活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)

張雪朋， 肖建光， 余慶波， 鄭元楓， 王海福

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)

張雪朋， 肖建光， 余慶波， 鄭元楓， 王海福

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

采用數(shù)值模擬和地面靜爆實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究. 在Autodyn數(shù)值模擬中，活性藥型罩爆炸驅(qū)動(dòng)形成射流及侵徹混凝土靶過(guò)程采用二維歐拉算法，活性射流侵入混凝土內(nèi)爆破過(guò)程采用三維SPH算法，活性射流沖擊反應(yīng)由Powder Burn模型描述，通過(guò)算法轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)分步連續(xù)數(shù)值模擬. 數(shù)值模擬結(jié)果表明，與金屬射流相比，活性射流終點(diǎn)效應(yīng)受炸高的影響更敏感，在約為1.0倍裝藥直徑炸高下，活性射流可顯著發(fā)揮侵爆聯(lián)合毀傷優(yōu)勢(shì)，有效爆破深度約為6.5倍裝藥直徑，當(dāng)炸高超過(guò)2.0倍裝藥直徑后，侵爆毀傷效應(yīng)顯著減弱. 進(jìn)一步與地面靜爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，兩者基本相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性.

聚能裝藥；活性藥型罩；混凝土靶；數(shù)值模擬；毀傷效應(yīng)

活性材料技術(shù)作為當(dāng)前高效毀傷領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一，受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和大力研究[1-4]. Baker E L等[5]采用脈沖X光技術(shù)研究了活性藥型罩聚能裝藥在爆炸驅(qū)動(dòng)下活性射流的成型行為，并通過(guò)地面靜爆實(shí)驗(yàn)研究了活性材料配方對(duì)混凝土靶毀傷效應(yīng)的影響；Daniels A S等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了炸高對(duì)活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶的影響規(guī)律[5-6]. 從國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)看，有關(guān)活性藥型罩聚能裝藥侵爆行為研究主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)研究和機(jī)理分析兩個(gè)方面[7-9]，而活性射流爆炸效應(yīng)的數(shù)值模擬未見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表. 隨著Autodyn中Powder Burn模型的推出，使實(shí)現(xiàn)活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶侵爆效應(yīng)數(shù)值模擬成為可能. 本文采用數(shù)值模擬和地面靜爆實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)進(jìn)行了研究.

1 數(shù)值方法

1.1 活性材料沖擊反應(yīng)模型

合理選用活性材料沖擊反應(yīng)模型，是實(shí)現(xiàn)活性材料藥型罩聚能裝藥侵爆毀傷效應(yīng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵. 為有效描述活性材料藥型罩在聚能裝藥爆轟驅(qū)動(dòng)下的化學(xué)響應(yīng)行為，本文采用主要用于描述火藥爆燃反應(yīng)的Powder Burn模型，近似描述活性材料沖擊反應(yīng)行為. 反應(yīng)率和燃燒速率是Powder Burn模型用于表征反應(yīng)壓力的兩個(gè)主要參數(shù). 反應(yīng)率F與時(shí)間t的關(guān)系可表述為

(1)

式中：m(t0)為初始時(shí)刻活性材料的質(zhì)量；m(t)為活性材料經(jīng)過(guò)時(shí)間t后剩余質(zhì)量.

活性材料爆燃產(chǎn)物氣體壓力方程可表述為

(2)

式中：ρg為活性材料密度；eg為單位質(zhì)量活性材料的含能量，D為常數(shù).

燃燒速率b(pg)與氣體壓力pg關(guān)系為

(3)

這樣，活性材料的反應(yīng)速率可表述為

(4)

式中G，c，α為與活性材料顆粒特性有關(guān)的常量[7]. 活性材料有關(guān)參數(shù)列于表1，表中ρ0，cp，G，A，B，C，n，θ和c0分別為活性材料的密度、比定壓熱容、剪切模量、屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化模量、應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)、硬化指數(shù)、溫度軟化指數(shù)和聲速.

