基于復合面／背板的平板裝藥防護性能＊

李如江，柴艷軍，韓宏偉，劉天生

（1．中北大學安全工程系，山西太原030051；2．兵器工業(yè)第52研究所沖擊環(huán)境材料技術重點試驗室，山東煙臺264003）

基于復合面／背板的平板裝藥防護性能＊

李如江1，柴艷軍1，韓宏偉2，劉天生1

（1．中北大學安全工程系，山西太原030051；2．兵器工業(yè)第52研究所沖擊環(huán)境材料技術重點試驗室，山東煙臺264003）

采用實驗和數值模擬方法研究了橡膠復合板作為爆炸反應裝甲面、背板時的防護性能，分析了兩種反應裝甲結構的防護機理，并與面密度相同的鋼反應裝甲進行了對比。實驗結果表明：爆炸反應裝甲面板或背板為橡膠復合板時的防護性能優(yōu)于鋼反應裝甲，其中橡膠復合板作為背板時效果最優(yōu)。數值模擬結果表明：橡膠復合板在爆炸驅動下外層鋼板速度相比于鋼反應裝甲飛板提高16%，橡膠復合板的界面效應及其飛板間隙可以有效減小逃逸射流的長度。

爆炸反應裝甲；聚能裝藥；防護性能

反應裝甲作為對抗聚能射流侵徹的有效裝置之一，廣泛應用于現(xiàn)代裝甲車輛的防護，根據內層材料及其產生的效應不同，可分為爆炸反應裝甲（explosive reactive armor，ERA）和被動反應裝甲（passive armor）兩大類［12］。其中爆炸反應裝甲（也稱平板裝藥）的典型結構為兩層鋼板夾層炸藥組成的三明治結構，夾層炸藥在射流的高速撞擊下被引爆，驅動包覆板反向運動切割射流，使其產生斷裂、偏折而失去侵徹能力。研究結果［3］顯示：射流高速侵徹反應裝甲過程中，在撞擊點處形成一個高速擴張的孔，由于飛板運動和孔擴張的耦合，背板僅能與穿透反應裝甲后射流頭部后某處開始作用，未受到飛板干擾作用的射流部分稱為逃逸射流。逃逸射流越長，后效穿深越大。因此，如何降低逃逸射流的長度是爆炸反應裝甲設計的一個重要方向。研究人員試圖采用新的結構設計來減少逃逸射流的長度，趙慧英等［4］通過反應裝甲后附加裝陶瓷復合裝甲結構來提高其對逃逸射流的防護，H．J．Lee等［5］通過在反應裝甲后加襯板減小逃逸射流的長度，采用AUTODYN軟件模擬了襯板材料對其防護性能的影響，S．Friling等［6］通過在反應裝甲后附加被動反應裝甲以提高其防護能力，將射流簡化為長桿對其作用過程進行了2D模擬，研究結果顯示背板具有更高的速度，但是不能反映傾斜條件下與射流的作用過程。

被動反應裝甲典型結構為兩層鋼板夾層惰性材料，由于具有射流防護效能好、附帶損傷效應較小等優(yōu)點而受到研究人員重視，目前已經有大量針對其防護性能及機理的研究［79］。本文中，通過將平板裝藥與橡膠復合板集成設計，采用實驗和數值模擬方法研究其作為面板或背板時對射流的防護性能和機理，并與鋼面板的反應裝甲進行對比，以期為新型反應裝甲的結構設計提供參考。

1 實驗研究

1．1 結構設計

為研究橡膠復合板位置對爆炸反應裝甲防護性能的影響，設計了以橡膠復合板及鋼面板作為面板或背板的3種反應裝甲結構，如圖1所示。其中橡膠復合板由兩層Q235鋼板（厚度為1．2mm）和硫化橡膠夾層（密度為1．01g／cm3，厚度為1．5mm）組成，其長度為150mm，寬度為50mm。將鋼板表面清洗干凈并進行噴砂處理，用調配好的環(huán)氧樹脂溶液將鋼板和橡膠粘結，室溫下固化。橡膠復合板的等效鋼厚為（0．12×2×7．85＋1．5×1．01）／7．85＝2．55mm；而爆炸反應裝甲包覆板材為Q235鋼，厚度為2．5 mm，由此可知，3種結構爆炸反應裝甲面密度基本相同。夾層炸藥采用厚度為3mm、裝藥密度為1．71g／cm3的B炸藥。此外，圖1中結構記號意義如下：“St”表示鋼板，“Rubber”表示硫化橡膠層，“E”表示夾層炸藥。

