新型復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)在串聯(lián)裝藥中的應(yīng)用研究

朱福林，陳 陽，馬寶成，武敬博，向召利

(四川航天電子設(shè)備研究所， 成都 610100)

串聯(lián)裝藥戰(zhàn)斗部是近幾年導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)者研究的重點(diǎn)。由于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)空間和重量的限制，使得兩級(jí)距離較小，所以前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸對(duì)后級(jí)裝藥的影響很大，主要包括[1]：前級(jí)爆炸后形成的空氣沖擊波超壓可能損壞藥型罩，引爆后級(jí)裝藥以及干擾后級(jí)裝藥射流的形成及其運(yùn)行規(guī)律；戰(zhàn)斗部爆炸的爆轟產(chǎn)物(引信本體、彈丸艙體等)可能會(huì)對(duì)后級(jí)裝藥的成型和形狀造成破壞。因此，設(shè)計(jì)添加的隔爆結(jié)構(gòu)應(yīng)實(shí)現(xiàn)兩級(jí)裝藥的隔爆防護(hù)。

徐浩銘等[2]利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了串聯(lián)聚能裝藥隔爆結(jié)構(gòu)對(duì)后級(jí)裝藥侵徹能力的影響，結(jié)果表明底部開口形狀的隔爆體更適合作為串聯(lián)聚能裝藥的隔爆結(jié)構(gòu)。徐全軍等[3]通過理論計(jì)算出爆炸性裝置的安全隔爆距離，設(shè)計(jì)了一種逆向抗爆裝置用來驗(yàn)證聚氨酯材料和空氣共同作用下的隔爆性能，比較分析得出炸高大于130 mm且聚氨酯厚度大于30 mm時(shí)，能夠滿足隔爆裝置的設(shè)計(jì)要求，但是理論計(jì)算出的沖擊波壓力有待于試驗(yàn)的驗(yàn)證。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)單一材料隔爆結(jié)構(gòu)的串聯(lián)戰(zhàn)斗部進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，單一材料只能依靠增加隔爆結(jié)構(gòu)的厚度來削弱沖擊波的強(qiáng)度，這將導(dǎo)致戰(zhàn)斗部重量及成本的增加，同時(shí)由于隔爆體厚度的增加也會(huì)影響后級(jí)裝藥的侵徹能力。近年來，多層組合介質(zhì)用于隔爆吸能方面己得到國內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注。Liu H等[4]利用試驗(yàn)研究了鋼和泡沫鋁組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的響應(yīng)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊波峰值壓力較單一的鋼材料削減了60%以上，獲得了閉孔泡沫鋁密度對(duì)沖擊波衰減的影響。

基于以上所述，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種由隔爆板和隔爆罩組成的新型復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，研究有、無隔爆板和不同隔爆罩結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響，并開展了相應(yīng)的抗爆試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，該研究結(jié)果可為破-破型串聯(lián)戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

本文設(shè)計(jì)的新型復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)由隔爆板和隔爆罩組成。與前級(jí)裝藥相鄰的為隔爆板，用于吸收前級(jí)裝藥爆炸產(chǎn)生的能量，而隔爆罩的作用是抗破片的侵徹作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成內(nèi)凹形，目的是為了給后級(jí)射流留出成形空間。

1.1 結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)

復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)及串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)尺寸示意圖如圖1，其中裝藥長徑比為1.4，前級(jí)引信與隔爆罩距離為H=90 mm，隔爆罩與后級(jí)裝藥距離為定值。材料模型及參數(shù)來源于文獻(xiàn)[5-9]，見表1。

圖1 串聯(lián)聚能裝藥結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

名稱 材料 本構(gòu)模型空氣空氣Null裝藥8701High_Explosive_Burn藥形罩紫銅Johnson_Cook引信本體LY-12鋁Plastic_Kinematic彈丸艙體ZK61M鎂Plastic_Kinematic隔爆罩LC4鋁Plastic_Kinematic隔爆板LY-12鋁Plastic_Kinematic尼龍?zhí)譖A66尼龍Plastic_Kinematic

1.2 數(shù)值模型的建立

為避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變?cè)斐捎?jì)算終止，炸藥、空氣和藥形罩網(wǎng)格采用多物質(zhì)ALE算法，隔爆板、隔爆罩、引信本體、彈丸艙體均采用Lagrange算法，兩者之間采用流固耦合方法[10-11]。本文主要考察隔爆罩結(jié)構(gòu)和有無隔爆板的復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)對(duì)前級(jí)裝藥爆炸后的抗爆能力，通過觀察隔爆罩的破壞程度以及隔爆罩錐面單元的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線來判斷抗爆能力的大小，其中隔爆罩錐面處的應(yīng)力曲線通過設(shè)置高斯點(diǎn)來獲取。而在實(shí)際情況中，前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸的爆轟產(chǎn)物(引信本體、彈丸艙體)可能會(huì)對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)造成破壞，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆性能的降低，因此本文研究中加入等效的引信本體、彈丸艙體，以便更好的模擬真實(shí)情況。復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格

