多層鋼靶板侵徹環(huán)境下半導(dǎo)體橋火工品過載響應(yīng)仿真研究

麻宏亮，李 駿，付東曉，張 蕊，李 芳

多層鋼靶板侵徹環(huán)境下半導(dǎo)體橋火工品過載響應(yīng)仿真研究

麻宏亮1，李 駿2，付東曉1，張 蕊1，李 芳1

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室，陜西 西安，710061；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)航空軍事代表室，陜西 西安，710061）

為研究多層鋼靶板侵徹環(huán)境下半導(dǎo)體橋火工品力學(xué)過載特性，通過LS-DYNA建立侵徹彈對不同排列狀態(tài)3層鋼靶的侵徹過程仿真模型，分析彈內(nèi)半導(dǎo)體橋火工品殼體長度、殼體直徑和藥柱長度變化與靶板排列順序、靶板間距和侵徹角度等侵徹環(huán)境的關(guān)系。結(jié)果表明：厚靶在兩層薄靶中間時火工品軸向過載較??；靶間距為0~1倍彈長時，隨著靶板間距增大，火工品軸向過載增大；侵徹角度在0 ~20°時，隨著侵徹角增大，火工品承受過載減小。

半導(dǎo)體橋火工品；多層鋼靶；形變量；結(jié)構(gòu)損傷；過載

隨著防御體系的發(fā)展，一些具有重要戰(zhàn)略價值的軍事目標(biāo)都經(jīng)過多層防護(hù)，且防御結(jié)構(gòu)也越來越堅固，硬目標(biāo)侵徹彈是對付硬目標(biāo)和多層硬目標(biāo)的有效手段?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭要求侵徹彈藥材料的力學(xué)性能、戰(zhàn)斗部引信和裝藥的安定性必須滿足高過載要求[1-2]。其中，作為侵徹彈藥首發(fā)元件的火工品的過載特性尤為重要。目前，國內(nèi)外采用模擬試驗與實彈驗證相結(jié)合的方法，對火工品在高過載條件下的安全性和可靠性進(jìn)行了研究[3-5]，尤其是彈藥侵徹單層靶板過載環(huán)境下的火工品響應(yīng)特性的研究較多，而對于彈藥侵徹多層靶板的過載環(huán)境下火工品響應(yīng)特性研究較少。

文獻(xiàn)[6]的研究表明半導(dǎo)體橋火工品在力學(xué)過載下的結(jié)構(gòu)損傷主要來源于殼體的屈服以及藥劑受慣性力導(dǎo)致自身密度的變化。高過載條件下，半導(dǎo)體橋火工品因受力導(dǎo)致長度變短、輸出端直徑變大。當(dāng)長度壓縮量為10.88%時，半導(dǎo)體橋火工品發(fā)生爆炸等安全失效現(xiàn)象。為了研究彈藥侵徹多層鋼靶板力學(xué)過載環(huán)境下火工品的響應(yīng)特性，本文以半導(dǎo)體橋火工品為研究對象，采用仿真計算的方法，對侵徹彈藥內(nèi)半導(dǎo)體橋火工品殼體長度、殼體直徑和藥柱長度變化與靶板排列順序、靶板間距和侵徹角度等撞擊條件的關(guān)系進(jìn)行分析，為火工品侵徹多層高過載能力設(shè)計和評估提供理論支持。

1 多層鋼靶板侵徹仿真模型及仿真方案

1.1 仿真計算模型

模型由侵徹彈、鋼靶板和半導(dǎo)體橋火工品3部分組成，半導(dǎo)體橋火工品長度為1cm，直徑為0.62cm，藥柱長度為0.44cm，3層鋼靶靶板厚度分別為0.6cm、0.2cm、0.2cm，選擇材料和尺寸與實際相同進(jìn)行數(shù)值模擬，建立子彈與3層鋼質(zhì)靶板侵徹仿真模型，圖1為侵徹彈侵徹3層鋼靶板仿真模型。

