環(huán)形及線形聚能裝藥侵徹體對長桿式穿甲彈穿甲過程干擾的試驗和數(shù)值模擬

張晉紅， 李如江， 劉天生

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引言

爆炸反應(yīng)裝甲(ERA)自1970年問世以來，就以其防護性能優(yōu)良、成本低廉、拆裝簡便等優(yōu)點，在坦克裝甲車輛上廣泛應(yīng)用。爆炸式反應(yīng)裝甲是一種披掛在主裝甲外面的裝甲，當(dāng)受到破甲射流或穿甲彈高速撞擊時，引爆中間炸藥層，產(chǎn)生爆炸場對射流或動能穿甲彈連續(xù)或斷續(xù)切割，使射流或穿甲彈受到干擾，從而降低射流或穿甲彈對主裝甲的侵徹能力[1]。但是這種傳統(tǒng)的爆炸反應(yīng)裝甲對長桿式穿甲彈(簡稱長桿彈)的防護能力并沒有達到預(yù)期的防御效果。

目前具備三防功能(防破甲、防穿甲、防串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部)的第4代爆炸式反應(yīng)裝甲以線性聚能裝藥為基礎(chǔ)，靠主動引爆后形成的線性自鍛破片或線性聚能射流攔截撞擊彈桿，改變穿甲彈的飛行彈道和著靶姿態(tài)，從而降低其對主裝甲的侵徹威力[2]。但是一直以來，國內(nèi)外反坦克武器都在不停地改進提高，坦克面臨的威脅不斷加大[3]。因此，為了進一步提高爆炸反應(yīng)裝甲的防護性能，增強坦克在戰(zhàn)場上的生存能力，提出了一種環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)的爆炸反應(yīng)裝甲。

目前國內(nèi)外對環(huán)形聚能裝藥的理論研究與應(yīng)用早已開展，并取得了豐碩的成果。例如，Gazonas等[4]運用環(huán)形聚能裝藥設(shè)計了一種具有圓形切割能力的環(huán)形切割器。Chick等[5]改進了環(huán)形聚能切割器的結(jié)構(gòu)，能在3倍炸高下侵徹出0.75倍裝藥口徑的環(huán)形孔洞。Konig等[6]通過將環(huán)形藥型罩設(shè)計成變壁厚墊圈形狀，獲得了長度達1/3裝藥直徑的環(huán)形爆炸成型彈丸。 Mcister等[7]將環(huán)形藥型罩設(shè)計成鐮刀形狀，選用多種不同材料作為藥型罩材料進行試驗，得到了直徑超過裝藥口徑的環(huán)形爆炸成型彈丸。 賈偉等[8]應(yīng)用非線性有限元軟件研究了藥型罩結(jié)構(gòu)對環(huán)形爆炸成型彈丸形成的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)弧錐結(jié)合形爆炸成型彈丸比環(huán)錐形爆炸成型彈丸成型好、速度高、材料利用率高，比環(huán)球形爆炸成型彈丸密實度好、侵徹能力強。傅磊等[9]通過對環(huán)形聚能裝藥侵徹靶板過程進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)對射流穿靶時間及剩余速度影響較大的因素為藥型罩開口角度。裴紅波等[10]采用有限元分析軟件Autodyn對由梯恩梯炸藥、水、塑料構(gòu)成的特殊形狀聚能裝藥結(jié)構(gòu)進行了二維數(shù)值模擬，計算了不同炸藥厚度下水射流形成過程，發(fā)現(xiàn)影響水射流形狀的主要是炸藥厚度，炸藥厚度越厚，水射流的形狀越細長，速度越大。

綜上所述可知，以往對于環(huán)形聚能裝藥的研究僅局限于影響射流或爆炸成型彈丸性能或形態(tài)的因素，沒有將其引入武器系統(tǒng)防護領(lǐng)域。因此，本文設(shè)計了一種以環(huán)形聚能裝藥為基礎(chǔ)的爆炸反應(yīng)裝甲，依靠引爆環(huán)形聚能裝藥形成的環(huán)形自鍛破片使長桿彈彎曲、偏轉(zhuǎn)或斷裂，從而降低侵徹能力。與線性聚能裝藥結(jié)構(gòu)的爆炸成形侵徹體攔截長桿彈穿甲過程進行了對比研究，得出了長桿彈被爆炸成形侵徹體干擾后穿甲威力下降的原因，可為提高聚能型爆炸反應(yīng)裝甲的防護性能提供依據(jù)。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置及方案

