侵徹戰(zhàn)斗部頭部惰性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張丁山，周 濤，屈可鵬，高金霞，趙向軍

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侵徹戰(zhàn)斗部頭部惰性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張丁山，周 濤，屈可鵬，高金霞，趙向軍

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

為了研究侵徹戰(zhàn)斗部頭部惰性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，應(yīng)用應(yīng)力波理論，分析了侵徹戰(zhàn)斗部撞擊靶標(biāo)過(guò)程中應(yīng)力波從殼體到頭部惰性體再到主裝藥的傳播過(guò)程，建立了應(yīng)力波傳播的數(shù)學(xué)計(jì)算模型；應(yīng)用大落錘試驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)不同厚度、不同結(jié)構(gòu)的惰性體開展了應(yīng)力波傳播試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了模型的合理性。依據(jù)數(shù)學(xué)計(jì)算模型，總結(jié)得出惰性體兩端面的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)應(yīng)力波強(qiáng)度的變化影響較大，且按照e-2(D-d)/D的規(guī)律進(jìn)行變化，而惰性體的厚度在10～50mm范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)應(yīng)力波強(qiáng)度沒(méi)有直接影響。

戰(zhàn)斗部；侵徹；傳播特性；應(yīng)力波；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

侵徹戰(zhàn)斗部的裝藥安定性是決定其整體性能的核心技術(shù)之一，為了實(shí)現(xiàn)侵徹戰(zhàn)斗部的作戰(zhàn)目標(biāo)，在各種侵徹條件下，均需確保戰(zhàn)斗部裝藥的安定性。戰(zhàn)斗部侵徹靶標(biāo)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力波對(duì)裝藥安定性可產(chǎn)生重大影響。該應(yīng)力波傳播到裝藥結(jié)構(gòu)內(nèi)部將引起裝藥內(nèi)應(yīng)力變化，應(yīng)力波的強(qiáng)度決定了裝藥內(nèi)應(yīng)力的大小，當(dāng)裝藥內(nèi)應(yīng)力達(dá)到安全閾值時(shí)，將引起裝藥早燃早炸。為此，在裝藥自身性能確定的前提下，在戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)腔頭部裝配惰性體，即惰性體位于戰(zhàn)斗部殼體和裝藥前端之間，通過(guò)應(yīng)力波從殼體傳播到惰性體再傳播到主裝藥過(guò)程中的衰減，降低傳播到裝藥內(nèi)部的應(yīng)力波強(qiáng)度，改善裝藥的受力條件。

諸多研究者對(duì)于侵徹戰(zhàn)斗部的整彈過(guò)載[1]、裝藥抗過(guò)載技術(shù)[2]、抗過(guò)載的火藥裝藥結(jié)構(gòu)[3]及撞擊應(yīng)力波產(chǎn)生及在桿件中的傳播[4]等多方面均開展了研究工作，但關(guān)于應(yīng)力波在侵徹戰(zhàn)斗部頭部惰性體中的傳播及惰性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少。目前隨著作戰(zhàn)需求的變化，對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部的侵徹性能、毀傷威力等提出了更高要求，即侵徹速度、裝藥量等在戰(zhàn)斗部總質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸固定的條件下需進(jìn)一步提高，因而需深入研究抗過(guò)載裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，尋求惰性體最佳結(jié)構(gòu)即合理的惰性體厚度，在戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)腔空間固定并滿足戰(zhàn)斗部侵徹裝藥安定性需求的條件下，設(shè)計(jì)出最大裝藥空間?；诖耍疚膽?yīng)用應(yīng)力波理論[5]，以一維縱波波動(dòng)理論和諧波分析法為基礎(chǔ)，建立計(jì)算應(yīng)力波在惰性體中的傳播模型，結(jié)合大落錘試驗(yàn)結(jié)果，研究應(yīng)力波在惰性體內(nèi)傳播時(shí)的強(qiáng)度變化情況，得出惰性體不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波的衰減規(guī)律，為開展侵徹戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 模型建立