2 仿真分析

2.1 有、無隔爆板對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響

為了研究有、無隔爆板對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響，本文隔爆罩均采用圓錐形結(jié)構(gòu)。圖3為有、無隔爆板工況時(shí)隔爆罩形態(tài)與隔爆罩錐面單元的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。

計(jì)算結(jié)果表明，在無隔爆板的情況下，隔爆罩罩頂大部分單元的應(yīng)力值均在500 MPa以上，超過了材料的屈服極限430 MPa，致使隔爆罩罩頂出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，而帶有隔爆板的隔爆罩罩頂亦有小部分單元應(yīng)力值在450 MPa以上，致使罩頂部出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致失效形成破孔。由仿真結(jié)果分析可知，沖擊波比破片傳播速度更快，當(dāng)在有隔爆板的條件下，隔爆板會(huì)先吸收部分前級(jí)爆炸的能量，剩余的能量和破片再作用于隔爆罩，而無隔爆板的條件下，沖擊波與破片都直接作用于隔爆罩。最后的仿真結(jié)果亦說明在有隔板的情況下，隔爆效果更好。

2.2 隔爆罩結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響

為了研究隔爆罩帶尼龍?zhí)捉Y(jié)構(gòu)的抗爆性能，在帶隔爆板的隔爆罩狀態(tài)下添加附有尼龍?zhí)椎慕Y(jié)構(gòu)作對(duì)比。圖4為附有尼龍?zhí)赘舯纸Y(jié)構(gòu)及尼龍?zhí)着c隔爆罩錐面單元的應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線。

計(jì)算結(jié)果表明，尼龍?zhí)渍猪斪畲髴?yīng)力為122 MPa，已超過其選用材料PA66尼龍的破壞極限(82 MPa)，尼龍?zhí)状蟛糠直黄茐?，而隔爆罩錐面絕大部分單元的應(yīng)力均小于400 MPa，小于材料的屈服極限(430 MPa)。由仿真結(jié)果分析可知，與無尼龍?zhí)椎膹?fù)合隔爆結(jié)構(gòu)相比，尼龍?zhí)讓?duì)經(jīng)隔爆板衰減后沖擊波和破片進(jìn)行再一次的能量衰減和抗破片侵徹作用，繼而使得隔爆罩滿足隔爆性能要求。

圖3 有、無隔爆板情況下的應(yīng)力-時(shí)間曲線

圖4 附有尼龍?zhí)捉Y(jié)構(gòu)的應(yīng)力-時(shí)間曲線

由上分析可知，在帶有尼龍?zhí)椎臈l件下，隔爆罩整體完好、未破裂，說明該結(jié)構(gòu)的復(fù)合隔爆罩對(duì)前級(jí)戰(zhàn)斗部爆炸后產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物、破片等有較好的隔離性能。

3 抗爆試驗(yàn)研究

圖5為試驗(yàn)布置圖，主要由隔爆結(jié)構(gòu)和前級(jí)戰(zhàn)斗部組成。

圖5 試驗(yàn)布置圖

為了分析有、無隔爆板對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響，進(jìn)行了兩發(fā)驗(yàn)證性試驗(yàn)，其中，1#為無隔板的隔爆罩，2#為帶隔板的隔爆罩，試驗(yàn)結(jié)果見圖6均為破裂，與數(shù)值結(jié)果相同。

圖6 有、無隔爆板的抗爆能力試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證隔爆罩結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合隔爆罩性能的影響，同時(shí)為數(shù)值模擬結(jié)果提供事實(shí)依據(jù)，進(jìn)行了1發(fā)不同結(jié)構(gòu)隔爆罩的復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)驗(yàn)證性試驗(yàn)(帶有尼龍?zhí)?，其中，3#彈隔爆罩和隔爆板與(3.2)相同，不同的是該彈在隔爆罩上添加了尼龍?zhí)?，試?yàn)結(jié)果完好見圖7與數(shù)值結(jié)果相同。

表2為數(shù)值仿真和抗爆試驗(yàn)后隔爆罩罩頂破壞尺寸統(tǒng)計(jì)表。

圖7 附有尼龍?zhí)椎母舯衷囼?yàn)結(jié)果

試驗(yàn)編號(hào)試驗(yàn)結(jié)果/mm數(shù)值結(jié)果/mm無隔爆板19.4×17.920.4×18.8有隔爆板6.8×6.57.4×7.2帶尼龍?zhí)赘舯治雌莆雌?/p>

從孔徑上可以看出：數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本相似；從隔爆罩形態(tài)上亦可以看出兩者基本吻合。但是仿真值得孔徑要大于試驗(yàn)值，原因可能是數(shù)值仿真中隔爆罩材料已失效，而試驗(yàn)中的隔爆罩材料會(huì)有殘留導(dǎo)致的，進(jìn)而造成兩者間的細(xì)微誤差，誤差小于10%。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了有、無隔爆板和不同結(jié)構(gòu)隔爆罩對(duì)復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)抗爆能力的影響，得到兩者規(guī)律基本相似，結(jié)果基本吻合，誤差小于10%。

此外得到了由隔爆板和附有尼龍?zhí)椎母舯纸M成的復(fù)合隔爆結(jié)構(gòu)具有更好的抗爆能力。