防爆罐，是爆炸物異地轉(zhuǎn)移過程中的重要防護(hù)裝備，它可以有效地抑制爆炸效應(yīng)，最大限度地降低運(yùn)輸過程中因意外爆炸而造成的損害[2]。

防爆罐在國外已成套化、系列化研制生產(chǎn),國內(nèi)常見的圓桶式實(shí)體防爆罐(可抗TNT當(dāng)量2 kg)在應(yīng)急、排爆和反恐等事件中也得到了廣泛應(yīng)用。但這些防爆罐只能進(jìn)行常見爆炸物的運(yùn)輸防護(hù)，而聚能裝藥破甲彈在爆炸時(shí)會產(chǎn)生高速金屬射流，其穿透能力遠(yuǎn)大于現(xiàn)有普通防爆罐的防護(hù)性能，因此常規(guī)防爆罐不適用于該類彈藥的運(yùn)輸。

基于此，筆者以某型制式破甲彈的運(yùn)輸為背景，在危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)廂體防護(hù)板的基礎(chǔ)上加裝反應(yīng)裝甲，并應(yīng)用顯式非線性動力學(xué)有限元程序LS-DYNA對其抗射流性能進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為危險(xiǎn)破甲彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)的廂體設(shè)計(jì)提供參考。

1 彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)防射流分析

危險(xiǎn)品彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)擬在PD850型牽掛平板拖車上安裝防護(hù)廂體而成，系統(tǒng)外形如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)品彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)外形

在防爆車系統(tǒng)廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于隔爆吸能材料用于其他彈藥及炸藥運(yùn)輸?shù)姆辣夹g(shù)已較為成熟，可直接借鑒。而破甲彈藥發(fā)生爆炸時(shí)，產(chǎn)生的破片、金屬射流、沖擊波等會對廂體產(chǎn)生破壞，其中金屬射流更容易穿透廂體防護(hù)層，因此本文主要對金屬射流的防護(hù)進(jìn)行研究。

從聚能裝藥的作用機(jī)理角度分析，射流侵徹靶板在相當(dāng)程度上是由于在高速射流微元的撞擊下靶板材料朝徑向擠出，且侵徹孔容積與有效射流的能量大致呈線性關(guān)系。當(dāng)破甲彈形成的射流不是軸對稱時(shí)，射流對靶板侵徹孔直徑通常較大，這是因?yàn)榕c對稱軸線呈一定傾斜角的射流微元會撞擊到侵徹孔壁上，不能增加侵徹孔的深度，只會破壞其對稱性[3]。此外，是否有更多的藥型罩材料以接近于射流尾部微元的速度參與對靶板的穿孔過程，也取決于侵徹孔直徑是否允許其無破壞地進(jìn)入。

如果從抵抗射流侵徹方面來考慮，改變或破壞射流侵徹靶板時(shí)的對稱性，將有利于靶板對射流的防護(hù)。當(dāng)反應(yīng)裝甲表面的炸藥受到強(qiáng)烈沖擊時(shí)，反應(yīng)裝甲盒內(nèi)設(shè)置的高能炸藥發(fā)生爆炸，會驅(qū)動爆炸盒的前、后飛板以一定的速度運(yùn)動，擾動金屬射流的軸對稱性，并且消耗金屬射流高速部分的能量，從而失去對目標(biāo)的侵徹能力。當(dāng)反應(yīng)裝甲盒與破甲彈軸線呈一定角度放置時(shí)，對射流的干擾效果會更佳[4-6]。

危險(xiǎn)彈藥在運(yùn)輸時(shí)為減少其發(fā)火概率，其彈藥軸線要垂直于車體軸線。如果危險(xiǎn)彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)廂體結(jié)構(gòu)面對藥型罩口部的一端加裝爆炸反應(yīng)裝甲進(jìn)行防護(hù)，而其余部分采用較為成熟的防護(hù)方式，則可以減小廂體因防護(hù)射流而要求的防護(hù)裝甲鋼厚度。

2 數(shù)值模擬

2.1 裝藥結(jié)構(gòu)

為滿足危險(xiǎn)品彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)的防護(hù)與重量設(shè)計(jì)要求，選用某典型制式破甲彈進(jìn)行數(shù)值模擬，該破甲彈的靜破甲深度超過300 mm，其中：裝藥為B炸藥，藥型罩材料為紫銅，帶有錐型隔板，裝藥頂部中心點(diǎn)起爆，計(jì)算過程中不考慮鋁制殼體及頭螺。聚能裝藥結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

