侵徹單層和多層靶時(shí)戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點(diǎn)生成機(jī)理研究

成麗蓉，汪德武，賀元吉

(96901部隊(duì)，北京 100094)

0 引言

高速鉆地戰(zhàn)斗部可有效毀傷地下深層堅(jiān)固目標(biāo)，但隨著撞擊速度不斷提高，經(jīng)歷沖擊環(huán)境越來(lái)越高、持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，內(nèi)部裝藥容易出現(xiàn)損傷并發(fā)生點(diǎn)火，導(dǎo)致早燃或早炸，戰(zhàn)斗部裝藥侵徹安定性已成為高速鉆地戰(zhàn)斗部發(fā)展的瓶頸技術(shù)。

國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)為解決戰(zhàn)斗部裝藥抗高過(guò)載問(wèn)題，在降低炸藥配方感度、改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)、熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制及安全性評(píng)估技術(shù)方面進(jìn)行了大量工作。在炸藥配方方面，上世紀(jì)末美國(guó)軍方陸續(xù)開(kāi)發(fā)了塑性粘結(jié)炸藥PBXN-109與AFX-575、澆注成型溫壓炸藥PBXIH-135、熔鑄炸藥AFX-1100、壓裝炸藥PAX-3等多種鈍感炸藥用于鉆地戰(zhàn)斗部[1]。為提高安全性，通過(guò)在戰(zhàn)斗部前端填充惰性物衰減撞擊過(guò)程中應(yīng)力波作用，采用外圍鈍感、內(nèi)層高威力的雙層裝藥結(jié)構(gòu)，改進(jìn)裝藥工藝以減少熱點(diǎn)產(chǎn)生概率。在裝藥損傷試驗(yàn)方面，通過(guò)撞擊混凝土試驗(yàn)[2-5]開(kāi)展了戰(zhàn)斗部速度、著角對(duì)內(nèi)部裝藥損傷的研究，結(jié)果表明斜侵徹彈道越彎曲，裝藥損傷越嚴(yán)重，特別是裝藥尾部產(chǎn)生了宏觀可見(jiàn)裂紋。在熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制方面，裂尖加熱、位錯(cuò)雪崩、氣泡壓縮、空隙塌陷、絕熱剪切[6-7]等多種機(jī)制均被作為熱點(diǎn)產(chǎn)生可能機(jī)制并開(kāi)展大量研究；近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算水平提升，采用細(xì)觀數(shù)值方法建立炸藥微觀結(jié)構(gòu)來(lái)模擬炸藥內(nèi)熱點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)程成為新的研究方向[8-12]。目前國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了大量研究工作：陳文等[13]研究了裝藥彈體侵徹前后外觀以及密度變化，給出了彈體不同位置裝藥的損傷情況，并進(jìn)行了沖擊起爆隔板試驗(yàn)；高金霞等[14]、李媛媛等[15-16]從鈍感炸藥配方、裝藥工藝、侵徹目標(biāo)類型等方面開(kāi)展了戰(zhàn)斗部裝藥安定性研究；魏強(qiáng)等[17]、蔡宣明等[18]利用K&C、Rivilin等本構(gòu)模型描述了炸藥高應(yīng)變率下動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性；張馨予等[19]、Yang等[20]將孔隙壓塌損傷、炸藥晶體破碎損傷、粘結(jié)劑脫粘等多種細(xì)觀損傷形式耦合到炸藥宏觀本構(gòu)模型中，研究了不同沖擊環(huán)境下炸藥裝藥的熱點(diǎn)形成機(jī)理。

戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)程中，首先在裝藥內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波傳播，頭部裝藥的前沖和壓縮使得裝藥尾端面與金屬殼體之間產(chǎn)生空隙[16]。壓縮波傳播到裝藥尾端時(shí)發(fā)射拉伸波，裝藥內(nèi)將會(huì)經(jīng)歷反復(fù)傳播的壓縮和拉伸作用，特別是在戰(zhàn)斗部姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn)變化時(shí)，裝藥還將受到剪應(yīng)力作用。總之，各種不同形式的力交織在一起導(dǎo)致裝藥內(nèi)部容易產(chǎn)生裂紋、疏松、破碎等損傷現(xiàn)象?？紤]到微孔洞和微裂紋代表炸藥材料損傷的常見(jiàn)模式，裂紋摩擦、孔洞塌縮兩種機(jī)制雖然不能完全真實(shí)反映熱點(diǎn)生成過(guò)程，但數(shù)理模型清晰，且方便耦合到宏觀炸藥本構(gòu)中，可較好模擬裝藥受力- 損傷- 點(diǎn)火規(guī)律。本文立足戰(zhàn)斗部裝藥侵徹安定性研究需求，從侵徹復(fù)雜力學(xué)環(huán)境、裝藥損傷、熱點(diǎn)生成機(jī)制3個(gè)方面，利用裂紋摩擦和含損傷孔洞塌縮兩個(gè)細(xì)觀生熱模型，分析戰(zhàn)斗部在單次或多次沖擊載荷作用下裝藥受力特點(diǎn)及生熱機(jī)制，揭示炸藥斷裂韌性及裝藥孔隙率對(duì)熱點(diǎn)產(chǎn)生的影響規(guī)律。

