含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程裝藥安定性的數(shù)值模擬研究

呂鵬博，王偉力，劉曉夏,吳世勇

(海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊; b.兵器科學(xué)與技術(shù)系; c.基礎(chǔ)部， 山東 煙臺 264001)

含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程裝藥安定性的數(shù)值模擬研究

呂鵬博a，王偉力b，劉曉夏a,吳世勇c

(海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊; b.兵器科學(xué)與技術(shù)系; c.基礎(chǔ)部， 山東 煙臺 264001)

為了分析含不同因素的裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在侵徹過程中裝藥安定性的問題，利用正交試驗建立了含9種裂紋缺陷的裝藥、彈體和靶板模型，并利用ANSYS/LS-DYNA模擬了在侵徹靶板時缺陷在沖擊載荷作用下的塑性變形情況，計算了炸藥的應(yīng)變能和熱分解作用下裝藥的局部溫升情況，從溫度角度對含缺陷戰(zhàn)斗部的裝藥安定性進行了分析。模擬分析了裂紋缺陷四個因素對于侵爆戰(zhàn)斗部裝藥的侵徹安定性影響主次，得出了位于卵頭部裝藥區(qū)的圓柱狀裂紋缺陷對于含缺陷的戰(zhàn)斗部裝藥的安定性影響較大的結(jié)論。

裝藥缺陷；裝藥安定性；塑性應(yīng)變能；穿甲

當(dāng)前我國社會環(huán)境繁榮穩(wěn)定，軍方列裝的導(dǎo)彈武器裝備有很大可能在全壽命周期內(nèi)都會處于貯藏或戰(zhàn)備訓(xùn)練狀態(tài)，在此期間，導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥不可避免地會受到溫度、振動，濕度等外界環(huán)境條件變化的刺激，這將使得戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥產(chǎn)生一些物理、化學(xué)變化，在戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥中形成孔洞和裂紋狀裝藥缺陷[1]。而侵爆戰(zhàn)斗部在侵徹目標(biāo)防護時，彈體要承受超過10 kg的過載[2]，如此高的過載傳進侵爆戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥中，會使裝藥缺陷發(fā)生塌縮、閉合摩擦等，進而對侵爆戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥的安定性產(chǎn)生影響。因此，分析含裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在侵徹過程中裝藥安定性問題,對于延長侵爆戰(zhàn)斗部使用壽命以及戰(zhàn)斗部生產(chǎn)工藝水平發(fā)展有一定意義。

國內(nèi)學(xué)者對此進行了大量研究，石海嘯、戴開達[3]數(shù)值模擬了戰(zhàn)斗部侵徹過程中PBX動態(tài)損傷，得出了在侵徹過程中最大裂紋出現(xiàn)在頭部和中部區(qū)域的結(jié)論，實際最大裂紋寬度超過1.2 mm，這表明戰(zhàn)斗部在侵徹過程中，裝藥對于應(yīng)力波的響應(yīng)主要集中在頭部和中部區(qū)域。趙勇華、陳霜艷[2]等研究了侵徹戰(zhàn)斗部在侵徹混凝土靶板過程中，在著靶沖擊波和摩擦作用下，無缺陷裝藥的侵徹戰(zhàn)斗部侵徹過程中裝藥溫升最大為400 K左右。另外王洪波，劉群、尚海林等[4～8]研究了 PBX炸藥細觀孔洞缺陷對其沖擊點火特性的影響，研究表明細觀孔洞對于外界的載荷有良好的響應(yīng)，PBX炸藥的溫升比較明顯。焦志剛、郭秋萍[9]利用炸藥臨界起爆壓力公式研究了半穿甲彈侵徹過程中裝藥安定性發(fā)現(xiàn)彈丸侵徹25 mm均質(zhì)鋼會發(fā)生早炸。以上多是對于完整彈藥的裝藥安定性展開研究，或者細觀結(jié)構(gòu)下PBX炸藥的沖擊點火機理的研究，對于裝藥存在缺陷的戰(zhàn)斗部在侵徹過程中安定性的研究還比較少，需要進一步的研究探索。