表1 聚能裝藥結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

注：D0為裝藥直徑；H為罩頂裝藥高度；2α為罩錐角；δ為罩平均壁厚；R為罩頂半徑；Ha為炸高。

考慮到反應(yīng)裝甲的放置要求，炸高大于原制式彈設(shè)計(jì)炸高的1倍裝藥直徑，用于射流拉伸所需的空間區(qū)域,當(dāng)研究射流只對廂體鋼板侵徹時(shí)，廂體鋼板厚度預(yù)先設(shè)為400 mm。反應(yīng)裝甲的前、后飛板均為4 mm鋼板，炸藥采用B炸藥進(jìn)行等效。采用反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)廂體與聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)廂體與聚能裝藥結(jié)構(gòu)

2.2 算法及材料模型

以往的經(jīng)驗(yàn)[7-12]表明：采用1/4軸對稱三維網(wǎng)格模型、多物質(zhì)Van Leer ALE算法及由高能炸藥燃燒模型和JWL狀態(tài)方程共同描述的炸藥材料模型，對射流形成過程進(jìn)行模擬，具有與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好的一致性。其中，JWL狀態(tài)方程為

p=Fpeos(V,E0)，

(1)

peos=A[1-ω/(R1V)]e-R1V+B[1-ω/(R2V)]×

e-R2V+ωE0/V,

(2)

式中：p為任意時(shí)刻炸藥單元所釋放的壓力；F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；peos為來自于JWL狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力；V為相對體積；E0為單位體積炸藥的初始內(nèi)能密度；A、B、R1、R2和ω為與炸藥性能相關(guān)的輸入系數(shù)。

計(jì)算所采用的B炸藥主要參數(shù)為：密度ρ=1.717 g/cm3；爆速D=7.98 km/s；C-J壓力PCJ=29.5 GPa。B炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

表2 B炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)

藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg模型和Gruneisen狀態(tài)方程[7]來描述，表3為紫銅Gruneisen模型材料主要參數(shù)。隔板材料為酚醛樹脂，靶板及反應(yīng)裝甲前、后飛板為裝甲鋼，選用塑性硬化材料作為模型進(jìn)行分析[10-12]，表4為靶板及隔板材料主要性能參數(shù)。反應(yīng)裝甲中的炸藥采用彈塑性模型( ELAST IC_PLASTIC_HYDRO) 和點(diǎn)火與增長狀態(tài)方程( IGNITION_GROWTH_OF_REACT ION _IN_HE)來共同描述[7]，所涉及材料參數(shù)均源于文獻(xiàn)[4]。

表3 紫銅Gruneisen模型材料主要參數(shù)

注：G為剪切模量；σy為屈服強(qiáng)度；C為材料聲速；S1、S2、γ0為與材料相關(guān)的系數(shù)。

表4 靶板及隔板材料主要性能參數(shù)

注：E為彈性模量；μ為泊松比；

3 反應(yīng)裝甲對射流防護(hù)的結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

本文先應(yīng)用數(shù)值模擬方法對制式破甲彈的極限穿深進(jìn)行摸底及對射流引爆反應(yīng)裝甲的過程進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，然后參考聚能裝藥作用過程的相似性原理與文獻(xiàn)[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

定義起爆時(shí)刻t=0 μs，圖3為在無反應(yīng)裝甲的條件下，均質(zhì)裝甲對破甲彈所產(chǎn)生金屬射流的防護(hù)結(jié)果。可見：在理想情況下，射流及侵徹孔都相對軸對稱。通過數(shù)值模擬得到射流對均質(zhì)裝甲侵徹深度為313 mm，與該制式破甲彈所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為相符,表明上述模擬方法及參數(shù)選擇是合理的。

如果參考該制式破甲彈的極限穿深值340 mm來設(shè)計(jì)運(yùn)輸系統(tǒng)的廂體，則所采用均質(zhì)裝甲鋼的厚度難以滿足運(yùn)輸系統(tǒng)對機(jī)動性的要求。

