W型、N型反應(yīng)裝甲對(duì)聚能射流干擾性能研究

呂竹文，吳 越，付建平，任 凱

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

聚能射流的侵徹能力很強(qiáng)[1]，是目前對(duì)主戰(zhàn)坦克最具威脅性的侵徹體。因此，多年來(lái)裝甲設(shè)計(jì)者希望找到能夠使射流侵徹能力降低的防護(hù)手段。目前，在裝甲防護(hù)中采用較多的防護(hù)手段是在裝甲表面增加其他結(jié)構(gòu)(如反應(yīng)裝甲和復(fù)合裝甲等)，即所謂的附加裝甲[1]。這些附加裝甲能夠使射流減速、侵蝕、破碎和偏轉(zhuǎn)等[2]，從而降低射流侵徹能力。

最典型的附加裝甲有主動(dòng)反應(yīng)裝甲、被動(dòng)反應(yīng)裝甲和復(fù)合裝甲等。主動(dòng)反應(yīng)裝甲通過(guò)驅(qū)動(dòng)金屬板與射流直接碰撞(爆炸反應(yīng)裝甲)或在距離裝甲車(chē)輛一定距離處碰撞(主動(dòng)裝甲或電磁驅(qū)動(dòng)裝甲)，來(lái)降低射流侵徹能力，達(dá)到防護(hù)的目的。被動(dòng)反應(yīng)裝甲和復(fù)合裝甲主要采用高強(qiáng)度材料和特殊的幾何設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)付聚能射流侵徹。

爆炸反應(yīng)裝甲由兩層相對(duì)較薄的鋼板和一層夾層炸藥組成(稱(chēng)作“三明治”結(jié)構(gòu))[3]。通常情況下，在主戰(zhàn)坦克裝甲上布置不止一層反應(yīng)裝甲盒，但是如果在一個(gè)反應(yīng)裝甲盒內(nèi)，有3層“三明治”單元，就可以提高單個(gè)反應(yīng)裝甲盒抗擊射流的能力。當(dāng)聚能射流的入射角度分別為45°、90°時(shí)，使用ANSYS/LS-DYNA前處理建立聚能射流侵徹W型、N型3層爆炸反應(yīng)裝甲模型，通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)比分析兩種布置方式對(duì)聚能射流的干擾能力，為多層爆炸反應(yīng)裝甲組合優(yōu)化提供一定的參考。

1 構(gòu)建數(shù)值模擬模型

在雙層爆炸反應(yīng)裝甲中，通常有兩種布置方式，即平行反應(yīng)裝甲和楔形反應(yīng)裝甲。文獻(xiàn)[4]得出結(jié)論：雙層平行反應(yīng)裝甲干擾射流效率高于楔形反應(yīng)裝甲，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，雙層平行反應(yīng)裝甲存在一個(gè)致命的缺陷，就是當(dāng)聚能射流與反應(yīng)裝甲垂直作用時(shí)，反應(yīng)裝甲的干擾能力會(huì)急劇下降，而雙層楔形反應(yīng)裝甲則不存在這一問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了W型、N型3層爆炸反應(yīng)裝甲組合。文獻(xiàn)[4]指出對(duì)于雙層爆炸反應(yīng)裝甲，其干擾能力還與上下兩層爆炸反應(yīng)裝甲的夾角有關(guān)，并通過(guò)數(shù)值模擬得出結(jié)論：在夾角<14°時(shí)，隨著夾角的增大，射流的侵徹能力呈下降趨勢(shì)，但在兩組件夾角>19°后，反應(yīng)裝甲夾角變化對(duì)殘余射流的侵徹深度影響并不敏感。因此，在文中的數(shù)值模擬模型中，3層反應(yīng)裝甲的組件之間的夾角為15°；在W型、N型3層爆炸反應(yīng)裝甲的組合中，基本組件采用2/4/2結(jié)構(gòu)[5]。W型爆炸反應(yīng)裝甲布置方式如圖1所示。

1.1 基本假設(shè)

聚能射流與爆炸反應(yīng)裝甲作用的過(guò)程十分復(fù)雜[6]，涉及到射流引爆夾層炸藥、炸藥爆轟、炸藥的爆轟波干擾射流以及飛板的碰撞運(yùn)動(dòng)[7]，而筆者主要是對(duì)W型、N型3層爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)射流的干擾性能進(jìn)行研究，做如下假設(shè)：

1)聚能射流瞬時(shí)引爆夾層炸藥。

2)由于炸藥爆轟后產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于飛板所受的重力和空氣阻力，所以只考慮爆轟壓力。

3)爆炸反應(yīng)裝甲被引爆后，上層反應(yīng)裝甲的背板和下層反應(yīng)裝甲的面板發(fā)生完全塑性碰撞，且碰撞瞬時(shí)完成，共同飛離彈軸線。

