PTFE/Cu材料粒子流沖擊帶殼裝藥的仿真研究

陳 杰，尹建平，張 沖

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051)

不少學(xué)者在研究對付爆炸式反應(yīng)裝甲(ERA)的過程中，發(fā)現(xiàn)將低密度材料藥型罩作為串聯(lián)戰(zhàn)斗部前級能實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)裝甲的穿而不爆。Helte等[1]測試了玻璃、鋁粉和氧化鋁粉末作為藥型罩材料時(shí)形成的射流可以實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)裝甲的穿而不爆。劉同鑫等[2]對聚四氟乙烯(PTFE)材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PTFE射流雖然能實(shí)現(xiàn)對帶殼裝藥的穿而不爆，但純PTFE射流存在侵徹性能不足的問題；Chang B H等[3]通過在PTFE基體中加入一定粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.5%，密度為8.93 g/cm3的銅粉進(jìn)行改性得到聚四氟乙烯/銅(PTFE/Cu)，使其形成射流的侵徹能力提高。PTFE/Cu材料藥型罩在爆轟驅(qū)動下發(fā)生壓垮后，無法形成凝聚的射流，而是在其軸線上形成一束主要由眾多處于離散狀態(tài)的材料粉末微粒組成的聚能粉末粒子流[4]。本研究將采用光滑粒子-有限元耦合(SPH-FEM)方法對PTFE/Cu材料形成粒子流沖擊帶殼裝藥進(jìn)行數(shù)值模擬，并在HELD提出的駐點(diǎn)壓力引起炸藥起爆的理論基礎(chǔ)上，考慮帶殼裝藥殼體的影響，提出射流在沖擊帶殼裝藥時(shí)的沖擊起爆臨界條件，得到帶殼裝藥在PTFE/Cu材料形成粒子流沖擊下的起爆閾值。

1 帶殼裝藥沖擊起爆臨界條件

聚能射流沖擊帶殼裝藥的過程示意圖如圖1所示。

根據(jù)HELD提出[5]的駐點(diǎn)壓力引起炸藥起爆的基本理論，對于射流沖擊裸炸藥存在沖擊起爆臨界條件：

(1)

式(1)中:ue為射流在炸藥中的開坑速度，d是射流頭部直徑。以帶殼裝藥為研究對象，射流頭部以速度vj撞擊帶殼裝藥，當(dāng)射流頭部與裝藥殼體發(fā)生碰撞時(shí)，由流體力學(xué)中的Bernoulli方程[6]可以得到

(2)

式(2)中j代表射流頭部，s代表裝藥殼體

由式(2)可以得到：

(3)

同理，當(dāng)殼體與炸藥發(fā)生碰撞時(shí)，有：

(4)

式(4)中s代表裝藥殼體，e代表夾層炸藥

將式(3)代入式(4)整理可以得到

(5)

將式(5)代入式(1)，可以得到聚能射流在沖擊帶殼裝藥時(shí)的起爆臨界條件：

(6)

2 計(jì)算模型

2.1 有限元模型

光滑粒子-有限元耦合方法(SPH-FEM)是結(jié)合光滑粒子流體動力學(xué)法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)與Lagrange有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)的優(yōu)點(diǎn)[6]，在大變形區(qū)域(炸藥、藥型罩)采用SPH方法，小變形區(qū)域(殼體、夾層炸藥)采用FEM方法，采用AUTODYN有限元程序中的SPH-FEM耦合算法對聚能射流侵徹帶殼裝藥過程進(jìn)行數(shù)值模擬。為便于觀察夾層炸藥各點(diǎn)的壓力，在夾層炸藥中設(shè)置對應(yīng)的高斯點(diǎn)，其模型如圖2所示。

2.2 材料模型及參數(shù)

藥型罩材料為PTFE/Cu，參數(shù)見表1，采用von Mises屈服準(zhǔn)則、瞬時(shí)破壞準(zhǔn)則和Shock狀態(tài)方程描述藥型罩材料在爆轟波作用下的動態(tài)響應(yīng)行為[8]。殼體材料為 30CrMnSi，用Linear狀態(tài)方程和Johnson Cook強(qiáng)度模型描述本構(gòu)關(guān)系；聚能裝藥和夾層炸藥均為 B 炸藥，聚能裝藥用JWL狀態(tài)方程描述，夾層炸藥用Lee-Tarver狀態(tài)方程描述，所用材料參數(shù)均來自AUTODYN程序材料庫。

表1 PTFE/Cu材料的基本參數(shù)[3]

3 PTFE/Cu粒子流成型的數(shù)值仿真

從引爆戰(zhàn)斗部裝藥開始，2 μs后爆轟波到達(dá)藥型罩的頂部并開始作用于藥型罩，使其壓垮成型；到5 μs時(shí)藥型罩被全面壓垮，藥型罩材料粒子受壓后以很大的速度向中心擠壓，并在軸線上發(fā)生碰撞后形成初期的射流和杵體；5～15 μs是射流形成的關(guān)鍵時(shí)間段，在這個時(shí)間段內(nèi)被壓垮的藥型罩材料粒子將全部在軸線上匯聚形成射流、杵體，此時(shí)的射流并未表現(xiàn)出粒子特性；而在20 μs以后，隨著時(shí)間的延長射流頭部出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，直徑逐漸變大，此時(shí)射流已不再凝聚，表現(xiàn)出了飛散的特性。這是由于20 μs以后射流的運(yùn)動已基本不受爆轟產(chǎn)物的影響，主要靠其本身存在的速度使射流向前運(yùn)動拉伸，在此過程中射流頭部存在部分粒子速度高，能量大，會產(chǎn)生一定的不規(guī)則運(yùn)動，對臨近粒子產(chǎn)生影響，使其產(chǎn)生沿徑向的飛散運(yùn)動，最終形成飛散的粒子流，如圖3所示。