圖3 無反應(yīng)裝甲條件下射流對防護(hù)板的侵徹

圖4為射流引爆反應(yīng)裝甲數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[4]實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，可見兩者具有較好的一致性，表明上述算法及材料參數(shù)設(shè)置合理，驗(yàn)證了用數(shù)值模擬手段研究彈藥運(yùn)輸系統(tǒng)防護(hù)側(cè)廂體加裝反應(yīng)裝甲的可行性。

圖4 射流引爆反應(yīng)裝甲數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 不同斜置角對射流防護(hù)的影響

圖5為斜置30°的反應(yīng)裝甲對射流的防護(hù)過程，可見：1)射流能有效地引爆反應(yīng)裝甲，反應(yīng)裝甲爆炸后，其前、后飛板在爆炸產(chǎn)物的驅(qū)動下能對射流產(chǎn)生明顯的橫向擾動作用；2)射流在穿過反應(yīng)裝甲后,侵徹進(jìn)入廂體鋼板初期時(shí)(t=100 μs)就發(fā)生扭曲；3)由于軸對稱性被破壞，后續(xù)射流在進(jìn)入侵徹孔的過程中不斷與侵徹孔側(cè)壁發(fā)生摩擦(t=200 μs)，并體現(xiàn)出較明顯的橫向擴(kuò)孔效應(yīng)；4)射流對靶板最大侵徹深度的變化提前結(jié)束，其對廂體鋼板的侵徹深度最終停在228 mm的位置(t=300 μs)。該結(jié)果驗(yàn)證了反應(yīng)裝甲與射流軸線呈一定傾斜角度放置時(shí)，可以顯著擾動射流的軸對稱性，并大幅降低其理想穿深。

圖5 斜置反應(yīng)裝甲靶板對射流的防護(hù)結(jié)果

表5為將反應(yīng)裝甲以不同角度放置時(shí)的廂體鋼板防護(hù)結(jié)果。可以看出：裝甲防護(hù)能力隨著放置角度的增加而增大，當(dāng)放置角為45°時(shí)，廂體鋼板厚度可降低為不放反應(yīng)裝甲的1/2左右；當(dāng)放置角為60°時(shí)，廂體鋼板厚度約為不放反應(yīng)甲的1/4左右即可對射流進(jìn)行有效防護(hù)。

表5 反應(yīng)裝甲以不同角度放置時(shí)的廂體鋼板防護(hù)結(jié)果

4 結(jié)論

危險(xiǎn)破甲彈藥的銷毀運(yùn)輸是彈藥維護(hù)過程中的一個(gè)難題。由以上研究分析可知:反應(yīng)裝甲作為危險(xiǎn)破甲彈運(yùn)輸車輛內(nèi)防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在原理上總體是可行的。然而，反應(yīng)裝甲通常用于軍用車輛的外防護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)作為車輛的內(nèi)防護(hù)系統(tǒng)時(shí)，可能出現(xiàn)由爆炸引發(fā)的反應(yīng)裝甲之間及多發(fā)破甲彈藥之間互為殉爆等問題，可以通過詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來解決，如采用互為隔離的包裝模塊來優(yōu)化其總體結(jié)構(gòu)，更為深入的工作有待進(jìn)一步開展。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Numerical Simulation Analysis on Explosion Protection inDangerous Shaped Charge Warhead

LIU Peng1, HOU Xiu-Cheng2, LIU Zhen-yu1, LI Chuang-xing1, TIAN Hong-ying3

(1. Department of Ammunition and Storage, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School, Wuhan 430075, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. China Huayin Ordnance Test Center, Huayin 714200, China)

In order to meet the protection demand of dangerous ammunition transport system, Explosive Reactive Armor (ERA) is used as structure of explosion-proof transport system to prevent penetration of jet from dangerous shaped charge warhead. Based on a typical rocket bomb with shaped charge warhead, a nonlinear finite element program LS-DYNA is used to study protection effect of ERA at different inclination angle. The result indicates that with increase of inclination angle of the ERA, on the basis of security, the thickness of structure of dangerous ammunition transport system can be reduced greatly; when ERA is placed at 60° and tank of transport system is made of RHA, the thickness of tank can be decreased 70%.

dangerous ammunition transportation; jet protection; reactive armor; numerical simulation

1672-1497(2015)05-0059-04

2015-07-23

劉 鵬(1979-)，男，講師，碩士。

TJ410.89

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.013