表1 活性材料參數(shù)

1.2 活性射流成型及侵爆算法

不同于金屬藥型罩，活性藥型罩在爆轟波加載下射流形成行為、侵徹過(guò)程及爆炸效應(yīng)要復(fù)雜得多，采用單一算法無(wú)法有效模擬活性射流的侵爆行為. 為在Autodyn中實(shí)現(xiàn)活性射流對(duì)混凝土靶的侵爆效應(yīng)數(shù)值模擬，假設(shè)活性射流形成過(guò)程和侵徹階段為惰性，侵徹結(jié)束后活性射流發(fā)生爆炸反應(yīng). 基于以上假設(shè)，通過(guò)Euler-SPH算法轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶侵爆行為的分步連續(xù)計(jì)算. 首先，采用二維Euler算法計(jì)算活性藥型罩聚能裝藥的射流成型及侵徹行為；其次，當(dāng)侵徹結(jié)束后，把活性射流和混凝土靶轉(zhuǎn)換成三維Lagrange算法，并將Powder Burn模型加入活性射流材料模型；最后，將Lagrange算法轉(zhuǎn)換成SPH算法. 在算法轉(zhuǎn)換和連續(xù)計(jì)算過(guò)程中[9]，除了加入活性材料沖擊反應(yīng)Powder Burn模型外，同時(shí)還保留了活性射流侵徹混凝土靶引起的毀傷效應(yīng)，從而有效解決了活性射流作用混凝土靶侵徹-爆炸聯(lián)合毀傷數(shù)值模擬問(wèn)題. 有關(guān)算法轉(zhuǎn)換如圖1所示.

圖2所示為活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶不同時(shí)刻毀傷效應(yīng)典型數(shù)值模擬結(jié)果. 圖2(a)和圖2(b)為活性射流侵徹混凝土靶階段典型損傷云圖，DAMAGE的取值范圍是0～1，其中0代表完好無(wú)損，1代表完全破壞. 從圖中可以看出，活性射流侵徹階段對(duì)混凝土靶損傷區(qū)域較小，只是沿侵徹孔四周有些細(xì)小的裂紋，隨著侵深逐漸增加，混凝土靶損傷加重且裂紋增長(zhǎng)，并向四周擴(kuò)散. 圖2(c)和圖2(d)為活性射流在侵孔內(nèi)爆炸階段混凝土靶典型損傷云圖，從圖中可以看出，活性材料爆炸后，首先在侵徹孔位置形成破碎區(qū)并不斷向外擴(kuò)展，對(duì)混凝土靶造成拋擲爆破. 由于混凝土靶是有限靶，當(dāng)爆炸沖擊波到達(dá)混凝土靶界面后，爆炸沖擊波卸載形成的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度后，在混凝土靶上形成一個(gè)環(huán)向剪切環(huán)，混凝土靶被爆炸沖擊波沿著裂紋撕裂并拋擲出去.

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

對(duì)不同炸高下活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，不同炸高條件下混凝土靶侵徹深度和爆破深度數(shù)值模擬結(jié)果列于表2，相應(yīng)的混凝土靶毀傷效應(yīng)云圖如圖3所示.

表2 數(shù)值模擬結(jié)果

由表2可以看出，隨著炸高增大，活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶的侵徹深度先增大后減小，與金屬射流相比，活性射流侵徹性能受炸高的影響要敏感得多，在1倍裝藥直徑炸高下，活性材料射流可顯著發(fā)揮侵爆聯(lián)合毀傷優(yōu)勢(shì)，有效爆破深度可達(dá)6.5倍裝藥直徑以上，但當(dāng)炸高超過(guò)2.0倍裝藥直徑后，侵徹性能顯著減弱. 活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶的侵徹-爆炸聯(lián)合毀傷效應(yīng)由侵徹深度和進(jìn)入侵孔內(nèi)活性材料質(zhì)量共同決定的. 在小炸高條件下，雖然侵徹階段侵深不足，但進(jìn)入侵孔內(nèi)活性材料質(zhì)量足夠多，侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)顯著；在大炸高條件下，侵徹階段侵深不足，且進(jìn)入侵孔內(nèi)的活性材料質(zhì)量也較小，相應(yīng)的侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)就弱.

