不同口徑聚能裝藥射流引爆帶殼裝藥數(shù)值模擬

梁 斌，余春祥，聶 源，馮高鵬，盧永剛

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 6219999)

0 引 言

聚能射流是常規(guī)武器中重要的毀傷元，由于其具有較高的速度和截面能量，對不同的裝甲目標(biāo)具有較強的侵徹能力，是主戰(zhàn)坦克、裝甲車輛等目標(biāo)的克星.隨著鈍感彈藥在歐美等軍事強國的廣泛列裝，特別是攻擊高價值目標(biāo)的中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈，對這類低易損彈藥的攔截，傳統(tǒng)的以小質(zhì)量(幾克到十幾克)破片作為殺傷元的攔截彈藥提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-5].另外，對于機(jī)場跑道等重要目標(biāo)中未爆彈藥的排除，特別是對戰(zhàn)時機(jī)場跑道等道面下未爆彈藥的有效排除，采用傳統(tǒng)的排爆方式已難以滿足高效可靠的排爆要求.初步分析表明，攔截來襲鈍感彈藥及引爆地下未爆彈藥毀傷元中，聚能射流是相對比較有效的毀傷元[6-9].

聚能射流沖擊引爆低易損帶殼鈍感彈藥的影響因素較多，且各影響因素相互耦合使得對這類問題的研究顯得較復(fù)雜[10-11].目前，關(guān)于聚能射流引爆鈍感彈藥方面研究的公開報道相對較少，主要集中在感度相對較高的炸藥，如采用金屬桿沖擊起爆帶殼裝藥模型，模擬聚能裝藥金屬射流引爆帶殼裝藥，得到了不同直徑金屬桿引爆帶殼裝藥的射流極限速度[12]；對低密度射流侵徹殼體后的剩余射流沖擊引爆性能進(jìn)行分析模擬，獲得了剩余射流沖擊B炸藥引爆閾值[12].Micleovic等[13]對聚能射流沖擊引爆反應(yīng)裝甲進(jìn)行了分析.為了考察聚能裝藥對低易損彈藥的沖擊引爆性能，本研究通過聚能裝藥對不同厚度殼體裝藥沖擊引爆進(jìn)行了數(shù)值模擬，并考慮混凝土層對沖擊引爆性能的影響，為相關(guān)彈藥設(shè)計及毀傷評估提供參考.

1 聚能裝藥對帶殼裝藥沖擊起爆數(shù)值模擬

1.1 聚能裝藥對帶殼裝藥沖擊起爆數(shù)值建模

為分析聚能裝藥口徑對帶殼裝藥的影響，不失一般性，以典型的變壁厚單錐銅藥型罩聚能裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，建立了口徑為50 mm的聚能裝藥模型，聚能裝藥殼體為2A12，內(nèi)部裝填為常用的JB-9014炸藥.為分析被發(fā)裝藥殼體厚度對引爆性能的影響，分別建立了裝藥殼體厚度為10 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm模型.為模擬具有一定侵徹性能的鈍感彈藥，被發(fā)彈藥殼體采用常用的G50高強度鋼，內(nèi)部裝填具有較低沖擊感度的TATB炸藥，彈徑為230 mm,各計算工況炸高均為150 mm.建模中，據(jù)炸藥爆轟波寬度情況，網(wǎng)格劃分尺寸控制在0.25 mm以內(nèi).聚能裝藥炸藥、藥型罩均采用Euler網(wǎng)格，主發(fā)與被發(fā)彈藥殼體、被發(fā)炸藥采用Lagrange網(wǎng)格.采用Euler單元建立一定大小的空氣域?qū)U(kuò)爆藥盒包覆在內(nèi)，使炸藥爆轟產(chǎn)物在其區(qū)域內(nèi)流動，固體與流體之間采用流固耦合.被發(fā)炸藥與外殼體之間采用接觸算法.聚能裝藥具體在裝藥尾部軸線上一點起爆，炸高均為3倍裝藥口徑.根據(jù)對稱性原理建立1/2模型如圖1所示.在被發(fā)裝藥殼體和被發(fā)炸藥中設(shè)置測量點(Gauge points),其中,G1～G3點位于被發(fā)裝藥殼體上，其中G1位于裝藥殼體最外層網(wǎng)格上，G2位于殼體內(nèi)部網(wǎng)格點、G3位于殼體內(nèi)表面網(wǎng)格點，G4～G7點位于被發(fā)炸藥中，G4和G6分別位于炸藥與殼體接觸的網(wǎng)格上，G4位于軸線附近的網(wǎng)格上，G5和G7距離界面約4 mm位置處，G7位于軸線附近的網(wǎng)格上.采用動力學(xué)程序Autodyn建立了聚能裝藥沖擊帶殼炸藥數(shù)值模擬模型.

圖1 聚能裝藥對帶殼裝藥沖擊起爆數(shù)值模擬模型

1.2 計算涉及材料模型及參數(shù)

聚能裝藥采用JWL狀態(tài)方程，在模擬炸藥爆轟過程中壓力、內(nèi)能和比容的關(guān)系，表達(dá)式如下[14]，

(1)

式中，P為裝藥爆轟壓力，/MPa；V為相對體積，/m3；E為內(nèi)能密度，/(MJ/kg)；Q為炸藥熱能，/(MJ/kg)；A、B、R1、R2、ω分別為炸藥材料參數(shù)；λ為非理想成分的燃燒分?jǐn)?shù).