1 有限元模型的建立

1.1 戰(zhàn)斗部模型的建立

研究對象選用典型侵爆戰(zhàn)斗部，該型戰(zhàn)斗部由卵形頭部和圓柱體彈身組成，彈身長650 mm，底部直徑250 mm，殼體厚度為12 mm。該戰(zhàn)斗部的殼體為高強度材料30CrMnSi2A，裝藥為某含鋁PBX炸藥(75.5%的RDX、20%的鋁粉和4.5%的粘結(jié)劑)，靶板材料為某船用鋼。考慮到模型的對稱性，在數(shù)值模擬過程中對戰(zhàn)斗部和靶板物理模型采用1/2等尺寸模型(為簡化模型和減少數(shù)值模擬的運算量，將戰(zhàn)斗部內(nèi)引信部位換為主裝藥)。具體物理模型如圖1所示。

1.2 裂紋裝藥缺陷有限元模型的建立

侵爆戰(zhàn)斗部內(nèi)部裝藥的缺陷大致可以分為孔洞和裂紋缺陷兩類，本研究主要針對裂紋缺陷[10]。在外界條件下形成彈體裝藥裂紋缺陷具有隨機性，假設(shè)戰(zhàn)斗部內(nèi)部裂紋裝藥缺陷有形狀、尺寸大小、軸向位置和缺陷姿態(tài)四個影響因素，且四個因素對于裝藥安定性的影響相互獨立，利用四因素三水平的L9(34)正交試驗表頭設(shè)計數(shù)值模擬工況，通過數(shù)值模擬就可得出裂紋缺陷四因素對于含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在穿甲過程中裝藥安定性的影響主次。表1給出了這四個因素的三個水平設(shè)置情況。

圖1 戰(zhàn)斗部和靶板物理模型

表1 裂紋裝藥缺陷的影響因素水平 mm

注：d表示柱底面直徑或邊長，h表示柱高。

表2為正交試驗表。設(shè)計的含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部物理模型，設(shè)裂紋處為真空。在有限元模型建立過程中對外殼、裝藥界面采用共節(jié)點處理。為保證計算精度，在裝藥存在缺陷部位進行網(wǎng)格加密處理。

表2 裂紋缺陷影響因素正交試驗表 mm

1.3有限元模型的本構(gòu)關(guān)系

李尚昆[12]根據(jù)高聚物黏結(jié)炸藥的力學(xué)性能進行的SHPB實驗和動態(tài)巴西圓盤實驗，得出PBX炸藥具有明顯的拉壓不對稱性。根據(jù)侵徹過程中裝藥實際受載條件，在數(shù)值模擬時采用裝藥壓縮條件下的力學(xué)性能參數(shù)，選用各項同性的彈塑性材料本構(gòu)模型，侵爆戰(zhàn)斗部的殼體和靶板采用彈塑性隨動強化材料模型。具體參數(shù)[2,11-12]如表3所示。

表3 數(shù)值模擬各材料的力學(xué)性能參數(shù)

2 含缺陷的局部裝藥溫升的假設(shè)與計算

根據(jù)炸藥非沖擊起爆的“熱點”學(xué)說，裝藥的安定性可從裝藥的溫度進行考量。侵爆戰(zhàn)斗部裝藥在應(yīng)力波作用下會產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，塑性應(yīng)變能積累使得炸藥發(fā)生局部溫升。假設(shè)數(shù)值模擬中裝藥缺陷處裝藥單元的塑性變形所做的塑性應(yīng)變能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。另外，考慮到該侵爆戰(zhàn)斗部主裝藥成分主要為RDX和鋁粉，根據(jù)炸藥配比可以推算出單位質(zhì)量。該PBX炸藥的放熱量ΔH，而其中RDX的熱分解可用Arrhenius方程描述，并計算出主裝藥反應(yīng)過程中放出的熱量。

忽略侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程中裝藥熱量的耗散，將LS-DYNA解算結(jié)果利用Matlab編程計算出裝藥單元在每個時間步裝藥反應(yīng)釋放的熱量Qi和塑性應(yīng)變能Wsi共同作用下的溫度，從而判斷裝藥的熱安定性。

(1)

式(1)中:σi和Δεi分別代表裝藥單元在LS-DYNA解算時每個時步的應(yīng)力和有效塑性應(yīng)變增量；Ti為炸藥單元i時步的溫度(K)；ρ為RDX的密度1 700 kg/m3；CV為RDX的熱容1 330 J/(kg·K), ΔH代表該配比的PBX熱分解反應(yīng)熱7.3E+6 J/kg；Z代表RDX熱分解反應(yīng)的指前因子為1E+16(1/s)；Ea代表RDX受熱發(fā)生反應(yīng)的活化能180 kJ/mol；R代表普適氣體常數(shù)8.314 J/(K·mol)。設(shè)定環(huán)境參考溫度取300 K，即T0=300 K。

