活性射流侵徹鋼筋混凝土靶后效超壓特性

張昊， 王海福， 余慶波， 鄭元楓

(北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081)

0 引言

活性材料毀傷元及應(yīng)用技術(shù)是當(dāng)前高效毀傷領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一?；钚圆牧辖?jīng)冷壓、燒結(jié)制備而成的活性藥型罩，在聚能作用下形成的活性射流不同于傳統(tǒng)金屬射流，不僅可利用自身動(dòng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的侵徹，更能在靶后發(fā)生爆炸反應(yīng)，釋放大量化學(xué)能與氣體產(chǎn)物，顯著提高射流的靶后毀傷威力。

國內(nèi)外針對(duì)活性藥型罩開展了一定的研究：Baker等[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同配方對(duì)活性射流毀傷效果的影響；Daniels等[2]通過數(shù)值仿真研究了活性射流成型行為，并通過實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了大尺寸活性藥型罩聚能裝藥對(duì)跑道及橋墩的毀傷效果；Wang等[3]利用脈沖X光驗(yàn)證了活性射流成型行為；張雪朋等[4]開展了活性射流侵徹鋼靶實(shí)驗(yàn)，并建立了活性射流侵徹鋼靶分析模型；高本兵等[5]和陳杰等[6]基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)方法對(duì)低密度活性射流成型特性進(jìn)行了研究。

由此可見，國內(nèi)外對(duì)該領(lǐng)域的研究主要集中在活性藥型罩配方、活性射流成型及對(duì)不同目標(biāo)本體的毀傷行為，而在活性射流穿過鋼筋混凝土靶后的爆燃超壓與沖擊波傳播特性等方面，未見有學(xué)術(shù)成果公開發(fā)表。

本文采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)活性射流侵徹鋼筋混凝土靶后效超壓特性與傳播行為進(jìn)行研究，提出一種活性射流密閉空間內(nèi)爆燃反應(yīng)的虛擬爆炸點(diǎn)等效法，并結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)活性射流形成爆燃沖擊波在密閉空間內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了分析。

1 靜爆實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

為研究活性射流對(duì)鋼筋混凝土靶侵徹及后效超壓行為，實(shí)驗(yàn)采用口徑為120 mm、錐角為65°的活性藥型罩，活性藥型罩由聚四氟乙烯、鋁、鎢、鉭粉體混合物經(jīng)冷壓成型和燒結(jié)硬化制備而成。依據(jù)各組分配比的不同，實(shí)驗(yàn)中活性藥型罩按密度分為4.5 g/cm3和6.0 g/cm3兩組，聚四氟乙烯、鋁、鎢、鉭的質(zhì)量配比分別為32%、11.5%、40%、16.5%和21.6%、7.8%、60%、10.6%，藥型罩壁厚分別為6.4 mm和4.8 mm，兩組活性藥型罩及聚能裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活性藥型罩與聚能裝藥Fig.1 Reactive liners and shaped charge

圖2(a)所示為實(shí)驗(yàn)原理圖，主要由活性聚能裝藥、支座、600 mm厚C35鋼筋混凝土靶、密閉混凝土測壓空間、壓力測試及采集系統(tǒng)組成?；钚跃勰苎b藥距鋼筋混凝土靶的炸高為1.5倍裝藥直徑，密閉混凝土測壓空間尺寸為3.4 m×1.5 m×3.0 m，兩個(gè)壓力傳感器分別布置于鋼筋混凝土靶后地面1 m、2 m處。圖2(b)所示為實(shí)驗(yàn)中的靶墻與混凝土密閉空間。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整支座位置和高度，使得每發(fā)聚能裝藥作用于C35鋼筋混凝土靶上的不同位置，如圖3所示為實(shí)驗(yàn)中開展的4發(fā)靜爆實(shí)驗(yàn)在C35鋼筋混凝土靶板上的位置分布。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理與靶場布置Fig.2 Experimental principle and experimental setup