圖1 3種反應裝甲結構Fig．1 Three ERA structures

1．2 實驗裝置

采用裝藥口徑36mm聚四氟乙烯塑料殼體的聚能裝藥對反應裝甲作引爆實驗，其中銅藥型罩壁厚為1mm，錐角為60°，裝藥為JH－2。該聚能裝藥射流頭部速度約為6．2km／s，直徑為1．5mm，炸高為85 mm時對均質裝甲鋼的平均穿深為150mm。

圖2為聚能裝藥對反應裝甲作用的實驗布置示意圖。實驗時聚能裝藥呈水平放置，口部距測試裝甲表面、后效靶板分別為85、210mm。反應裝甲傾角30°，后效靶材為603均質裝甲鋼，厚度為50mm，實驗后通過測量殘余穿深（depth of penetration，DOP）來比較3種裝甲結構的防護性能，采用Scandish Flash－XT450脈沖X射線攝影系統(tǒng)對3種結構反應裝甲與射流作用情況進行了觀測。聚能裝藥采用電雷管起爆。

圖2 聚能裝藥對反應裝甲作用的實驗布置示意圖Fig．2 Experimental scheme of shaped charge and ERA

1．3 實驗結果

圖3為脈沖X射線拍攝的射流與結構（b）和結構（c）作用時的典型時刻的X射線照片，圖4為逃逸射流對靶板表面的損傷情況。表1為逃逸射流對靶板表面的損傷測量結果。從圖3可以看出，射流發(fā)生了偏轉，由于稀疏波的影響，飛板邊緣速度略低于其它部分；結構（b）的飛板速度約為860～880m／s，背板與射流作用部位凸起現(xiàn)象不明顯，而結構（c）背板與射流作用后呈花瓣形破裂，總體厚度明顯大于鋼飛板。在結構（c）背板前出現(xiàn)了逃逸射流顆粒，其長度約為6mm，速度約為3km／s。

從圖4可以看出，射流與爆炸反應裝甲作用后，在后效靶表面的損傷形成了多個開坑，由射流碎片高速撞擊而成，大致可分為兩個區(qū)域，一個是逃逸射流作用區(qū)（如圖4中箭頭所示），另外一個區(qū)域是背板飛離射流軸線后，射流后部碎片侵徹后效靶形成。橡膠復合板無論作為面板和背板，都可以減小逃逸射流的穿深，作為背板時效果更優(yōu)，與鋼反應裝甲相比，穿深降低了46%。

從實驗結果可以看出，橡膠復合板作為爆炸反應裝甲面、背板時其防護性能優(yōu)于鋼反應裝甲，特別是作為背板時后效穿深相比于鋼反應裝甲減小了5mm。

圖3 典型時刻的X射線實驗照片F(xiàn)ig．3 X－ray photographs at t＝46μs

表1 實驗結果Table 1 Experimental results of penetration

圖4 后效靶穿深實驗結果照片F(xiàn)ig．4 Experimenal pictures of DOP results

2 數值模擬

2．1 計算模型

利用非線性動態(tài)有限元ANSYS／LS－DYNA軟件ALE算法對聚能裝藥與反應裝甲的作用過程進行了數值模擬，其中空氣和聚能裝藥采用歐拉算法，反應裝甲采用拉格朗日算法。根據結構的對稱性，建立了1／2計算模型，建模過程中施加對稱約束和無反射邊界條件。

2．2 材料模型參數

JH－2裝藥采用JWL狀態(tài)方程和高能材料燃燒模型，夾層炸藥Comp．B采用JWL狀態(tài)方程和Lee－Tarver反應模型［10］描述，其表達式為：

式中：V＝ρ0／ρ，ρ為爆轟產物密度，ρ0為炸藥初始裝藥密度；E＝ρ0e，e為內能；A、B、R1、R2、ω為輸入參數；λ為反應速率分數；t為時間，p為壓力，I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z為常數。炸藥的主要參數和Lee－Tarver反應模型參數分別如表2和表3所示。