1 戰(zhàn)斗部裝藥熱點(diǎn)生成機(jī)制模型

1.1 含裂紋統(tǒng)計(jì)損傷的彈性- 黏塑性本構(gòu)模型

(1)

(2)

(3)

(4)

η為黏性系數(shù)，Y為屈服應(yīng)力。

圖1 本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

在有限元分析軟件LS-DYNA中編制了UMAT本構(gòu)程序，開(kāi)展了160 s-1、320 s-1、500 s-1應(yīng)變率下PBX1的應(yīng)力隨應(yīng)變變化以及相應(yīng)微裂紋擴(kuò)展計(jì)算，描述了PBX1炸藥發(fā)生彈性變形、塑性屈服、微裂紋加速擴(kuò)展并導(dǎo)致應(yīng)力軟化過(guò)程，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在500 s-1應(yīng)變率下偏差較大，最大偏差約10%，主要因?yàn)楦邞?yīng)變率下材料達(dá)到的最大應(yīng)力數(shù)值增大，造成裂紋擴(kuò)展加快，使得材料應(yīng)力快速下降(見(jiàn)圖1(c))。

1.2 裂紋摩擦生熱機(jī)制

(5)

圖2 裂紋摩擦生熱以及含損傷孔洞塌縮生熱機(jī)制示意圖

1.3 孔洞塌縮生熱機(jī)制

在Whitworth[24]一維孔洞塌縮熱點(diǎn)模型基礎(chǔ)上，建立了耦合炸藥脆性損傷的孔洞塌縮模型[25](見(jiàn)圖2(b))，成功地模擬了微孔洞受力- 損傷- 塌縮生熱的物理過(guò)程。相比Whitworth模型，新模型可模擬百兆帕至千兆帕壓力持續(xù)毫秒時(shí)間作用下由于材料損傷導(dǎo)致的孔洞塌縮生熱。孔洞等效球殼的運(yùn)動(dòng)方程為

(6)

式中：ρ為密度；a為球殼內(nèi)徑；ps為施加在球殼的外壓力；pv和py為球殼運(yùn)動(dòng)的黏性力和彈塑性應(yīng)力；D為模型損傷因子，

(7)

球殼內(nèi)徑塌縮運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量為

(8)

式中：r為球殼內(nèi)位置對(duì)應(yīng)半徑；u為球殼不同位置處的運(yùn)動(dòng)速度。

2 不同沖擊載荷下戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點(diǎn)生成研究

2.1 裝藥損傷及熱點(diǎn)生成研究

在LS-DYNA軟件中建立了戰(zhàn)斗部和靶板模型(見(jiàn)圖3)：?jiǎn)螌影袨? m厚，多層薄靶首層為0.3 m、其他層為0.2 m、層間隔3.0 m，兩種混凝土靶強(qiáng)度均為40 MPa；戰(zhàn)斗部長(zhǎng)1.3 m，直徑φ0.3 m.戰(zhàn)斗部裝藥損傷及熱點(diǎn)生成具體計(jì)算流程如圖4所示，根據(jù)含裂紋統(tǒng)計(jì)損傷的彈性- 黏塑性本構(gòu)模型計(jì)算的裝藥單元應(yīng)力結(jié)果，將靜水壓力ps以及3個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3用作微裂紋擴(kuò)展、裂紋面閉合狀態(tài)檢查、裂紋摩擦生熱計(jì)算；將靜水壓力ps用作孔洞塌縮及生熱計(jì)算；同時(shí)，單元內(nèi)裂紋擴(kuò)展通過(guò)損傷因子D關(guān)聯(lián)到彈性- 黏塑性本構(gòu)模型中。

圖3 侵徹單層靶和多層靶仿真圖片

圖4 計(jì)算流程圖

PBX1炸藥熔化溫度取200 ℃、點(diǎn)火溫度取500 ℃，在分析裝藥安全性時(shí)，通過(guò)對(duì)比裝藥內(nèi)最高溫升和熔化溫度，如超過(guò)200 ℃則認(rèn)為存在產(chǎn)生熱點(diǎn)可能。