4 PTFE/Cu粒子流沖擊帶殼裝藥的研究

4.1 數(shù)值模擬中夾層炸藥起爆的判斷依據(jù)

為了判斷數(shù)值模擬中夾層炸藥是否被沖擊起爆，可以根據(jù)圖中所設(shè)高斯點(diǎn)壓力是否超過B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa來判斷[9-10]，從圖4可以看出炸藥內(nèi)部各點(diǎn)壓力值達(dá)到了炸藥的爆轟壓力，說明炸藥被起爆；而從圖5可以看出炸藥內(nèi)部各點(diǎn)壓力均小于炸藥的爆轟壓力，且呈逐漸減弱的趨勢，則可認(rèn)為炸藥未被起爆。

此外，還可以通過觀測夾層炸藥的反應(yīng)度來判定，如圖6、圖7所示，其中反應(yīng)度分?jǐn)?shù)F的取值在0～1，當(dāng)反應(yīng)度F=1時(shí)表示炸藥完全反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)度F=0時(shí)表示炸藥未反應(yīng)。反應(yīng)度分?jǐn)?shù)F在Autodyn中表現(xiàn)為ALPHA。

4.2 PTFE/Cu材料粒子流沖擊帶殼裝藥的起爆閾值

為了得到PTFE/Cu材料粒子流沖擊帶殼裝藥的起爆閾值，采用不同性能參數(shù)的PTFE/Cu粒子流去沖擊帶殼裝藥，得到計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2中vj、d、ρj分別為沖擊帶殼裝藥前射流頭部的速度、直徑和密度。

帶殼裝藥的炸藥在受到?jīng)_擊后，根據(jù)反應(yīng)程度不同可以分為基本未反應(yīng)、燃燒、爆炸，出現(xiàn)這3種反應(yīng)狀態(tài)的典型方案如下所示：

方案3是帶殼裝藥在PTFE/Cu粒子流沖擊下基本未反應(yīng)的典型方案。如圖8所示，由夾層炸藥反應(yīng)度云圖可以看到各處的反應(yīng)度很小，除了中心區(qū)域直接受到粒子流沖擊處夾層炸藥有較小部分反應(yīng)度達(dá)到0.2，其余炸藥基本未發(fā)生反應(yīng)；由各高斯點(diǎn)的壓力變化曲線可知，最靠近中心區(qū)域的高斯點(diǎn)1其最大壓力值為1.92 GPa，均未超過B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，且越遠(yuǎn)離中心區(qū)域壓力越小。因此說明，在該粒子射流狀態(tài)下可以對夾層炸藥可靠實(shí)現(xiàn)穿而不爆。

方案7是帶殼裝藥在PTFE/Cu粒子流沖擊下發(fā)生燃燒反應(yīng)的典型方案。如圖9所示，由夾層炸藥反應(yīng)度云圖可以看到中心區(qū)域直接受到粒子流沖擊處夾層炸藥有較大部分反應(yīng)度達(dá)到1，此時(shí)中心區(qū)域炸藥已經(jīng)被點(diǎn)燃了，但觀察遠(yuǎn)離中心區(qū)域炸藥可以發(fā)現(xiàn)，越遠(yuǎn)離中心區(qū)域的反應(yīng)度越小，說明炸藥并未由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟；這是由于中心區(qū)域炸藥反應(yīng)度雖然較高但熱點(diǎn)太少，不足以引爆炸藥，同時(shí)夾層炸藥其本身具有一定的鈍感，而在沖擊中局部炸藥被壓縮發(fā)生了進(jìn)一步的鈍化，隨著時(shí)間的推移，反應(yīng)度沒有明顯的變化；由高斯點(diǎn)壓力變化曲線可知中心區(qū)高斯點(diǎn)的壓力最大值為3.73 GPa未超過B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，而越遠(yuǎn)離中心區(qū)域高斯點(diǎn)壓力越小，也說明炸藥未被引爆。雖然未發(fā)生爆炸反應(yīng)，但炸藥的起爆存在一定的概率，這種燃燒現(xiàn)象在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。

表2 PTFE/Cu粒子流沖擊帶殼裝藥仿真結(jié)果

方案9是帶殼裝藥在PTFE/Cu粒子流沖擊下發(fā)生爆炸反應(yīng)的典型方案。如圖10所示，由夾層炸藥反應(yīng)度云圖可以看到靠近中心區(qū)域夾層炸藥的反應(yīng)度都達(dá)到1，此時(shí)炸藥完全發(fā)生了反應(yīng)，并引起臨近炸藥發(fā)生反應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，整個夾層炸藥都將被引爆；由高斯點(diǎn)壓力變化曲線可知中心區(qū)高斯點(diǎn)1的壓力，在炸藥受到?jīng)_擊后迅速增大，最大值達(dá)到了22.6 GPa超過了B炸藥的臨界起爆壓力5.63 GPa，而越遠(yuǎn)離中心區(qū)域高斯點(diǎn)壓力也越大，出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)火增長，反應(yīng)速度加快，且很快達(dá)到炸藥爆轟的峰值壓力29.5 GPa，說明炸藥已被引爆。

5 結(jié)論

：

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