圖3 靜爆實(shí)驗(yàn)位置Fig.3 Locations of static explosion experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1列出了不同密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，其中侵孔直徑是指可以完全通過侵徹通道的最大通規(guī)直徑，剝落區(qū)面積基于圖像提取得到[7]，2號(hào)及3號(hào)實(shí)驗(yàn)中由于傳感器2線路打斷未測得靶后2 m處超壓信號(hào)。圖4為不同密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶典型圖片，圖4(a)、圖4(b)分別為低密度活性射流侵孔圖片，圖4(c)、圖4(d)分別為高密度活性射流侵孔圖片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低密度活性射流侵徹鋼筋混凝土靶所形成的侵孔孔徑更大，正面剝落區(qū)面積也更大；高密度活性射流造成的侵孔孔徑較小，混凝土石料剝落區(qū)也較小。這是由于實(shí)驗(yàn)中所用的活性罩質(zhì)量相同，而高密度活性罩壁厚較薄，形成的射流直徑也較小。更為重要的是，活性射流在侵徹過程中會(huì)發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)，從而提高對(duì)混凝土靶的開孔直徑，而高密度活性罩鎢粉含量較高，活性組分含量相對(duì)較低，造成侵孔直徑較小。與此同時(shí)，處于靶板下方的2號(hào)侵孔直徑小于1號(hào)侵孔直徑，4號(hào)侵徹直徑小于3號(hào)侵孔直徑，這是由于2號(hào)和4號(hào)實(shí)驗(yàn)的著靶位置距離地面更近，邊界約束更強(qiáng)所造成的。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 活性射流侵靶典型照片F(xiàn)ig.4 Typical photographs of reactive jet against reinforced concrete target

從靶后超壓峰值來看，低密度活性射流穿過鋼筋混凝土靶后爆燃產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓更高，后效毀傷威力更強(qiáng)。這是由于低密度活性射流的含能量高于高密度活性射流，穿靶后可釋放更多能量。同時(shí)，調(diào)整炸點(diǎn)高度對(duì)超壓峰值有顯著影響，分別對(duì)比1號(hào)和2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，降低炸點(diǎn)高度，活性射流穿靶后反應(yīng)中心位置與傳感器間距減小，傳感器所測得的超壓峰值增大。

從沖擊波傳播過程來看，活性射流靶后爆燃所產(chǎn)生的沖擊波在地面1 m處的峰值超壓約為2 m處峰值超壓的1.5～1.6倍。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)實(shí)驗(yàn)低密度活性罩在不同炸點(diǎn)高度下靶后1 m處的超壓峰值，當(dāng)炸點(diǎn)高度由1.25 m減小到0.70 m時(shí)，1 m處沖擊波超壓峰值增大為原來的2.1倍。由3號(hào)、4號(hào)高密度活性罩實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)炸點(diǎn)高度由1.26 m降至0.53 m時(shí)，1 m處超壓峰值增大為原來的3.8倍。

圖5 靶后超壓曲線Fig.5 Behind-target overpressures

由圖5(a)、圖5(c) 靶后超壓- 時(shí)間(p-t)曲線可知，活性射流在密閉空間內(nèi)爆燃所產(chǎn)生的沖擊波p-t曲線與高能炸藥在密閉空間內(nèi)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波p-t曲線類似，呈現(xiàn)出明顯的多峰現(xiàn)象[8-9]。圖5(b)中出現(xiàn)的負(fù)壓值較大現(xiàn)象是由于傳感器熱響應(yīng)所致[10]。對(duì)比1號(hào)、2號(hào)實(shí)驗(yàn)1 m處的p-t曲線及3號(hào)、4號(hào)實(shí)驗(yàn)1 m處的p-t曲線可以發(fā)現(xiàn)，提高著靶點(diǎn)位置，正壓區(qū)作用時(shí)間較低著靶點(diǎn)處的時(shí)間長，這是由于活性射流靶后爆燃中心與測壓點(diǎn)間的距離增大后，初始沖擊波到達(dá)測壓點(diǎn)的距離增大，正壓區(qū)作用時(shí)間隨距離增大而延長。