圖5 侵徹單層靶戰(zhàn)斗部裝藥損傷及溫升分布云圖

裂紋摩擦生熱機(jī)制仿真結(jié)果表明，侵徹單層靶時(shí)戰(zhàn)斗部頭部裝藥受力最大，頭部區(qū)域損傷及溫升較為顯著(見(jiàn)圖5)。圖6為侵徹速度700 m/s下戰(zhàn)斗部最高溫升單元所受壓力及摩擦溫升變化情況，可見(jiàn)隨著壓力增加裝藥內(nèi)微裂紋發(fā)生擴(kuò)展并摩擦生熱，但由于侵徹時(shí)間較短，總體溫升不大，最高溫度180 ℃未超過(guò)熔化溫度。

圖6 侵徹單層靶裝藥內(nèi)壓力及裂紋面溫升情況

侵徹多層靶時(shí)，戰(zhàn)斗部多次沖擊使得內(nèi)部裝藥多次與殼體撞擊，裝藥承受反復(fù)壓縮、拉伸以及姿態(tài)偏轉(zhuǎn)引起的高應(yīng)力等聯(lián)合作用，使得裝藥內(nèi)微裂紋發(fā)生擴(kuò)展并產(chǎn)生熱點(diǎn)，仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。由圖7可知頭部和尾部裝藥溫升都比較顯著，圖8表明隨著侵徹層數(shù)增加裝藥內(nèi)部裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展，并導(dǎo)致摩擦溫升以及熱點(diǎn)產(chǎn)生，圖8中v為侵徹速度。仿真還表明，戰(zhàn)斗部侵徹速度越高，裝藥受力越大，裂紋面局部溫升越高，侵徹速度700 m/s下裂紋面摩擦溫升變化迅速。

圖7 侵徹多層靶戰(zhàn)斗部裝藥損傷及溫升分布云圖

圖8 不同速度侵徹多層靶裝藥裂紋面溫升情況

孔洞塌縮生熱機(jī)制仿真結(jié)果表明：對(duì)于單層靶，在計(jì)算侵徹速度600～800 m/s范圍內(nèi)，裝藥內(nèi)壓力較低(120 MPa)、作用時(shí)間較短(4 ms)，孔洞內(nèi)溫升未超過(guò)10 ℃，不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)；對(duì)于多層靶，圖9(a)給出侵徹速度600 m/s條件下戰(zhàn)斗部尾部區(qū)域裝藥單元所受壓力峰值與單層靶相當(dāng)，但經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間(約15 ms)持續(xù)振蕩作用。圖9(b)給出了孔洞內(nèi)徑運(yùn)動(dòng)過(guò)程，開(kāi)始屬于彈性階段，基本無(wú)溫升；當(dāng)孔洞內(nèi)材料損傷一定程度時(shí)，孔洞內(nèi)徑運(yùn)動(dòng)加快，溫升快速升高，熱點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)戰(zhàn)斗部侵徹第4層。圖10給出相同孔隙率裝藥不同侵徹速度下孔洞塌縮生熱情況，500 m/s速度下溫升很小、不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，侵徹速度700 m/s下產(chǎn)生熱點(diǎn)最容易。

圖9 侵徹多層靶裝藥受力及孔洞塌縮溫升情況(v=600 m/s)

圖10 不同速度下侵徹多層靶裝藥孔洞塌縮溫升情況

高金霞等[14]開(kāi)展了戰(zhàn)斗部侵徹單層靶和多層靶的裝藥安定性試驗(yàn)研究，高速(600 m/s、670 m/s)條件下戰(zhàn)斗部通過(guò)單層靶的考核試驗(yàn)，但低速(580 m/s)下多層靶試驗(yàn)彈體在撞擊最后一層時(shí)發(fā)生爆燃，并對(duì)同狀態(tài)下回收的惰性裝藥彈體進(jìn)行了CT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)多層靶裝藥尾部固體惰性物碎裂并有前沖現(xiàn)象。本文利用裂紋摩擦和孔洞塌縮兩種機(jī)制解釋了相關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象，得出多次沖擊環(huán)境導(dǎo)致了侵徹多層靶裝藥不安定。對(duì)于單層靶，裝藥內(nèi)壓縮和拉伸次數(shù)少且持續(xù)時(shí)間短，孔洞塌縮機(jī)制在此力學(xué)環(huán)境下溫升不顯著，而裂紋摩擦機(jī)制會(huì)產(chǎn)生一定溫升，并且速度越高、受力越大、溫升越高。對(duì)于多層靶，裝藥內(nèi)壓縮和拉伸次數(shù)多且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，孔洞塌縮和裂紋摩擦兩種機(jī)制均表明速度越高、溫升越快，而且戰(zhàn)斗部尾部裝藥也容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。裂紋摩擦機(jī)制主要與剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力，以及摩擦作用時(shí)間相關(guān)，孔洞塌縮主要與壓力及作用持續(xù)時(shí)間相關(guān)，兩種熱點(diǎn)機(jī)制考慮了不同力學(xué)變量，給出的結(jié)論也存在差異。在裝藥侵徹安定性分析時(shí)，考慮到裝藥內(nèi)部力學(xué)環(huán)境復(fù)雜，兩種熱點(diǎn)生成機(jī)制互為補(bǔ)充，以降低各種潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 炸藥斷裂韌性、孔隙率影響規(guī)律研究