試驗所用模擬長桿彈選用25 mm口徑鎢合金半球頭圓柱桿，其中彈芯材料為93 W，彈芯直徑為7 mm，長度為210 mm，長徑比為30，彈芯質(zhì)量為153.4 g，彈體的速度控制在1 200 m/s左右。選取50 mm厚的603裝甲鋼作為主裝甲，通過測定長桿彈在后效靶的穿深來檢驗聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成的爆炸成型侵徹體的干擾能力。圖1為試驗裝置及環(huán)形藥型罩結(jié)構(gòu)示意圖，包括聚能裝藥、鎢桿、發(fā)射裝置和后效靶。聚能裝藥藥型罩由T2紫銅棒車制和旋壓而成，殼體材料為Q235A鋼，厚度10 mm，裝填藥為B炸藥(40%梯恩梯和60%黑索今)， 密度1.68 g/cm3，裝藥高度45 mm. 試驗時聚能裝藥固定至光滑的木板上，炸高120 mm. 為實現(xiàn)環(huán)形線起爆，在環(huán)形炸藥上放置隔板，并加工一個與隔板同圓心的臺階孔，環(huán)形臺階孔內(nèi)裝入太安炸藥，并與B炸藥充分接觸，通過太安炸藥的起爆實現(xiàn)對B炸藥的環(huán)形線起爆。為保證起爆時間的同時性，環(huán)形聚能裝藥及發(fā)射彈桿火藥桶采用相同長度的導(dǎo)爆索連接8號電雷管起爆。試驗中另裝配1發(fā)線形聚能裝藥作為對比，為保證試驗結(jié)果的可比性，兩種裝藥結(jié)構(gòu)中的藥柱密度、高度均相同。藥型罩和藥柱相關(guān)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 環(huán)形藥型罩參數(shù)

表2 線形藥型罩參數(shù)

表3 藥柱參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)1.1節(jié)的試驗方案及裝置進行試驗，后效靶穿深情況及測量結(jié)果分別如圖2和表4所示，其中L為侵徹開坑最大長度，W為開坑最大寬度，H為開坑最大深度。

從表4的侵徹試驗結(jié)果可知，無論是采用線形聚能裝藥還是環(huán)形聚能裝藥，其成型的侵徹體均能對長桿彈鎢桿造成很大的干擾，而在侵徹孔的長度、寬度和深度上，環(huán)形爆炸成型侵徹體干擾下的鎢桿侵徹鋼靶造成的損傷明顯小于線形爆炸成型侵徹體干擾下的鎢桿。

從圖2(a)線形爆炸成型侵徹體干擾下的鎢桿侵徹603裝甲鋼的結(jié)果可以看出，鎢桿在裝甲鋼內(nèi)穿深較大，坑道截面呈半個漏斗狀，前部開口較大，中后部較小。這是因為鎢桿在受到線形爆炸侵徹體干擾后彎曲，鎢桿頭部斜向上運動，在碰觸到鋼靶后受到的橫向阻力突然增大，彎曲處應(yīng)力集中而折斷。其前半部分首先在鋼靶上形成細長的彈坑，后半部分由于長度較大，鎢桿偏離軸線的程度較小，只有頭部的一段向下彎曲呈鉤狀，侵徹能力仍然較高，這部分鎢桿在原來侵徹的基礎(chǔ)上繼續(xù)開坑，且形成較深的彈坑。

表4 兩種爆炸成型侵徹體干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼靶試驗結(jié)果

從圖2(b)環(huán)形爆炸成型侵徹體干擾下的鎢桿侵徹603裝甲鋼的結(jié)果可以看出，鎢桿在裝甲鋼內(nèi)穿深相對于線形結(jié)構(gòu)較小，坑道截面呈淺漏斗狀，前部開口仍然較大，中后部較小。這是因為鎢桿在受到環(huán)形爆炸侵徹體干擾后形成兩處彎曲，以彎曲處為界限，鎢桿可分成前部、中部和后部3部分。首先鎢桿頭部受到干擾朝斜向上運動，在碰觸到鋼靶后受到的橫向阻力突然增大，彎曲處應(yīng)力集中而嚴重彎曲甚至折斷，在鋼靶上形成細長的彈坑；中、后部分繼續(xù)向前運動，在碰觸到鋼靶后彎曲部分斷裂，中、后部分偏斜下運動，有效侵徹動能大幅度減小，在靶板上的開坑深度較小。