侵徹戰(zhàn)斗部撞擊靶標(biāo)產(chǎn)生應(yīng)力波，該應(yīng)力波從殼體頭部通過(guò)惰性體向主裝藥的傳播過(guò)程為：首先應(yīng)力波在殼體與惰性體接觸面（直徑為）位置發(fā)生透射和反射，透射進(jìn)入惰性體的應(yīng)力波繼續(xù)在惰性體內(nèi)傳播，到達(dá)惰性體與主裝藥接觸面（直徑為）位置時(shí)再次發(fā)生透射和反射，其中透射波進(jìn)入主裝藥。惰性體裝配示意圖及建立應(yīng)力波傳播模型用惰性體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。

圖1 惰性體裝配示意圖

建立應(yīng)力波傳播模型時(shí)作出如下基本假設(shè)：

（1）戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足侵徹要求的條件下，試驗(yàn)后回收戰(zhàn)斗部除頭部有局部侵蝕變形外，其余殼體結(jié)構(gòu)基本無(wú)變形，另外對(duì)回收戰(zhàn)斗部解剖后觀察測(cè)量惰性體結(jié)構(gòu)基本完好，無(wú)變形破碎現(xiàn)象，因此假設(shè)戰(zhàn)斗部殼體和惰性體內(nèi)部傳播的應(yīng)力波均為彈性波；（2）接觸面位置應(yīng)力分布均勻；（3）殼體與惰性體間應(yīng)力波的傳播只存在于殼體與惰性體接觸面（直徑為的部位），暫不考慮其余部位的相互傳播。

1.1 應(yīng)力波在兩介質(zhì)間的透射與反射

應(yīng)用應(yīng)力波傳播理論，得出應(yīng)力波在殼體與惰性體間的透射和反射及應(yīng)力波在惰性體與主裝藥間的透射和反射計(jì)算公式為：

式（1）中：1為入射波強(qiáng)度，MPa；σ為反射波強(qiáng)度，MPa；σ為透射波強(qiáng)度，MPa；1為第1種介質(zhì)密度，kg/m3；2為第2種介質(zhì)密度，kg/m3；1為第1種介質(zhì)中彈性波速，m/s；2為第2種介質(zhì)中彈性波速，m/s。

1.2 應(yīng)力波在惰性體內(nèi)部的傳播計(jì)算

取惰性體中心軸為Ｘ軸向上，原點(diǎn)=0取為惰性體直徑為的端面，截面積變化規(guī)律為()，(0)=0=1/4π2。傳播一維應(yīng)力平面波，以、和分別表示惰性體中的質(zhì)點(diǎn)速度、軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變，0和分別表示材料密度和時(shí)間，為L(zhǎng)agrange坐標(biāo)。則惰性體中的軸向運(yùn)動(dòng)方程和軸向位移連續(xù)條件分別為：