從圖3中可以看出，活性材料在混凝土靶侵徹孔內(nèi)爆炸后，在混凝土靶中形成沖擊波，相接觸的混凝土被強(qiáng)烈壓縮，形成了壓縮粉碎區(qū)域. 隨著沖擊波在混凝土中傳播，混凝土質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的徑向位移，構(gòu)成徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的應(yīng)力場(chǎng). 當(dāng)介質(zhì)所受的切向拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，該處混凝土被拉斷，形成與粉碎區(qū)域貫通的徑向裂隙. 爆轟產(chǎn)物的膨脹尖劈作用助長(zhǎng)了徑向裂隙的擴(kuò)展，爆生氣體膨脹的同時(shí)其壓力相應(yīng)下降. 隨后，由于慣性運(yùn)動(dòng)，侵徹孔周圍的混凝土在壓縮過(guò)程中累積彈性變形能，混凝土介質(zhì)體繼續(xù)朝著遠(yuǎn)離侵徹孔方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果導(dǎo)致空腔里的爆炸產(chǎn)物出現(xiàn)負(fù)壓，達(dá)到其極限程度后，彈性能釋放形成徑向稀疏波，產(chǎn)生與壓應(yīng)力波作用反向的拉應(yīng)力，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)出現(xiàn)反方向運(yùn)動(dòng). 當(dāng)此處所受的拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土體被拉斷，形成環(huán)向裂隙. 隨著徑向裂隙的擴(kuò)展與變向，加上破壞區(qū)與片落區(qū)連接形成連續(xù)性的破壞，其逐漸與自由面貫通，部分混凝土介質(zhì)以一定的初速度被拋擲出去，形成拋擲漏斗坑.

另外，由圖3可見(jiàn)，當(dāng)炸高超過(guò)2.0倍裝藥直徑時(shí)，活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶的侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)顯著減弱，這是因?yàn)榛钚陨淞髟诖笳ǜ邨l件下更易發(fā)生分散、斷裂現(xiàn)象，對(duì)混凝土靶的侵徹能力降低，只有很少一部分活性材料在侵徹孔內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，而相當(dāng)多質(zhì)量的活性材料在混凝土靶表層發(fā)生爆炸反應(yīng)，活性材料釋放的能量沒(méi)有得到很好利用.

3 數(shù)值模擬有效性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，進(jìn)一步對(duì)活性藥型罩聚能裝藥的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 其中，活性藥型罩聚能裝藥直徑為90 mm，C35圓柱形混凝土靶結(jié)構(gòu)尺寸為Φ1 200 mm×1 000 mm，周側(cè)帶有5 mm厚鋼箍，通過(guò)炸高筒進(jìn)行裝藥炸高調(diào)節(jié).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同炸高條件下活性藥型罩聚能裝藥作用混凝土靶毀傷效應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示. 當(dāng)活性藥型罩聚能裝藥以0.5倍裝藥直徑的炸高作用混凝土靶時(shí)，混凝土靶毀傷效應(yīng)如圖4(a)所示，混凝土靶在活性射流爆炸后被爆炸沖擊波剪切破壞，形成一個(gè)不規(guī)則的剪切環(huán)，且四周加固的鋼箍被拋擲出去. 混凝土靶中心位置比環(huán)向位置稍高，這是因?yàn)楸_擊波是沿著侵徹孔的法線方向在混凝土靶內(nèi)傳播，從而使得周向剪切環(huán)要低；當(dāng)活性藥型罩聚能裝藥以1倍裝藥直徑的炸高作用混凝土靶時(shí)，混凝土靶毀傷效應(yīng)如圖4(b)所示，混凝土靶完全破碎，形成大塊碎塊，加固的鋼箍也被活性材料爆炸后形成的沖擊波撕裂成若干塊. 活性聚能裝藥在1倍裝藥直徑的炸高時(shí)對(duì)混凝土靶的侵徹深度最大，當(dāng)活性射流在侵徹孔內(nèi)爆炸后，在混凝土靶內(nèi)形成的破碎區(qū)已經(jīng)超過(guò)了混凝土靶的邊界，所以使得混凝土靶完全發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；當(dāng)活性藥型罩聚能裝藥以1.5倍裝藥直徑的炸高作用混凝土靶時(shí)，混凝土靶毀傷效應(yīng)如圖4(c)所示，混凝土靶前端一部分被活性材料的爆炸沖擊波粉碎拋擲出去，還有一部分發(fā)生碎裂，由于有鋼箍固定，沒(méi)有被拋擲出去. 這是由于活性射流在1.5倍裝藥直徑的炸高下對(duì)混凝土靶的侵徹深度較小，活性材料爆炸后的爆炸沖擊波在混凝土靶徑向方向傳播，當(dāng)遇到混凝土靶邊界時(shí)，爆轟波卸載以后混凝土靶發(fā)生碎裂.