1.2 構(gòu)建有限元模型

該數(shù)值模型為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為方便計(jì)算，建立二分之一模型。利用ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行三維建模，數(shù)值模型采用g-mm-μs單位制。數(shù)值模型由主裝藥、藥型罩、空氣、爆炸反應(yīng)裝甲、裝甲鋼靶板等部分組成，其中空氣、主裝藥以及藥型罩3個(gè)單元使用歐拉網(wǎng)格進(jìn)行建模[8]；爆炸反應(yīng)裝甲以及裝甲鋼靶板單元使用拉格朗日網(wǎng)格進(jìn)行建模，并且在靶板單元與空氣單元、主裝藥單元、藥型罩單元之間采用ALE算法[9]。通過(guò)在ANSYS/LS-DYNA的K文件中使用*CONSTRAINED_LA-GRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)固體與流體間的耦合。

在數(shù)值模擬中，采用直徑為56 mm、高為50 mm標(biāo)準(zhǔn)聚能裝藥，其中，藥型罩的壁厚為1 mm，藥型罩錐角為60°，起爆方式為炸藥頂端起爆[10]。爆炸反應(yīng)裝甲的面板、背板厚2 mm，炸藥層厚4 mm.為了能夠更好地觀察W型、N型爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)聚能射流的干擾能力，在下層反應(yīng)裝甲下方40 mm處布置長(zhǎng)為40 mm、寬為20 mm、高為60 mm的裝甲鋼靶板。圖2為聚能射流與W型、N型爆炸反應(yīng)裝甲作用的有限元模型。

1.3 本構(gòu)模型和狀態(tài)方程

主裝藥類(lèi)型為8701炸藥[8]，材料模型為高能炸藥爆轟模型，狀態(tài)方程為JWL狀態(tài)方程，其基本形式為

p=Fpeos(V,E)，

(1)

(2)

式中：p為任意時(shí)刻炸藥單元釋放的壓力；peos為JWL狀態(tài)方程的炸藥爆轟產(chǎn)物壓力；F為炸藥燃燒質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V為相對(duì)體積；E為單位體積的內(nèi)能密度；A、B、R1、R2和w為輸入?yún)?shù)。

表1為8701炸藥的本構(gòu)模型參數(shù)。藥型罩材料為紫銅，采用Steinberg材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來(lái)描述，材料參數(shù)如表2、3所示。整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程，限定在一個(gè)空氣域內(nèi)，空氣域的參數(shù)如表4所示。

表1 8701炸藥本構(gòu)模型參數(shù)[1]

表2 紫銅藥型罩Steinberg材料模型參數(shù)[1]

表3 紫銅藥型罩Gruneisen狀態(tài)方程[1]

表4 空氣域材料參數(shù)[1]

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 入射角不同，聚能射流侵徹不同布置的反應(yīng)裝甲

當(dāng)入射角為45°時(shí)，聚能射流與W型、N型爆炸反應(yīng)裝甲作用過(guò)程如圖3、4所示。

圖3、4中，在t= 0 μs時(shí)設(shè)置炸藥起爆，炸藥爆轟后開(kāi)始?jí)嚎逅幮驼中纬缮淞?，射流逐漸拉伸，射流頭部到達(dá)上層反應(yīng)裝甲后開(kāi)始侵徹，引爆夾層炸藥，在t=42 μs時(shí)與上層反應(yīng)裝甲作用完畢，如圖3、4中(a)所示，射流在與上層反應(yīng)裝甲作用后，射流的頭部變粗，且出現(xiàn)斷裂；在t=52 μs時(shí)，射流與中間層反應(yīng)裝甲作用完畢，射流頭部分裂成兩部分，且射流因接連與兩層反應(yīng)裝甲作用，射流已經(jīng)出現(xiàn)拉長(zhǎng)、斷裂的現(xiàn)象；從圖4(c)中可以看出，在與第3層反應(yīng)裝甲作用后，射流頭部已經(jīng)斷裂為3部分，而且射流已經(jīng)開(kāi)始偏離彈軸線。聚能射流以這種不連續(xù)的狀態(tài)侵徹裝甲鋼靶板，侵徹能力自然會(huì)下降。

當(dāng)入射角為90°時(shí)，聚能射流垂直侵徹W型、N型爆炸反應(yīng)裝甲作用過(guò)程如圖5、6所示。

如圖5(a)、圖6(a)中所示，當(dāng)聚能射流在垂直侵徹W型、N型反應(yīng)裝甲的第1層后，射流頭部出現(xiàn)斷裂；在t=46 μs時(shí)出現(xiàn)不同，射流在與中間層反應(yīng)裝甲作用后，在圖5(b)中，射流頭部還是處于斷裂狀態(tài)，但在圖6(b)中，后續(xù)射流已經(jīng)增補(bǔ)上；在t=58 μs時(shí)，射流頭部穿過(guò)第3層反應(yīng)裝甲，且未出現(xiàn)射流斷裂、偏離彈軸線的情況。