在式(1)中，第1至第3項分別在高壓、中壓和低壓段起主要作用[14-15].在爆轟產(chǎn)物膨脹后期，將炸藥從JWL狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為更為簡單的理想氣體狀態(tài)方程，參數(shù)通過圓筒試驗進(jìn)行確定.理想炸藥空爆時能量釋放快，不必采用能量釋放模型，計算中，λ=0.孫占峰等[9]對JB-9014炸藥進(jìn)行了25 mm和50 mm兩種裝藥直徑的圓筒實驗，并通過流體動力學(xué)數(shù)值模擬確定了JB-9014炸藥爆轟產(chǎn)物,其JWL狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示.

表1 JB-9014炸藥爆轟產(chǎn)物JWL狀態(tài)方程參數(shù)[9]

程序采用“Programmed+beta burn”技術(shù)模擬炸藥的爆轟過程，每個炸藥單元的點火時間由該單元形心至起爆點的距離和爆速確定.

對于炸藥沖擊起爆的模擬，多采用Lee等[8]提出的反應(yīng)速率方程及點火—燃燒—快反應(yīng)3項式反應(yīng)速率方程，計算結(jié)果與Pop圖和壓力歷程曲線均符合較好，因此，本研究采用該模型研究沖擊起爆過程.

被發(fā)彈藥中裝填高能鈍感炸藥TATB，其沖擊響應(yīng)采用Lee-Tarver點火增長模型模擬[11]，該方程可很好地模擬非均勻炸藥的沖擊起爆特性.

(2)

式中，F(xiàn)為反應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在模擬爆轟過程中控制著炸藥化學(xué)能的釋放；I、b、a、x、G1、c、d、y、G2、e、g、z為炸藥參數(shù).

炸藥未反應(yīng)物和反應(yīng)物均采用JWL狀態(tài)方程TATB炸藥點火增長模型參數(shù)如表2所示[11，15].

表2 TATB炸藥點火增長模型主要參數(shù)

聚能裝藥殼體和被發(fā)裝藥殼體材料分別為常用的2A12和G50，材料強度模型采用Johnson-Cook模型描述，該模型考慮了應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率和溫度等影響因素，具有更大范圍的適應(yīng)性.G50、2A12材料的Johnson-Cook強度模型參數(shù)如表3所示，其模型及參數(shù)物理意義見文獻(xiàn)[15].

表3 裝藥殼體材料Johnson-Cook強度模型參數(shù)

裝藥殼體材料采用Mie-Grüneisen形式狀態(tài)方程，參數(shù)如表4所示，其模型參數(shù)物理意義見文獻(xiàn)[15].G50、2A12材料狀態(tài)方程參數(shù)如表4所示.

表4 G50、2A12材料的狀態(tài)方程參數(shù)

1.3 聚能裝藥對帶殼裝藥沖擊起爆數(shù)值結(jié)果

采用Autodyn軟件模擬了聚能裝藥爆炸形成射流及其沖擊被發(fā)裝藥的過程,50 mm口徑裝藥爆炸形成射流及其對不同厚度殼體裝藥沖擊引爆過程數(shù)值模擬結(jié)果如圖2～4所示.

從圖2中模擬結(jié)果可知，在約30 μs時刻,射流頭部到達(dá)被發(fā)裝藥殼體外表面;在約32.2 μs時刻,射流沖擊產(chǎn)生的前驅(qū)波到達(dá)被發(fā)炸藥表面，峰值壓力約為350MPa，此時炸藥未發(fā)生反應(yīng)(反應(yīng)率λ=0);在約32.3 μs時刻，被發(fā)炸藥峰值壓力約為1.17GPa，此時被發(fā)炸藥局部產(chǎn)生少量熱點并發(fā)生反應(yīng)(λ=6×10-4);在約32.4 μs時刻，被發(fā)炸藥峰值壓力約為14.3GPa，此時被發(fā)炸藥局部熱點逐步增加并發(fā)生反應(yīng)(λ=0.43).射流沖擊產(chǎn)生的沖擊波在炸藥中持續(xù)傳播時，因炸藥局部反應(yīng)導(dǎo)致沖擊波壓力不斷增加，從被發(fā)炸藥中監(jiān)測點壓力—時間曲線可看出，在33.5 μs時沖擊波壓力發(fā)生明顯的階躍，說明該處沖擊波已發(fā)展為爆轟波.