表2 炸藥計算參數Table 2 Computational parameters for JH－2and Comp．B

表3 Lee－Tarver反應模型參數Table 3 Computational parameters for Lee－Tarver model

紫銅藥型罩和包覆板材料Q235鋼板的力學行為分別采用Johnson－Cook模型和Grüneison狀態(tài)方程進行描述，材料的本構參數見表4，其中A1、B1、C1、m、n為Johnson－Cook模型參數，c0為體積聲速，Γ0為Grüneisen系數，s為常數。橡膠夾層和聚能殼體材料采用Grüneison狀態(tài)方程和Hydro（Pmin）模型描述［1］，材料參數取值見表5，其中σb為抗拉強度，ε為延伸率。

表4 紫銅和Q235鋼材料的本構方程計算參數Table 4 Computational parameters for copper and Q235steel

表5 橡膠夾層和聚能殼體材料參數Table 5 Computational parameters for rubber interlayer and polymer shell

3 數值模擬結果及分析

圖5射流與3種結構的反應裝甲在典型時刻的作用形態(tài)Fig．5 Results of interaction between jet and three structures of ERA at different times

圖5 給出了射流與3種結構的反應裝甲作用形態(tài)的數值模擬結果，其中t＝46μs的全對稱模型的數值模擬結果與X射線照片結果符合較好，驗證了模型和參數的正確性。當t＝25μs時，射流剛好穿透結構（a）橡膠復合裝甲的背板，由于夾層的存在，射流頭部在背板處發(fā)生了反射，此刻還未能引爆炸藥；對于結構（b）和結構（c），射流則已穿透面板，并引爆了夾層裝藥。鋼板在沖擊波和爆炸產物驅動作用下反向運動，后續(xù)射流在爆轟波的作用下局部產生了向上的彎曲。當t＝37μs時，射流頭部穿透了背板，形成了逃逸射流，結構（b）最長，結構（a）次之，結構（c）最短，這是由于射流在侵徹結構（c）的背板時頭部在復合層產生了反射，同時由于結構（c）的背板在運動過程中存在間隙，逃逸射流的后部與背板作用后會“擠入”間隙，因而逃逸射流長度最短。逃逸射流后部與結構（a）和結構（b）的背板作用后，會沿飛板孔壁接觸面發(fā)生“滑移”，仍然可以逃逸。逃逸射流斷裂后形成的顆粒在運動過程中長度發(fā)生改變、速度降低，最終3種結構的最長逃逸射流顆粒在觸靶前運動速度分別為2．65、2．71和3．10km／s，長度分別為8．5、12．0和6．5mm。當t＝58μs時，橡膠復合裝甲兩板之間的距離更加明顯，射流后部經面板干擾后的偏折角無明顯差別，當背板進一步飛離射流運動軸線后，就會失去對射流的作用，在后效靶表面的形成另一個損傷區(qū)域。

圖6為飛板的運動速度（vp）的計算結果，其中“F”和“B”分別表示面板和背板，“F－B”表示結構面板的背板（此時結構的面板為復合板），前一個字母是相對于結構整體而言，后一個字母則是相對于復合板而言。由圖6可知，結構（b）鋼面板和背板速度曲線基本相同，經過約4μs的加速過程速度趨于平穩(wěn)，終了速度為900m／s。結構（a）和結構（c）鋼板的加速歷程基本相同，只是方向相反，鋼飛板的終了速度約為920m／s，而橡膠復合板的運動加速過程較復雜，與炸藥相鄰的鋼板（內層板）存在著一個劇烈震蕩過程，平均速度約為880m／s；而外層鋼板加速過程比較平穩(wěn)，終了速度為1 050m／s。橡膠復合板內、外層具有較大的速度差，其原因可能是炸藥爆炸后在內層鋼板中產生了較強的沖擊波向橡膠層以及外層鋼板傳播，由于橡膠可壓縮性較小，可作為良好的傳壓介質將沖擊波傳遞給外層板，沖擊波經外層板表面反射后產生拉伸波，拉伸波到達外層鋼板與橡膠界面時由于不能承受拉應力而產生了“層裂”效應，使外層鋼板獲得了更高的速度，使逃逸射流長度減少，增加了其防護性能。