對比試驗中兩種爆炸成型侵徹體干擾下的鎢桿侵徹603裝甲鋼彈孔長度L與彈孔深度H可知，環(huán)形聚能裝藥干擾下的鎢桿侵徹彈孔長度同線形聚能裝藥干擾下的相比，彈坑長度增大了10.9%，但穿深僅為22 mm，降低了29%，在彈孔寬度上二者相近。由此可知環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)爆炸形成的侵徹體攔截鎢桿，使鎢桿的損傷更大，侵徹能力明顯下降，在防御長桿彈上，性能要優(yōu)于線形聚能裝藥結(jié)構(gòu)。

2 仿真模型的建立

2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

采用線性動力學(xué)有限元分析軟件LS-DYNA 3D進行仿真數(shù)值建模。仿真模型主要包括爆炸成型侵徹體、長桿彈和靶板 3部分。采用等厚球缺罩爆炸成型侵徹體戰(zhàn)斗部裝藥，裝藥結(jié)構(gòu)為軸對稱，藥型罩厚度為2 mm，曲率半徑為23 mm；裝藥為B炸藥，裝藥直徑為40 mm. 為了研究長桿彈干擾后的穿深，設(shè)置靶板尺寸12 mm×10 mm×10 mm，戰(zhàn)斗部在靶板垂直上方70 mm處靜爆，用多點起爆代替環(huán)形起爆。由于模型的對稱性，故建立了1/2模型，并通過施加對稱約束來減少計算量[11]。球缺罩、空氣以及炸藥使用歐拉網(wǎng)格建模，單元采用多物質(zhì)任意拉格朗日- 歐拉算法[12]，長桿彈和裝甲鋼靶采用拉格朗日網(wǎng)格建模，長桿彈、炸藥、藥型罩以及靶板材料之間使用流體與固體耦合算法，長桿彈與侵徹體及后效靶均定義為面面侵蝕接觸， 在空氣邊界處施加無反射邊界條件以消除邊界效應(yīng)，有限元模型如圖3所示。在計算中，計算模型選取厘米- 克- 微秒單位制，同時為了提高計算效率和精度，局部網(wǎng)格進行了加密處理，共計432 576個單元。

2.2 材料模型及參數(shù)

整個數(shù)值模型可分為以下6個部分：

1)聚能藥柱。聚能藥柱為B炸藥壓制而成，采用高能燃燒材料模型和JWL狀態(tài)方程來描述[13]。其主要參數(shù)為：密度ρ=1.68 g/cm3，爆壓pCJ=28.08 GPa，爆速D=8 200 m/s，A、B、R1、R2和ω為與狀態(tài)方程有關(guān)的常數(shù)，A=807 GPa，B=12 GPa，R1=4.23，R2=1.21,ω=0.33.

2)空氣?？諝庖暈槔硐霘怏w，選用空氣介質(zhì)，采用空物質(zhì)料模型和線性多項式Liner Polynomial狀態(tài)方程描述，密度ρ=1.25 g/cm3.

3)藥型罩。藥型罩為紫銅罩。采用Steinberg強度模型和Grüneisen狀態(tài)方程表示[13]，相關(guān)參數(shù)為：密度ρ=8.93 g/cm3，剪切模量G=28.08 GPa，初始屈服應(yīng)力Y0=120 MPa，最大屈服應(yīng)力Ymax=640 MPa，β=36，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.45，沖擊波速度- 質(zhì)點速度曲線的截距c=3 940 m/s，Grüneisen常數(shù)γ0=1.99，沖擊波速度- 質(zhì)點速度曲線斜率的系數(shù)S1=1.49.

4)外殼。外殼材質(zhì)為Q235鋼,采用Johnson-Cook模型和Grüneisen狀態(tài)方程進行描述[13]。具體材料參數(shù)為：密度ρ=7.83 g/cm3，剪切模量G=81.8 GPa，A、B、n、C為與狀態(tài)方程有關(guān)的常數(shù)，A=792 MPa，B=510 MPa，n=0.26，C=0.014， 溫度相關(guān)因數(shù)m=1.03，Grüneisen常數(shù)γ0=1.99.

5)靶板。靶板為603裝甲鋼靶，采用Johnson-Cook模型和Grüneisen狀態(tài)方程進行描述[13]。具體材料參數(shù)為：密度ρ=7.85 g/cm3，剪切模量G=77 GPa，A、B、n、C為與狀態(tài)方程有關(guān)的常數(shù)，A=1 350 MPa，B=362 MPa，n=0.58，C=0.087，溫度相關(guān)因數(shù)m=1.13，Grüneisen常數(shù)γ0=2.17.