（2）

（3）

依據(jù)假設(shè)（1），=，為彈性模量，代入得修正的波動(dòng)方程：

以諧波解

將式（5）代入（4）得：

于是可得：

惰性體截面積：

將式（9）代入式（8）得：

當(dāng)=時(shí)，即惰性體高度固定為，由式（10）可得：

2 試驗(yàn)研究

應(yīng)用大落錘試驗(yàn)平臺(tái)，開展了惰性體不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播影響規(guī)律的研究。試驗(yàn)中，通過(guò)落錘撞擊提供初始入射應(yīng)力波，每次落錘高度相同，以提供相同的入射應(yīng)力波強(qiáng)度，應(yīng)力波通過(guò)惰性體后經(jīng)壓力傳感器測(cè)量，獲取此時(shí)應(yīng)力波強(qiáng)度，對(duì)比入射應(yīng)力波強(qiáng)度和傳感器測(cè)量強(qiáng)度，得出應(yīng)力波經(jīng)惰性體后的衰減情況。落錘重量為400kg，落錘高度固定為2m，惰性體由聚碳酸酯棒加工而成，上擊柱、固定裝置、下?lián)糁牧舷嗤?，均?5CrMnSiA，材料力學(xué)性能與落錘材料性能基本相同，壓力傳感器金屬材料力學(xué)性能與下?lián)糁牧闲阅芤不鞠嗤虼?，暫不考慮應(yīng)力波在落錘與上擊柱、下?lián)糁c傳感器間傳播的反射與透射現(xiàn)象，近似認(rèn)為應(yīng)力波在相同材料中傳播。試驗(yàn)裝配示意圖如圖2所示。試驗(yàn)中惰性體結(jié)構(gòu)情況匯總見表1，共包含6組，每組3件，即試驗(yàn)時(shí)相同組共進(jìn)行3次測(cè)試，相關(guān)材料特性參數(shù)見表2。

圖2 試驗(yàn)裝配示意圖

表1 惰性體結(jié)構(gòu)匯總

表2 相關(guān)材料特性參數(shù)

Tab.2 Material characteristic parameters

3 結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)大落錘試驗(yàn)，共進(jìn)行18次試驗(yàn)測(cè)試，獲取了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果見表3，相同組選取1條測(cè)試曲線，如圖3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 The summary of test results

圖3 惰性體試驗(yàn)測(cè)試曲線

從圖3（a）中可得，在沒(méi)有惰性體的情況下，落錘提供的初始應(yīng)力波峰值約為1 033MPa。從圖3（b）~（d）中可得，在惰性體直徑不變，厚度依次為10mm、30mm、50mm時(shí)，落錘提供的初始應(yīng)力波通過(guò)惰性體后，應(yīng)力波峰值分別約為410MPa、398MPa、422MPa。另外，對(duì)比圖3（b）~（d）可得，隨著惰性體厚度的增加，應(yīng)力波的波長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)。

從圖3（e）中可得，在惰性體厚度為50mm、應(yīng)力波輸入端直徑為20mm、應(yīng)力波輸出端直徑為40mm的情況下，落錘提供的初始應(yīng)力波通過(guò)惰性體后，應(yīng)力波峰值約為193MPa。從圖3（f）中可得，在惰性體厚度為50mm、應(yīng)力波輸入端直徑為30mm、應(yīng)力波輸出端直徑為40mm的情況下，落錘提供的初始應(yīng)力波通過(guò)惰性體后，應(yīng)力波峰值約為288MPa。

通過(guò)表3可得，由于傳感器測(cè)試誤差，相同組3次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在較小偏差；通過(guò)第2、3、4組試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，3組應(yīng)力波峰值測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)，即惰性體直徑不變的情況下，小幅度變化厚度對(duì)應(yīng)力波峰值影響較小。

3.2 模型校核及分析

應(yīng)用公式（1）、（11）計(jì)算初始峰值為1 033MPa的應(yīng)力波分別通過(guò)組號(hào)4、組號(hào)5、組號(hào)6惰性體后的輸出應(yīng)力波峰值，計(jì)算結(jié)果分別為345MPa、128MPa、209MPa。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比均偏小，是由于計(jì)算時(shí)只考慮了應(yīng)力波通過(guò)惰性體的傳播，未考慮應(yīng)力波通過(guò)固定裝置及其余連接部件的傳播，但計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，應(yīng)力波傳播計(jì)算模型仍可作為分析惰性體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力波傳播影響規(guī)律的依據(jù)。