3 含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程的數(shù)值模擬分析

3.1基于正交試驗設(shè)計工況的數(shù)值模擬分析

根據(jù)前面利用L9(34)正交試驗表設(shè)計的第三、五和七組含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部以1.5倍音速(510 m/s)垂直侵徹16 mm厚船用鋼靶后，含裂紋裝藥缺陷的局部主裝藥的應(yīng)變云圖如圖2。從圖2可以看出：① 裂紋裝藥缺陷的形狀、尺寸、軸向位置和水平位置這四個因素對于侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程中的裝藥安定性影響比較顯著，不同形狀、尺寸以及位置的裂紋缺陷均在缺陷處形成較大的塑性應(yīng)變(相較于遠離裂紋缺陷的區(qū)域)。這表明無論裂紋裝藥缺陷的形狀和位置等因素如何變化，缺陷處裝藥都會發(fā)生應(yīng)力集中，進而表現(xiàn)為該處裝藥形成較大的塑性應(yīng)變。② 發(fā)生較大塑形應(yīng)變的裝藥單元主要集中在裂紋裝藥缺陷某些特定位置并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。例如正四棱柱狀裂紋缺陷發(fā)生較大塑性變形的單元就集中在棱柱端面正方形的棱、角附近，圓柱狀裂紋缺陷發(fā)生較大塑性變形的單元就集中在圓柱截面及附近曲面上，而正三棱柱狀裂紋缺陷發(fā)生較大塑性變形的單元就集中在三棱柱側(cè)面棱邊以及附近的裝藥單元上。③ 觀察工況三、五和七裝藥缺陷處裝藥單元的應(yīng)變云圖可以發(fā)現(xiàn)，裂紋缺陷處于侵爆戰(zhàn)斗部頭部區(qū)域時，裝藥單元形成的塑性應(yīng)變都比較大，這表明存在于侵爆戰(zhàn)斗部頭部區(qū)域的裂紋裝藥缺陷對于戰(zhàn)斗部侵徹過程中形成的應(yīng)力波的響應(yīng)最明顯，該處裝藥單元所形成的有效塑性應(yīng)變也就越大，但是侵爆戰(zhàn)斗部以1.5倍音速侵徹靶板過程中，裝藥裂紋發(fā)生的有效塑性變形并未使裂紋發(fā)生閉合。

圖2 部分工況裂紋缺陷的有效塑性應(yīng)變云圖

圖3、圖4、圖5分別給出了圖2中含裂紋缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部缺陷處發(fā)生較大塑性變形的裝藥單元(工況三、五、七)的應(yīng)力-時間曲線、塑性應(yīng)變-時間曲線以及溫度-時間曲線。

圖3 部分工況下裂紋缺陷發(fā)生最大塑性應(yīng)變單元的應(yīng)力-時間曲線

圖4 部分工況下裂紋缺陷缺陷發(fā)生最大塑性應(yīng)變單元的有效塑性應(yīng)變-時間曲線

圖5 部分工況下裂紋缺陷發(fā)生最大塑性應(yīng)變單元的溫度-時間曲線

從圖3可以看出，處于同一軸向高度位置的裂紋缺陷，不同的裂紋缺陷形狀對于侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程中傳進內(nèi)部裝藥中應(yīng)力波的響應(yīng)在趨勢上比較相似，但是在數(shù)值上存在較大差別，例如圓柱狀裂紋缺陷的裝藥單元所承受的應(yīng)力峰值就比三棱柱狀裂紋缺陷裝藥單元的高一倍左右，四棱柱狀裂紋缺陷居中，這既可能與裝藥缺陷的形狀有關(guān)，也可能有裂紋缺陷所處的姿態(tài)狀態(tài)的貢獻。從圖4可以看出，在同一軸向高度的位置上，工況三所代表的呈環(huán)形圓柱狀裂紋缺陷的缺陷表面應(yīng)力波作用下，發(fā)生的塑性應(yīng)變最大，其次是正三棱柱，最小的是正四棱柱狀裂紋缺陷。綜合圖4、圖5可以看出：不同形狀的裂紋裝藥缺陷形成的塑性應(yīng)變對于缺陷處裝藥溫升的變化與塑性應(yīng)變的大小呈正相關(guān)性，并且塑性應(yīng)變越大，使得裂紋缺陷處裝藥單元的溫度上升值越大。