2.2 射流速度對(duì)比分析

聚能射流在與上層爆炸反應(yīng)裝甲作用后，它的侵徹速度開(kāi)始降低，緊接著與中間層、下層反應(yīng)裝甲作用，以這種低速狀態(tài)，很容易出現(xiàn)射流斷裂，當(dāng)遇到裝甲鋼靶板時(shí)，會(huì)再次出現(xiàn)速度衰減，這樣聚能射流的侵徹能力便會(huì)大幅度下降。射流的入射角度分別為45°、90°時(shí)，與W型、N型反應(yīng)裝甲作用的速度曲線如圖7所示。

從圖7中可以看出，入射角度為45°時(shí)，聚能射流與W型反應(yīng)裝甲作用后的剩余速度是4條曲線中最低的；聚能射流與N型反應(yīng)裝甲作用后，在t=120 μs時(shí)，出現(xiàn)速度急劇降低，但是經(jīng)過(guò)大約20 μs后，后續(xù)射流增補(bǔ)上后，速度逐漸回升，繼續(xù)侵徹過(guò)程；當(dāng)聚能射流垂直侵徹W型、N型反應(yīng)裝甲時(shí)，射流速度下降的值小于入射角度為45°時(shí)，且射流仍具有較高的侵徹能力，繼續(xù)侵徹裝甲鋼靶板。

2.3 射流侵徹靶板對(duì)比分析

入射角度為45°和90°時(shí)，聚能射流與W型、N型反應(yīng)裝甲作用后，侵徹裝甲鋼靶板后效圖如圖8所示，其侵徹孔徑與侵徹深度數(shù)值如表5所示。

表5 射流侵徹靶板的相關(guān)參數(shù)

參數(shù)入射角度為45°W型N型入射角度為90°W型N型侵徹孔徑/mm31302322侵徹深度/mm1963360

由圖8和表5可以得出，當(dāng)入射角度為45°時(shí)，聚能射流在與W型、N型反應(yīng)裝甲作用后，射流開(kāi)始偏離彈軸線，因此在侵徹裝甲鋼靶板時(shí)，侵徹孔徑較大，但此時(shí)射流的侵徹能力已經(jīng)較低，因此開(kāi)孔能力較差；與N型反應(yīng)裝甲作用后的聚能射流的侵徹能力明顯低于與W型反應(yīng)裝甲作用后的，這是因?yàn)镹型反應(yīng)裝甲的上、下層反應(yīng)裝甲呈平行布置，當(dāng)非垂直侵徹雙層反應(yīng)裝甲時(shí)，雙層平行反應(yīng)裝甲干擾射流效率高于楔形反應(yīng)裝甲，這與文獻(xiàn)[4]中得出的結(jié)論是相同的；當(dāng)聚能射流垂直侵徹W型、N型反應(yīng)裝甲后，聚能射流并未出現(xiàn)偏離彈軸線的情況，因此孔徑的直徑較小，但是射流仍具有較高的侵徹能力，侵徹深度大大提高，尤其是與N型反應(yīng)裝甲作用后，聚能射流貫穿裝甲鋼靶板。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，雙層平行反應(yīng)裝甲存在一個(gè)致命的缺陷，就是當(dāng)射流與反應(yīng)裝甲垂直作用時(shí)，反應(yīng)裝甲的干擾能力會(huì)急劇下降，這與文獻(xiàn)[4]中得出的結(jié)論是一致的。

3 結(jié)論

在數(shù)值模擬仿真中，當(dāng)入射角度為45°、90°時(shí)，聚能射流分別與W型、N型反應(yīng)裝甲作用后，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)入射角度為45°時(shí)，N型反應(yīng)裝甲具有最好的干預(yù)射流的能力，與W型反應(yīng)裝甲相比，干預(yù)射流開(kāi)坑深度能力提高了3.17倍。

2)當(dāng)垂直侵徹時(shí)，W型反應(yīng)裝甲干預(yù)射流的能力明顯高于N型反應(yīng)裝甲，干預(yù)射流開(kāi)坑深度能力提高了1.81倍。

在實(shí)際應(yīng)用中，大多采用雙層楔形反應(yīng)裝甲，由于可能出現(xiàn)任意角度的侵徹，對(duì)于雙層平行反應(yīng)裝甲干預(yù)射流的良好能力不應(yīng)放棄。W型反應(yīng)裝甲的缺點(diǎn)是會(huì)增加反應(yīng)裝甲盒的體積，但是當(dāng)射流垂直侵徹時(shí)，仍具有較好的干預(yù)射流的能力；N型反應(yīng)裝甲不會(huì)使反應(yīng)裝甲盒的體積增加較大，但是N型反應(yīng)裝甲在面對(duì)垂直侵徹時(shí)，它的干預(yù)能力會(huì)大幅度下降，根據(jù)文中的數(shù)值模擬仿真結(jié)果，給出的建議是：把平行反應(yīng)裝甲盒與楔形反應(yīng)裝甲盒組合起來(lái)使用，同時(shí)協(xié)調(diào)體積與質(zhì)量問(wèn)題，避免給坦克增加不必要的負(fù)載，這樣反應(yīng)裝甲盒可以面對(duì)多角度的聚能射流。