2 等效模型

活性射流侵靶后在密閉空間內(nèi)的質(zhì)量分布與反應(yīng)行為相當(dāng)復(fù)雜，有必要建立一個(gè)理論上的等效模型，為后續(xù)靶后超壓特性與沖擊波傳播過程的研究提供基礎(chǔ)。由于活性材料在強(qiáng)沖擊載荷作用下會(huì)發(fā)生類爆轟反應(yīng)[11],同時(shí)基于密閉空間內(nèi)活性射流沖擊波超壓曲線與高能炸藥沖擊波超壓曲線相類似這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出采用梯恩梯(TNT)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波來等效活性射流在密閉空間內(nèi)爆燃反應(yīng)所產(chǎn)生的沖擊波。因此，等效模型需確定出活性射流穿靶后在密閉空間內(nèi)爆燃反應(yīng)中心位置(虛擬爆炸點(diǎn)位置)及產(chǎn)生相同沖擊波的TNT當(dāng)量。

密閉空間內(nèi)超壓公式為

(1)

(2)

(3)

式中：λ為常數(shù)[12-14]；Δp1、Δp2分別為1 m及2 m處超壓峰值；ω為TNT裝藥質(zhì)量；R1、R2分別為虛擬爆炸點(diǎn)距離1 m及2 m測壓點(diǎn)處的距離； (xc，yc，zc)為虛擬爆炸點(diǎn)坐標(biāo)；(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分別為傳感器1和傳感器2的位置坐標(biāo)；H為炸點(diǎn)高度，地面?zhèn)鞲衅?、著靶點(diǎn)及反應(yīng)中心位于同一平面內(nèi)。各參量幾何關(guān)系如圖6所示，顯然，y1=y2=0 m，yc=H，z1=z2=zc. 由(1)式除以(2)式可得(3)式，由此可求得虛擬爆炸點(diǎn)坐標(biāo)(xc，yc，zc)。

圖6 幾何關(guān)系Fig.6 Geometric relationship

在確定出虛擬爆炸點(diǎn)后，采用空氣沖擊波峰值超壓(4)式計(jì)算TNT當(dāng)量：

(4)

(5)

(6)

表2 TNT當(dāng)量及虛擬爆炸點(diǎn)坐標(biāo)

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

采用AUTODYN顯式有限元軟件開展數(shù)值模擬研究，單位制為mm-mg-ms，考慮計(jì)算效率，首先在一維模型中計(jì)算爆炸初始沖擊波的傳播規(guī)律，網(wǎng)格大小為1 mm. 當(dāng)初始沖擊波傳播到反應(yīng)中心距離混凝土密閉空間最近壁面前，將一維計(jì)算結(jié)果映射到三維模型中，三維模型當(dāng)中采用剛性邊界條件模擬混凝土壁面，一維及三維計(jì)算均采用Euler算法。圖7(a)、圖7(b)分別為一維及三維計(jì)算模型。炸藥選用TNT,材料模型選自AUTODYN材料庫。

圖7 一維及三維模型Fig.7 One-dimensional and three-dimensional models

3.2 模擬結(jié)果

對(duì)1號(hào)及4號(hào)實(shí)驗(yàn)中活性射流侵靶后在密閉空間內(nèi)爆燃產(chǎn)生的沖擊波傳播過程進(jìn)行數(shù)值仿真，圖8(a)、圖8(b)為1號(hào)實(shí)驗(yàn)1 m及2 m處實(shí)測值與數(shù)值模擬對(duì)比的p-t曲線，圖8(c)、圖8(d)分別為4號(hào)實(shí)驗(yàn)1 m及2 m處p-t曲線實(shí)測值與模擬結(jié)果對(duì)比。