從圖5可以看出，該侵爆戰(zhàn)斗部在上述條件侵徹靶板過程中，處于550 mm圓柱狀的裂紋缺陷處裝藥單元因塑性應(yīng)變能的累積和裝藥的自反應(yīng)放熱引起的溫升最大，達439.82 K(該侵爆戰(zhàn)斗部主裝藥的5s滯期爆發(fā)點為533 K[2])，此外，根據(jù)非均質(zhì)炸藥在沖擊載荷動態(tài)響應(yīng)常用的點火判據(jù)為：

Pnt=constant

(2)

式(2)中：P為非均質(zhì)炸藥所承受的沖擊應(yīng)力；t為沖擊應(yīng)力作用在非均質(zhì)炸藥上的時間constant為常數(shù)，其值由炸藥自身決定。

覃金貴博士[11]通過實驗和數(shù)值模擬研究得出含鋁PBX炸藥JHL-3的點火判據(jù)常數(shù)為P1.9t=4.3×107MPa1.9·μs，而在含裂紋缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部主裝藥在穿甲過程中所承受的沖擊應(yīng)力根據(jù)圖3中裝藥單元承受的應(yīng)力-時間曲線進行計算，按上述判據(jù)計算的結(jié)果為1.54×107MPa1.9·μs。根據(jù)以上計算結(jié)果可以得出：該狀態(tài)下侵爆戰(zhàn)斗部主裝藥比較安定，可能會發(fā)生燃燒，但是沒有發(fā)生早炸的風(fēng)險。

3.2基于極差分析法的裂紋缺陷各因素對侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程裝藥安定性分析

為了得出裂紋裝藥缺陷四個因素對于侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程中裝藥安定性的影響主次，將前面利用L9(34)正交試驗表設(shè)計得到的數(shù)值模擬結(jié)果按照極差分析數(shù)據(jù)表進行記錄、整理，如表4所示。

表4 不同因素對于裂紋缺陷裝藥溫度影響極差分析表

注：表中1、2、3分別代表不同因素的三個水平

表4為根據(jù)前面的工況設(shè)計進行數(shù)值模擬得到裂紋缺陷處裝藥單元溫升數(shù)據(jù)的匯總和極差分析處理?？梢园l(fā)現(xiàn)：Rj行中C所代表的軸向位置這一欄的數(shù)據(jù)較大，A、B、D三列數(shù)據(jù)基本一致且A所代表的形狀欄最小，這表明當(dāng)裂紋缺陷的軸向位置這個因素的水平發(fā)生變動時，侵爆戰(zhàn)斗部裂紋缺陷處裝藥單元的穿甲過程中溫升變化較大，即軸向位置對于含裂紋缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在穿甲過程裝藥安定性的影響最大，裂紋缺陷其他三個因素對侵爆戰(zhàn)斗部裝藥的侵徹安定性的影響相對有限。

正交試驗下裂紋缺陷的因素-指標(biāo)圖(裝藥單元溫升)如圖6，圖6中A1、A2、A3分別表示的是裂紋缺陷形狀因素的三個水平，可以發(fā)現(xiàn)：(1)裂紋缺陷為圓柱時，裝藥單元溫升最明顯，正三棱柱次之，正四棱柱溫升最?。?2)裂紋缺陷的尺寸為10/80 mm時，裝藥單元溫升最明顯，2/16 mm較小，4/32 mm溫升最??；(3)裂紋缺陷的軸向位置為550 mm時，裝藥單元溫升最明顯，337.5 mm和112.5 mm溫升較小且基本相等；(4)裂紋缺陷的姿態(tài)為周向時，裝藥單元溫升最明顯，水平狀態(tài)次之，豎直狀態(tài)時溫升最小。

圖6 正交試驗下裂紋缺陷的因素-指標(biāo)圖

4 結(jié)論

1) 含裂紋缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在侵徹靶板過程中，含裂紋缺陷的裝藥區(qū)域易形成較大塑性應(yīng)變，且裂紋缺陷所處的軸向位置越高，缺陷處裝藥的有效塑性應(yīng)變也同步變大，裝藥的塑性應(yīng)變能引起的裝藥局部溫升就越大。

2) 關(guān)于裂紋缺陷的四個因素對于侵爆戰(zhàn)斗部垂直穿甲過程中裝藥安定性的影響，以裂紋缺陷的軸向高度對裝藥安定性影響最大，裂紋缺陷姿態(tài)的影響次之，裂紋缺陷模擬形狀和尺寸的影響較小。

3) 幾種因素作用下的裂紋缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部在以1.5倍音速穿甲過程中內(nèi)部裝藥的裂紋缺陷并未閉合，因塑性應(yīng)變能引起的裝藥的局部溫升比較有限，對于侵爆戰(zhàn)斗部裝藥的侵徹安定性的影響比較小。

[1] 尹俊婷，羅穎格，陳智群，等.一種彈藥PBX裝藥的貯存老化機理及安全性[J].含能材料，2015，23(11)：1051-1054.