6)長桿彈。長桿彈材質(zhì)為93 W，采用Johnson-Cook模型和Grüneisen狀態(tài)方程進行描述[13]。具體材料參數(shù)為：密度ρ=17.6 g/cm3，剪切模量G=136 GPa，A、B、n、C為與狀態(tài)方程有關(guān)的常數(shù)，A=1 506 MPa，B=177 MPa，n=0.12，C=0.016，溫度相關(guān)因數(shù)m=1.00，Grüneisen常數(shù)γ0=2.1.

3 模擬兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼靶的過程及分析

利用LS-DYNA 3D模擬兩種爆炸成型侵徹體干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼的過程。通過模擬發(fā)現(xiàn)，兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)形成爆炸成型侵徹體的機理基本相同，都是在炸藥強爆轟波壓力下，藥型罩沿其軸線向下對稱壓合翻轉(zhuǎn)，而后經(jīng)歷拉伸變形，最終形成高速穩(wěn)定運動的侵徹體。表5給出了兩種爆炸成型侵徹體干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼靶的具體過程。由表5分析可知，裝藥起爆后，爆轟波以球面波的形式沿裝藥向下傳播：當(dāng)t=6 μs時，到達球缺藥型罩頂端；當(dāng)t=10 μs時，球缺藥型罩在強爆轟波作用下沿藥型罩軸線向下壓合翻轉(zhuǎn)，此時這兩種裝藥結(jié)構(gòu)下的藥型罩變化情況基本一致；當(dāng)t=22 μs時，藥型罩壓合翻轉(zhuǎn)基本完成，線性聚能裝藥形成線形爆炸成型侵徹體，環(huán)形聚能裝藥逐漸形成環(huán)形爆炸成型侵徹體，此時的侵徹體頭尾速度梯度最大；當(dāng)t=36 μs時，線形侵徹體基本已經(jīng)形成并繼續(xù)向下運動，整體速度基本保持在2 057 m/s，環(huán)形侵徹體速度基本保持在2 308 m/s.

表5 兩種聚能裝藥干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼過程

在t為22～36 μs時間內(nèi)，通過對比同一截面上兩種爆炸成型侵徹體的形態(tài)，并結(jié)合表5圖中顏色變化可知，環(huán)形爆炸成型侵徹體在壓力和速度參數(shù)的分布上并不沿其中心線呈規(guī)律性對稱關(guān)系，其原因是藥型罩內(nèi)外兩側(cè)炸藥層厚度不同而導(dǎo)致內(nèi)外罩壓垮的不同步；環(huán)形侵徹體在t=40 μs時開始毀傷長桿彈，線形侵徹體在t=42 μs時開始毀傷長桿彈；在t=49 μs時，毀傷過程基本完成，這時長桿彈由于受到爆炸成型侵徹體的干擾，在彈桿徑向發(fā)生嚴重變形，爆炸侵徹體中間部位發(fā)生斷裂，線形爆炸成型侵徹體干擾下的長桿彈整體速度從原來的1 200 m/s降到1 190 m/s，降低了10 m/s，環(huán)形爆炸侵徹體干擾的長桿彈速度由1 200 m/s降到1 185 m/s，降幅為15 m/s，環(huán)形侵徹體使彈桿徑向速度降至135.1 m/s，受到干擾后的彈桿在徑向上都損耗一部分能量，損耗了彈桿的侵徹動能，通過對比發(fā)現(xiàn)，環(huán)形爆炸成型侵徹體干擾的長桿彈損耗效果更佳；在t=68 μs時，彈桿均開始侵徹靶板，彈桿受到的阻力突然增大，原來彎曲的部位應(yīng)力集中發(fā)生斷裂；在t為122～182 μs時，后段彈桿入靶，環(huán)形爆炸侵徹體干擾的長桿彈彈桿在彎曲的部位發(fā)生斷裂。對比后效靶板上的彈坑，環(huán)形爆炸侵徹體干擾的長桿彈開坑淺、坑徑大。另外，觀察長桿彈后段彈桿的侵徹，發(fā)現(xiàn)二者的后段彈桿均存在翻轉(zhuǎn)過程，線形爆炸侵徹體干擾的后段彈桿按順時針翻轉(zhuǎn)，而環(huán)形爆炸侵徹體干擾的后段彈桿，以彎曲處為界前段部分為順時針翻轉(zhuǎn)、后段部分為逆時針翻轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)將導(dǎo)致后段彈桿的入射方向與軸向方向偏離程度逐漸增大，作用于603裝甲鋼靶的有效侵徹動能減小。