圖 1 侵徹彈侵徹3層鋼靶板仿真模型

圖2為侵徹彈內(nèi)火工品模型。單元類型采用Solid164。

圖 2 半導(dǎo)體橋火工品模型

子彈撞擊鋼靶板的初始速度為850m/s，接觸采用面-面自由接觸，計算時間為900μs，輸出時間步長均為1μs。火工品組件由電極塞、蓋帽、絕緣環(huán)、芯片、藥柱和外殼組成。各部分的尺寸與真實情況相同，采用比例尺寸進(jìn)行數(shù)值模擬。考慮到模型的對稱性，采用二分之一模型進(jìn)行建模，在對稱面上施加對稱約束。

1.2 材料參數(shù)與狀態(tài)方程

鋼性靶板、彈體以及半導(dǎo)體橋火工品殼體均采用隨動硬化彈塑性模型描述[7]。材料參數(shù)見表1~2。

表1 鋼靶板和彈體材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of homogeneous steel target and projectile body

表2 藥柱材料參數(shù)

Tab.2 Material parameters of charge grain

該模型適合于描述材料的應(yīng)變率效應(yīng)和損傷失效等塑性變形行為，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

半導(dǎo)體橋火工品內(nèi)藥柱采用Johnson-Cook[7]模型，并使用Gruneisen狀態(tài)方程。模型同時考慮了應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)，在該模型中，流動應(yīng)力可以表示為：

1.3 仿真方案設(shè)計

通過子彈對厚度為6mm、2mm、2mm的3層鋼靶板侵徹過程仿真，研究彈內(nèi)火工品殼體長度、殼體直徑和藥柱長度變化特性與靶板排列順序、靶板間距和侵徹角度等撞擊條件的關(guān)系。研究方案如表3所示。

表3 侵徹環(huán)境設(shè)計方案

Tab.3 Simulation scheme of penetration evnironment

備注：表3中厚靶板為6mm,薄靶板為2mm。

2 結(jié)果分析

2.1 靶板排列順序影響

依據(jù)靶板厚度（6mm、2mm、2mm）建立不同靶板排列順序侵徹仿真模型，靶板順序分別為厚-薄-薄、薄-厚-薄、薄-薄-厚3種模型，各部件材料設(shè)置一致，子彈初速環(huán)境約束等初始邊界條件均相同，如圖3所示。

圖3 不同靶板排列順序仿真模型

在3種靶板排列順序下，侵徹過程火工品內(nèi)殼體長度變化曲線如圖4所示。薄-厚-薄排列方式下殼體長度在穿過第3層靶板時長度由10mm減小到9.7 mm，在整個侵徹過程中殼體長度累計減小了0.3 mm，減小率為3%。厚-薄-薄及薄-薄-厚排列方式下殼體長度在穿過第3層靶板時長度減小到9.625mm，在整個侵徹過程中殼體長度累計減小了0.375mm，減小率為3.75%。在3種靶板排列順序下，侵徹過程火工品內(nèi)殼體直徑變化曲線如圖5所示。

圖 4 侵徹過程中殼體長度變化曲線

圖 5 侵徹過程中殼體直徑變化曲線

薄-厚-薄排列方式下殼體直徑在穿過第3層靶板時由最初的6.2mm增加到6.6mm，累計增加了0.4 mm，增加率為6.45%。薄-薄-厚及厚-薄-薄排列方式下殼體直徑在穿過第3層靶板時增加到6.7mm，累計增加了0.5mm，增加率為8.1%。

侵徹過程中火工品內(nèi)藥柱長度變化曲線如圖6所示，3種排列方式下藥柱長度在穿過第3層靶板時均由4.4mm減小到4.275mm，減小了0.125mm，減小幅度為2.8%。

圖 6 侵徹過程中藥柱長度變化曲線

不同靶板排列方式侵徹環(huán)境下火工品部件形變對比如表4所示。

表4 不同靶板排列方式火工品部件形變對比

Tab.4 Deformation comparison of components of detonator during penetration with different target arrangement

由表4可見，厚-薄-薄和薄-薄-厚排列方式下殼體、藥柱形變相同，說明兩種排列方式下火工品所受過載一致，而薄-厚-薄排列方式下殼體、藥柱形變量小于前兩種排列方式。

2.2 靶板間距

依據(jù)不同彈體長度的倍數(shù)建立不同靶板間距侵徹仿真模型，模型各部件材料設(shè)置，子彈初速環(huán)境約束等初始邊界條件均相同，如圖7所示。