結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、應(yīng)用應(yīng)力波在惰性體中的傳播計(jì)算模型，可分析得出：（1）應(yīng)力波從殼體透射進(jìn)入惰性體時(shí)，應(yīng)力波強(qiáng)度的變化主要與惰性體自身的材料性能有關(guān)，值越小，透射進(jìn)入惰性體的應(yīng)力波強(qiáng)度也越小，而與惰性體和殼體的接觸面結(jié)構(gòu)關(guān)系較??；同樣，應(yīng)力波從惰性體透射進(jìn)入主裝藥時(shí)，應(yīng)力波強(qiáng)度的變化主要與惰性體、主裝藥的材料性能有關(guān)，與兩者接觸面結(jié)構(gòu)的關(guān)系較??；（2）應(yīng)力波在惰性體內(nèi)傳播時(shí)，應(yīng)力波強(qiáng)度的變化主要與惰性體兩端面的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即與（-）/的比值有關(guān)，且應(yīng)力波強(qiáng)度按照e-2(D-)/D的規(guī)律進(jìn)行變化，而與惰性體的厚度沒(méi)有直接的關(guān)系；（3）惰性體厚度可影響應(yīng)力波傳播的波長(zhǎng)變化，即惰性體厚度越大，應(yīng)力波波長(zhǎng)越大。

綜上所述，侵徹戰(zhàn)斗部頭部惰性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，若在截面積不發(fā)生變化，即（-）/的比值不變時(shí)，單獨(dú)增加惰性體厚度對(duì)應(yīng)力波的衰減效果較小，甚至沒(méi)有影響，因此，在滿足惰性體自身強(qiáng)度的前提下，結(jié)合彈體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，在一定厚度的條件，盡可能設(shè)計(jì)（-）/比值較大的惰性體結(jié)構(gòu)，可達(dá)到較優(yōu)的應(yīng)力波衰減效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究應(yīng)用應(yīng)力波理論，初步建立了應(yīng)力波在侵徹戰(zhàn)斗部殼體和惰性體間傳播的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，通過(guò)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了模型的合理性，得出應(yīng)力波在侵徹戰(zhàn)斗部殼體與惰性體間傳播時(shí)強(qiáng)度的變化規(guī)律，對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)腔頭部惰性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。但實(shí)際侵徹過(guò)程中，應(yīng)力波在戰(zhàn)斗部殼體和惰性體間的傳播過(guò)程將非常復(fù)雜，存在應(yīng)力波通過(guò)多個(gè)接觸面透射進(jìn)入惰性體、應(yīng)力波在殼體與惰性體間的反復(fù)傳播、多個(gè)應(yīng)力波在惰性體內(nèi)的疊加等問(wèn)題，將在后續(xù)工作中逐一深入研究，另外，對(duì)于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在偏差問(wèn)題，擬通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)裝置，降低試驗(yàn)環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，進(jìn)一步提高測(cè)試精度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王成華,陳佩銀,徐孝誠(chéng).侵徹過(guò)載實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的濾波及彈體侵徹剛體過(guò)載的確定[J].爆炸與沖擊,2007,27(5):416-419．

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[5] 王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

The Research on Structure Design of Inert Material in the Penetration Warhead

ZHANG Ding-shan，ZHOU Tao，QU Ke-peng，GAO Jin-xia，ZHAO Xiang-jun

（Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an，710065）

In order to research the principle of structure design of inert material in the penetration warhead, the propagation process of stress waves from shell to inert material and then to the charge was analyzed with stress wave theory in the penetration process of warhead, and the mathematical model was set up. The research on propagation process of stress waves was developed by big drop test equipment, when it pass through different thickness or different structure inert material, as well as the rationality of mathematical model was proved by comparing the test results with the calculation results. It is concluded that the structure size of inert material two ends surface impact on strength of stress wave much more according to the mathematical model, and accord the change rule of e-2(D-d)/D, while the thickness of inert material impact on strength of stress wave very little when it changes between 10mm and 50mm.

Warhead；Penetration；Propagation characters；Stress waves；Structure design

1003-1480（2016）04-0025-04

TJ760.3+1

A

2016-05-04

張丁山（1984 -），男，副研究員，主要從事戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究。