表6 兩種爆炸成型侵徹體干擾長桿彈侵徹603鋼靶模擬結(jié)果

表6為兩種爆炸侵徹體干擾長桿彈侵徹603裝甲鋼靶模擬結(jié)果，與試驗所得數(shù)據(jù)基本吻合，靶板損傷模擬效果(見圖4)也與試驗結(jié)果(見圖2)基本相符。將裝甲結(jié)構(gòu)單元的抗彈性能及其質(zhì)量均以標準均質(zhì)裝甲鋼板作為基準進行對比，得出評價裝甲結(jié)構(gòu)單元的防護系數(shù)[14]，計算公式為

(1)

式中：Th為標準彈射擊標準靶時的穿甲深度；ρh為標準均質(zhì)裝甲鋼靶密度，ρh=7.85 g/cm3；Ts為標準彈射擊特種鋼裝甲時的穿甲深度；ρs為特種裝甲的密度。

通過計算可知，裝配有環(huán)形與線形聚能裝藥結(jié)構(gòu)的防護系統(tǒng)同標準均質(zhì)裝甲鋼性能相比，防護系數(shù)均顯著提高，在環(huán)形爆炸侵徹體防護系統(tǒng)中，靶板對長桿彈的防護系數(shù)比線形爆炸侵徹體高出了48%. 因此，裝配環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)防護系統(tǒng)性能遠優(yōu)于線形聚能裝藥結(jié)構(gòu)。

圖5為兩種聚能裝藥結(jié)構(gòu)爆炸侵徹體飛行速度對比曲線。從圖5中可以看出，環(huán)形爆炸成型侵徹體飛行速度大于線形的，這是因為同等質(zhì)量侵徹體，環(huán)形爆炸成型侵徹體頂部壁厚較小，但線形爆炸成型侵徹體速度衰減遠小于環(huán)形的。通過分析外觀氣動性可知，線形爆炸成型侵徹體迎風(fēng)面積小，飛行過程中受到的空氣阻力較小，但是近距離飛行，環(huán)形爆炸成型侵徹體的速度仍遠大于線形的，毀傷動能優(yōu)于線形爆炸成型侵徹體。

圖6為兩種聚能裝藥侵徹體干擾下長桿彈飛行速度對比曲線。由圖6可知，環(huán)形爆炸成型侵徹體會使長桿彈形態(tài)破壞更加嚴重，導(dǎo)致長桿彈有效侵徹速度衰減更快。線形爆炸成型侵徹體使長桿彈有效侵徹速度降低了58%，而環(huán)形爆炸成型侵徹體則降低了69%，比線形的高11%，由此可知，環(huán)形爆炸成型侵徹體攔截長桿彈的效果優(yōu)于線形，防御性能更佳。

4 結(jié)論

本文通過對線形聚能裝藥結(jié)構(gòu)和環(huán)形聚能裝藥結(jié)構(gòu)干擾長桿彈的整個過程進行數(shù)值模擬及試驗驗證，得到結(jié)論如下：

1) 環(huán)形爆炸成型侵徹體在成型過程中，藥型罩頂端受到爆轟波壓力的作用，向下翻轉(zhuǎn)成環(huán)形侵徹體的頭部，藥型罩底部向?qū)α⒚骈]合，形成環(huán)形侵徹體的尾部。由于存在速度梯度，在此過程中侵徹體不斷被拉伸，頭部速度和尾部速度的梯度不斷減小，最后二者一致、達到穩(wěn)定狀態(tài)。另外，爆轟波滑移并在接觸面對撞，壓力突變，侵徹體局部速度出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，整體速度提高。因此，環(huán)形裝藥結(jié)構(gòu)合理設(shè)置多點起爆，不僅能使爆炸侵徹體成型形態(tài)良好，而且速度更高，干擾長桿彈效果更好。

2) 長桿彈受到兩種爆炸成型侵徹體干擾后，穿甲威力均有不同程度的下降。但受到環(huán)形爆炸成型侵徹體干擾后，穿甲威力大幅度下降，使長桿彈彈桿出現(xiàn)兩次不同方向的翻轉(zhuǎn)，增大了入射方向與自身軸向方向的偏離程度。