根據(jù)裂紋擴(kuò)展理論[22]，裂紋擴(kuò)展速率與炸藥自身斷裂韌性KIC密切相關(guān)，為此計(jì)算了侵徹速度600 m/s條件下，不同斷裂韌性炸藥裝藥侵徹4層靶標(biāo)后微裂紋摩擦溫升情況，可見(jiàn)炸藥自身斷裂韌性越低，裂紋越容易擴(kuò)展，裂紋面局部溫升越高(見(jiàn)圖11)。

圖11 侵徹多層靶炸藥斷裂韌性對(duì)裝藥裂紋面溫升影響

圖12 炸藥初始孔隙率對(duì)多層靶裝藥孔洞塌縮溫升影響

在孔洞塌縮機(jī)制中，初始孔隙率代表炸藥內(nèi)部缺陷大小，計(jì)算了初始孔隙率1%、2%、5%裝藥在戰(zhàn)斗部侵徹中熱點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出：孔隙率5%對(duì)應(yīng)戰(zhàn)斗部侵徹第3層靶板時(shí)產(chǎn)生熱點(diǎn)，孔隙率2%和1%對(duì)應(yīng)戰(zhàn)斗部侵徹第4層靶板時(shí)產(chǎn)生熱點(diǎn)，可見(jiàn)初始孔隙率越大，侵徹過(guò)程中戰(zhàn)斗部裝藥越不安全。

3 結(jié)論

本文采用裂紋摩擦和含損傷孔洞塌縮生熱模型，用于描述戰(zhàn)斗部侵徹單層和多層兩種典型靶板的復(fù)雜動(dòng)態(tài)力學(xué)環(huán)境、裝藥損傷及熱點(diǎn)生成過(guò)程，解釋了侵徹單層靶和多層靶時(shí)裝藥損傷以及點(diǎn)火機(jī)理和相應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)象。得出以下結(jié)論：

1)相比單層靶，戰(zhàn)斗部侵徹多層靶時(shí)經(jīng)歷多次沖擊以及侵徹姿態(tài)偏轉(zhuǎn)，更容易使得裝藥發(fā)生損傷，由于裂紋擴(kuò)展以及裝藥內(nèi)應(yīng)力持續(xù)振蕩，導(dǎo)致熱點(diǎn)產(chǎn)生，而且戰(zhàn)斗部裝藥頭部和尾部都是熱點(diǎn)產(chǎn)生的危險(xiǎn)部位。

2)通過(guò)不同速度下侵徹兩種類型靶標(biāo)，以及炸藥斷裂韌性、初始孔隙率等因素仿真分析，得出：戰(zhàn)斗部速度越高或姿態(tài)偏轉(zhuǎn)越嚴(yán)重，炸藥受力越大，越容易產(chǎn)生熱點(diǎn)；戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)裝藥受沖擊次數(shù)越多、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，越容易產(chǎn)生熱點(diǎn)；炸藥本身力學(xué)性能越低或初始孔隙率越大，越容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。因此通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，穩(wěn)定侵徹彈道，改善裝藥力學(xué)環(huán)境，減少在殼體內(nèi)振蕩過(guò)程，提高炸藥材料自身強(qiáng)度性能，降低裝藥初始微裂紋、微孔洞等疵病，均是提高裝藥侵徹安全性的有效手段。

3)本文主要研究了裂紋摩擦與孔洞塌縮兩種點(diǎn)火機(jī)制，考慮到侵徹安定性機(jī)制涉及影響因素多，如剪切層間滑移和絕熱剪切帶滑移等機(jī)制也可生熱，不同熱點(diǎn)生成機(jī)制用于解釋不同物理現(xiàn)象；此外，局部炸藥高溫升會(huì)產(chǎn)生瞬間熔化和快速再結(jié)晶，生成微小超硬炸藥顆粒，在侵徹下一個(gè)靶板時(shí)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使炸藥爆燃；總之，熱點(diǎn)生成過(guò)程屬于多尺度耦合問(wèn)題，如何在宏觀本構(gòu)方程中引入表征多種熱點(diǎn)生成機(jī)制的力學(xué)- 熱學(xué)- 化學(xué)數(shù)理模型是未來(lái)研究重點(diǎn)方向。