[2] 趙勇華，陳霜艷，李國蘭，等.侵徹戰(zhàn)斗部裝藥安定性計算方法與探討[C]//含能材料與鈍感彈藥技術(shù)學(xué)術(shù)研討會.2014：143-147.

[3] 王洪波，王旗華，盧永剛，等.PBX炸藥細觀孔洞缺陷對其沖擊點火特性的影響[J].火炸藥學(xué)報，2015，38(5)：31-36.

[4] 劉群，陳朗，伍俊英，等.PBX炸藥細觀結(jié)構(gòu)沖擊點火的二維數(shù)值模擬[J].火炸藥學(xué)報，2011，34(6)：10-16.

[5] 王晨，陳朗，劉群，等.多組分PBX炸藥細觀結(jié)構(gòu)沖擊點火數(shù)值模擬[J].爆炸與沖擊，2014，34(2)：167-173.

[6] 尚海林，趙 鋒，王文強，等.沖擊作用下炸藥熱點形成的3維離散元模擬[J].爆炸與沖擊，2010,30(2)：131-137.

[7] 溫麗晶，段卓平，張震宇等.彈粘塑性雙球殼塌縮熱點反應(yīng)模型[J].高壓物理學(xué)報，2011,25(6)：493-499.

[8] 焦志剛，郭秋萍，劉宗超.半穿甲彈侵徹過程中裝藥安定性數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32(2)：92-94.

[9] 陳丁丁，盧芳云，林玉亮，等.某含鋁PBX壓縮性能的應(yīng)變率與溫度效應(yīng)[J].高壓物理學(xué)報，2013，27(3)：361-366.

[10] 陳全科，藍林鋼，路中華，等.含預(yù)制缺陷PBX炸藥裂紋擴展過程的實驗研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1)：134-136.

[11] 覃金貴.PBX炸藥非沖擊點火機制試驗和數(shù)值模擬研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.10.

[12] 李尚昆，黃西城，王鵬飛.高聚物黏結(jié)炸藥的力學(xué)性能研究進展[J].火炸藥學(xué)報，2016,39(4)：1-8.

(責(zé)任編輯周江川)

ResearchonNumericalSimulationofStabilityoftheChargeofInvasionofExplosiveWarheadsContainingSeamDefectsinArmor-PiercingProcess

LYU Pengboa, WANG Weilib, LIU Xiaoxiaa, WU Shiyongc

(a. Graduate Students’ Brigade; b. Department of Ordnance Science and Technology; c.Department of Basic Science, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China)

To study the influencing of the charge safety which has seam defects armor-piercing process during the armor-piercing process in this paper, we have created the annular shaped about warhead which has munitions flaw and the target. We have simulated the process of penetrating. And we calculated the temperature variation in some area about the above process, and we have get some conclusion about the charge safety based on the above data. It is concluded that the cylindrical crack defects in the filling area of the egg head are influential to the stability of the defective warhead after seam defects through numerical simulation research under the four factors three levels for the invasion of explosive warhead charge penetration stability.

charge defects; charge safety; plastic strain energy; armour piercing

2017-07-10；

2017-07-31

呂鵬博(1992—),男,碩士研究生,主要從事戰(zhàn)斗部裝藥安定性研究。

王偉力(1962—)，男，博士，教授，主要從事戰(zhàn)斗部設(shè)計與目標(biāo)毀傷評估研究。

裝備理論與裝備技術(shù)

10.11809/scbgxb2017.11.006

本文引用格式：呂鵬博，王偉力，劉曉夏,等.含裂紋裝藥缺陷的侵爆戰(zhàn)斗部穿甲過程裝藥安定性的數(shù)值模擬研究[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(11):26-30.

formatLYU Pengbo, WANG Weili, LIU Xiaoxia, et al.Research on Numerical Simulation of Stability of the Charge of Invasion of Explosive Warheads Containing Seam Defects in Armor-Piercing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):26-30.

TJ410.1

A

2096-2304(2017)11-0026-05