圖 7 不同靶板間距仿真模型

不同靶板間距侵徹環(huán)境下火工品部件形變對比如表5所示。依據(jù)表5數(shù)據(jù)做圖，如圖8所示。

表5 不同靶板間距下侵徹過程中火工品部件形變結(jié)果

Tab.5 Deformation results of components of detonator during penetration under different target plate spacing condition

由表5及圖8可見，隨著靶板間距增大，火工品殼體長度和輸出端直徑形變量增大，相比較0.25倍彈長的靶板間距，間距為1倍彈長的火工品長度形變量增大4.5%，輸出端直徑增大5.3%；同時，藥柱長度形變量增大2.5%。

圖 8 不同靶板間距下火工品部件形變量

2.3 侵徹角度

建立不同角度侵徹仿真模型，子彈的軸向與靶板法向的夾角分別是0°到20°間，間隔5°，模型各部件材料設(shè)置、子彈初速環(huán)境約束等初始邊界條件均相同。如圖9所示。

圖 9 不同侵徹角度仿真模型

不同侵徹角度環(huán)境下火工品部件形變結(jié)果如表6所示。依據(jù)表6數(shù)據(jù)做圖，如圖10所示。

表6 不同侵徹角度火工品部件形變結(jié)果

Tab.6 Deformation results of components of detonators under different penetration angles condition

圖 10 不同侵徹角度下火工品部件形變量

由表6及圖10可見，隨著侵徹角度增大，火工品殼體長度和輸出端直徑形變量減小，侵角為5~15°之間形變量減小的幅度大于0~5°和15~20°。藥柱長度在不同侵角環(huán)境下降幅度較為一致。說明隨著侵徹角度增大，火工品承受過載減小。

3 結(jié)論

（1）相對于其他兩種排列方式，厚靶在兩個薄板中間的排列方式下火工品在過載過程中長度和直徑形變小，3種排列方式下藥柱形變相同，說明厚靶在中間時火工品承受的軸向過載較小。（2）靶間距為0~1倍彈長時，隨著靶板間距增大，火工品長度、直徑和藥柱形變均增大，說明隨著靶板間距增大火工品軸向過載變大。（3）侵徹角度在0~20°時，隨著侵徹角增大，火工品長度、直徑和藥柱形變均減小，說明隨著侵徹角增大火工品軸向過載變小。

[1] 周寧,任輝啟,沈兆武,等.彈體侵徹混凝土過載特性研究[J].土木工程學(xué)報,2005,38(1):110-116．

[2] 張志安,陳荷娟.著速和著角對硬目標(biāo)侵徹過載影響的數(shù)值仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2007,19(11):2 607-2 609．

[3] 李創(chuàng)新,劉振宇,劉鵬.鋼板侵徹下電雷管損傷特性的數(shù)值模擬[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報,2015(1):114-119.

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[6] 劉虎.半導(dǎo)體橋火工品力學(xué)過載下失效模式研究[D].北京: 中國兵器科學(xué)研究院,2012．

[7] LSTC.LS-DYNA Keyword User7s.Manual (970V) [Z]. Livemore : Livemore software Technology Corporation, 2003.

Simulation Study on Overload Response of Semiconductor Bridge Detonator in Multi-layer Steel Target Penetration Environment

MA Hong-liang1，LI Jun2，F(xiàn)U Dong-xiao1，ZHANG Rui1，LI Fang1

(1.Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi’an,710061;2. Air Military Representative Office of Army Equipment Department in Xi'an,Xi’an,710061 )

In order to study the mechanical overload characteristics of semiconductor bridge detonator under the penetration environment of multi-layer steel target, the simulation model of the penetration process of the three-layer steel target in different states was established by use of LS-DYNA. The relationships between the change of shell length, the shell diameter, the charge grain length and the target plate arrangement order, the target plate spacing, the penetration angle were investigated. The results show that: when the thick target is in the middle of two thin targets, the axial load of the detonator is small; when the target spacing is 0~1 times projectile body, with the target spacing increases, the axial load of detonator increases; when the penetration angle is between 0° and 20° , as the angle of penetration increasing, the detonator is less overloaded.

Semiconductor bridge detonator；Multi-layer steel target；Shape variable；Structural damage；Overload

TJ450.1

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.007

1003-1480（2019）05-0025-04

2019-08-05

麻宏亮（1985 -），男，工程師，主要從事火工品安全性可靠性技術(shù)研究。