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示. 由圖5可見(jiàn)，活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶毀傷效應(yīng)顯著受炸高的影響. 隨著炸高增大，活性射流對(duì)混凝土靶的侵爆深度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，這與金屬射流的侵徹規(guī)律基本一致，但活性藥型罩聚能裝藥的有利炸高較金屬藥型罩小得多，約為1.0倍裝藥直徑. 這是因?yàn)榛钚运幮驼直举|(zhì)上是一種粉末冶金罩，在爆炸驅(qū)動(dòng)形成射流過(guò)程中，受材料延展性影響，活性射流在大炸高下更易發(fā)生縮頸和斷裂，致使活性藥型罩的有利炸高較小，在約為1.0倍裝藥直徑時(shí)毀傷效果顯著. 當(dāng)炸高小于1.0倍裝藥直徑時(shí)，制約了活性射流的拉長(zhǎng)，導(dǎo)致活性射流的侵爆深度隨炸高的增大而提高.

從圖5還可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在一定差異，這是因?yàn)閿?shù)值模擬過(guò)程中假設(shè)活性材料在射流形成階段不發(fā)生反應(yīng). 事實(shí)上，聚能裝藥起爆后，爆轟波作用在活性藥型罩上的平均壓力在20 GPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了活性材料激活起爆壓力，致使部分活性材料在射流形成過(guò)程中開(kāi)始反應(yīng)，一方面，影響活性射流的穩(wěn)定性，降低侵徹能力；另一方面，活性射流侵入混凝土靶的有效質(zhì)量減少，減弱了爆破威力，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值比數(shù)值模擬結(jié)果偏低.

4 結(jié) 論

① 采用Euler-Lagrange-SPH時(shí)序轉(zhuǎn)換分步連續(xù)算法，結(jié)合活性材料Powder Burn模型，實(shí)現(xiàn)了聚能裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)活性藥型罩形成射流過(guò)程、侵徹混凝土和內(nèi)爆效應(yīng)數(shù)值模擬.

② 與金屬藥型罩相比，活性藥型罩聚能裝藥對(duì)混凝土靶的毀傷效應(yīng)受炸高影響更顯著，在約為1.0倍裝藥直徑炸高下，可顯著發(fā)揮侵爆聯(lián)合毀傷效應(yīng)，爆破深度約為6.5倍裝藥直徑.

③ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，為活性藥型罩聚能裝藥的侵徹-爆破聯(lián)合毀傷行為提供一種新的技術(shù)途徑.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Demolition Effect of Reactive Material Liner Shaped Charge Against Concrete Target

ZHANG Xue-peng， XIAO Jian-guang， YU Qing-bo， ZHENG Yuan-feng， WANG Hai-fu

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

Demolition effect of reactive material liner shaped charge against concrete targets was studied with a method combining numerical simulation and ground-based experiment. In the Autodyn simulation， both the formation of reactive material jet and its penetration process were simulated by Euler-2D solver， whereas SPH-3D solver was used for the demolition effect of reactive material jet. The Powder Burn model was employed to describe the deflagration behavior of reactive materials. The whole numerical simulation process was implemented by an Euler to SPH solver transition. The simulation results show that， the influence of stand-off on terminal effect of reactive material jet is greater than that of metal jet. The dramatic demolition effect produced by a combination of penetration and deflagration was achieved at one charge diameter stand-off， corresponding to an effective demolition depth approximate to 6.5 charge diameter. When increasing stand-off beyond two charge diameter， however， the demolition effect of reactive material jet drops off significantly. Moreover， the ground-based experiments are also conducted， and the results show a good fit with numerical simulations.

shaped charge; reactive material liner; concrete target; numerical simulation; damage effect

2015-12-02

張雪朋(1985—)，男，博士研究生，E-mail:3120110147@bit.edu.cn.

王海福(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wanghf@bit.edu.cn.

TJ 413

A

1001-0645(2016)12-1211-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.001