圖6 飛板速度計算結果Fig．6 Calculated plate velocities

4 結 論

（1）面密度基本相同條件下，復合板作為面板或背板的反應裝甲防護性能優(yōu)于鋼反應裝甲，其中橡膠復合板作為反應裝甲背板時，防護性能最優(yōu)。

（2）爆炸驅動下橡膠復合板的外層鋼板具有更高的速度，相比于鋼反應裝甲飛板提高約16%。

（3）橡膠復合板界面效應和橡膠復合飛板的間隙可有效減小逃逸射流的長度。

［1］ 黃正祥．聚能裝藥理論與實踐［M］．北京：北京理工大學出版社，2014．Huang Zhengxiang．Theory and practice of shaped charge［M］．Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2014．

［2］ Thoma K，Vinckier D，Kiermeir J，et al．Shaped charge jet interaction with highly effective passive sandwich systems－experiments and analysis［J］．Propellants，Explosives，Pyrotechnics，1993，18（5）：275－281．

［3］ Mayseless M，Marmor E，Gov N S，et al．Interaction of a shaped charge jet with reactive or passive cassettes［C］∥14th International Symposium on Ballistics．Quebec，Canada，1993：439－448．

［4］ 趙慧英，沈兆武，劉天生．反應裝甲與陶瓷復合裝甲集成技術研究探討［J］．爆炸與沖擊，2006，26（1）：21－26．Zhao Huiying，Shen Zhaowu，Liu Tiansheng．On the integrated technology of reactive armors with composite ceramic armors［J］．Explosion and Shock Waves，2006，26（1）：21－26．

［5］ Lee H J，Choi J H，Lee C H，et al．The effective analysis of backup plates of explosive reactive armor［C］∥28th International Symposium on Ballistics．Atlanta，GA，2014：988－995．

［6］ Friling S，Benyami M，Yaziv D．The interaction O shaped charge jets with combined reactive－inert cassettes［C］∥14th International Symposium on Ballistics．Quebec，Canada，1993：227－235．

［7］ Jia X，Huang Z X，Zu X D，et al．Theoretical analysis of the disturbance of shaped charge jet penetrating a woven fabric rubber composite armor［J］．International Journal of Impact Engineering，2014，65（2）：69－78．

［8］ Jia X，Huang Z X，Zu X D，et al．Experimental study on the performance of woven fabric rubber composite armor subjected to shaped charge jet impact［J］．International Journal of Impact Engineering，2013，57（7）：134－144．

［9］ Zu X，Huang Z，Jia X．Study on rubber composite armor anti－shaped charge jet penetration［J］．Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2013，38（5）：695－702．

［10］ Lee E L，Tarver C M．Phenomenological model of shock initiation in heterogeneous explosives［J］．Physics of Fluids，1980，23（12）：2362－2372．

［11］ Li X D，Yang Y S，LüS T．A numerical study on the disturbance of explosive reactive armors to jet penetration［J］．Defence Technology，2014，10（1）：66－75．

［12］ Livermore Software Technology Corporation．LS－DYNA Keyword Users Manual［DB］．California：Livermore Software Technology Corporation，2001．

Protective performance of explosive reactive armor with composite rubber armor as front or back plate

Li Rujiang1，Chai Yanjun1，Han Hongwei2，Liu Tiansheng1

（1．Department of Safety Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2．Science and Technology on Materials in Impact Environment Laboratory，NO．52 Institute of Armament Industry，Yantai 264003，Shandong，China）

The protection performance and mechanism of explosive reactive armors（ERA）with composite rubber armor as its front or back plate were investigated using experiments and numerical simulation，and the results were examined in comparison with ERA using conventional steel plates of the same area density．The experimental results show that the protection performance of ERA with composite rubber armor as the front or back plates are superior to that of the ERA with steel plates，and the optimal performance is achieved when the rubber composite armor is used as the back plate．The numerical simulation results show that the back plate velocity of the composite rubber armor is 16% higher than that of the ERA with steel plates，the space between the two moving plates of the composite rubber armor and the boundary effect contribute significantly to reducing the length of the escaping shaped charge jet．

explosive reactive armors（ERA）；shaped charge；protection performance

O385國標學科代碼：1303530

A

10．11883／1001－1455（2017）04－0637－06

（責任編輯 王玉鋒）

2015－12－21；

2016－06－02

李如江（1978－ ），男，博士，副教授，lirujiang3002＠sina．com。