圖8 p-t曲線Fig.8 Overpressure-time curves

從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，表明采用虛擬爆炸點(diǎn)等效法能夠有效模擬活性射流在密閉空間爆燃產(chǎn)生的沖擊波。以1號(hào)實(shí)驗(yàn)為例，沖擊波p-t曲線存在多個(gè)沖擊波峰值連續(xù)出現(xiàn)的情況。這是由于在初始沖擊波衰減過程中各壁面的反射沖擊波也先后到達(dá)了測壓點(diǎn)所致，圖9(a)為沖擊波剛傳至地面1 m處測壓點(diǎn)時(shí)的地面壓力場云圖，此時(shí)1 m處測壓點(diǎn)出現(xiàn)初始峰值超壓，而2 m處測壓點(diǎn)周圍仍為未擾動(dòng)區(qū)域，壓力與初始大氣壓一致。圖9(b)為沖擊波陣面到達(dá)2 m處測壓點(diǎn)時(shí)的壓力場云圖，此時(shí)2 m處測壓點(diǎn)出現(xiàn)初始峰值超壓，同時(shí)沖擊波已到達(dá)上壁面且開始反射。圖9(c)為上壁面反射的沖擊波傳至1號(hào)測壓點(diǎn)時(shí)的地面壓力場云圖，此時(shí)1 m處測壓點(diǎn)記錄下第2個(gè)峰值超壓。圖9(d)為壁面反射沖擊波繼續(xù)傳播到達(dá)2 m處測壓點(diǎn)位置時(shí)的壓力場云圖，此時(shí)2 m處測壓點(diǎn)出現(xiàn)第2個(gè)峰值，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)壁面反射沖擊波也已開始向內(nèi)傳播，在兩側(cè)壁面相交處為壓力場壓力集中位置，即在結(jié)構(gòu)拐角處壓力最大。圖9(e)為左側(cè)壁面反射沖擊波到達(dá)1 m處測壓點(diǎn)時(shí)的壓力場云圖，此時(shí)1 m處測壓點(diǎn)超壓曲線出現(xiàn)第3個(gè)峰值超壓。此即為1號(hào)實(shí)驗(yàn)中不同峰值超壓時(shí)刻沖擊波傳播過程。而在4號(hào)實(shí)驗(yàn)中，由于炸點(diǎn)位置的改變，活性射流反應(yīng)中心距離側(cè)壁面的距離增大，地面?zhèn)鞲衅魉鶞y得的初始沖擊波并未受到壁面反射沖擊波的影響，因此p-t曲線中并未出現(xiàn)多個(gè)連續(xù)峰值的情況。圖9(f)、圖9(g)分別為初始峰值超壓到達(dá)不同測壓點(diǎn)位置時(shí)的地面壓力場云圖。

4 結(jié)論

采用實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展了高低兩種密度活性藥型罩聚能裝藥作用600 mm厚C35鋼筋混凝土靶后效超壓特性研究。主要結(jié)論有：

1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在裝藥直徑和活性藥型罩質(zhì)量相同條件下，活性藥型罩密度對(duì)靶后超壓有顯著的影響，且靶后超壓- 時(shí)間曲線呈現(xiàn)獨(dú)特的多峰現(xiàn)象。相比較而言，低密度活性藥型罩形成的射流對(duì)鋼筋混凝土靶造成的侵徹孔徑更大，靶后超壓更高。

2)引入虛擬爆炸點(diǎn)法，建立了活性射流靶后爆燃超壓效應(yīng)與高能炸藥爆炸等效分析模型，給出了活性射流靶后虛擬爆炸點(diǎn)位置與等效TNT當(dāng)量，并通過有限元分析軟件AUTODYN-3D數(shù)值仿真驗(yàn)證了等效分析模型的有效性，為活性射流后效毀傷效應(yīng)分析提供了有效手段。

3)導(dǎo)致活性射流靶后超壓呈現(xiàn)多峰現(xiàn)象的本質(zhì)，是爆燃波在密閉空間內(nèi)傳播遭遇壁面反射和疊加作用的結(jié)果，從機(jī)理上揭示了活性射流穿靶后的類爆轟行為。