圖2 口徑為50 mm聚能裝藥對10 mm厚G50硬殼體裝藥沖擊響應(yīng)模擬結(jié)果

圖3給出了50 mm口徑聚能裝藥爆炸形成的射流侵徹不同厚度帶殼裝藥后剩余射流的速度分布和頭部形態(tài)，試驗結(jié)果分析表明，在射流侵徹鋼殼體過程中，在射流頭部超高速沖擊下，靶體局部出現(xiàn)高溫高壓和近似呈流體狀態(tài)，射流將熔融狀靶

圖3 50 mm口徑聚能裝藥爆炸形成射流侵徹帶殼裝藥后剩余射流速度及形態(tài)

體材料從軸向和徑向驅(qū)動，導(dǎo)致靶板開孔和擴(kuò)孔，相應(yīng)頭部射流在徑向驅(qū)動靶體材料的同時也部分“附著”在靶孔附近，使得射流頭部呈現(xiàn)明顯的墩粗成蘑菇頭狀，且隨著被發(fā)裝藥殼體厚度的增加，射流附著在侵徹孔道上的材料逐漸增多.隨著被發(fā)裝藥鋼殼體厚度的增加，侵徹殼體并引發(fā)內(nèi)部裝藥時刻的射流頭部直徑呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，初期的墩粗效應(yīng)使得射流頭部直徑增大，而后續(xù)的拉伸使得射流頭部直徑呈逐漸減小趨勢.

圖4給出了靠近被發(fā)裝藥殼體軸線附近的炸藥檢測點的壓力—時間歷程曲線，從圖中可以看出，50 mm口徑聚能裝藥在3倍口徑(150 mm)炸高情況下，能夠引爆彈徑為230 mm，殼體厚度分別為10 mm、20 mm、40 mm、60 mm的TATB裝藥，對應(yīng)監(jiān)測點附近炸藥引爆時間分別為33.5 μs、37.7 μs、43.5 μs、51 μs.由于剩余射流頭部速度隨著鋼殼體厚度的增加而下降，被發(fā)裝藥引爆延遲時間逐漸增大.當(dāng)被發(fā)裝藥殼體厚度增大到80 mm時，被

圖4 50 mm口徑聚能裝藥沖擊不同厚度殼體裝藥中炸藥測取點壓力時間歷程曲線

發(fā)裝藥將不能被引爆.

表5 50 mm口徑聚能裝藥沖擊不同厚度殼體裝藥后剩余射流頭部威力參數(shù)

2 聚能裝藥對有混凝土覆蓋層帶殼裝藥沖擊響應(yīng)數(shù)值模擬

2.1 聚能裝藥對有混凝土覆蓋層帶殼裝藥沖擊響應(yīng)數(shù)值建模

為分析聚能裝藥對地下未爆彈的引爆性能，本研究建立了口徑分別為50 mm和75 mm聚能裝藥對彈徑為230 mm低易損裝藥沖擊數(shù)值模擬模型，其中75 mm聚能裝藥引爆模型如圖5所示.被發(fā)裝藥殼體厚度為30 mm，殼體材料為G50鋼，其被發(fā)裝藥鋼殼體外覆蓋抗壓強度和厚度分別為35MPa和80 mm的混凝土層,混凝土采用RHT強度模型和P-α狀態(tài)方程，其材料參數(shù)取自于Autodyn軟件自帶材料模型庫.混凝土材料采用Lagrange網(wǎng)格，與被發(fā)裝藥鋼殼體之間采用接觸算法.為測試被發(fā)炸藥的沖擊響應(yīng)，在其中靠近裝藥殼體內(nèi)側(cè)軸線附件分別設(shè)置了3個監(jiān)測點G4(裝藥與殼體接觸位置)、G5、G6，炸高為130 mm，其余建模情況同上.

圖5 聚能裝藥對覆蓋混凝土的帶殼裝藥沖擊效應(yīng)數(shù)值模擬模型

2.2 聚能裝藥對有混凝土覆蓋層帶殼裝藥沖擊響應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6和圖7分別給出了口徑為50 mm和75 mm的聚能裝藥對有混凝土覆蓋層帶殼裝藥沖擊響應(yīng)數(shù)值結(jié)果，模擬結(jié)果表明，在炸高為130 mm情況下，50 mm口徑聚能裝藥不能引爆被發(fā)彈體裝藥.

圖7 口徑為50 mm聚能裝藥對有混凝土覆蓋層裝藥沖擊響應(yīng)模擬結(jié)果

從圖6可知，在聚能裝藥起爆后約55 μs時刻，射流沖擊裝藥殼體產(chǎn)生的前驅(qū)沖擊波到達(dá)被發(fā)炸藥界面，峰值壓力約為150MPa，此時炸藥反應(yīng)率為3.7×10-7,可認(rèn)為此時炸藥未反應(yīng)；在主發(fā)藥起爆后約60 μs時刻，被發(fā)藥中的峰值壓力約為2.06GPa，對應(yīng)反應(yīng)率最大值約為0.01，此時有少量被發(fā)炸藥開始發(fā)生反應(yīng)；在主發(fā)藥起爆后大約62.5 μs時刻，被發(fā)藥中的峰值壓力達(dá)到10GPa，對應(yīng)炸藥反應(yīng)率最大值約為0.74；在主發(fā)藥起爆后大約63.4 μs時刻，被發(fā)炸藥反應(yīng)率達(dá)到1，對應(yīng)峰值壓力約為21GPa，此時被發(fā)炸藥完全起爆.

圖6 口徑為75 mm的聚能裝藥對有混凝土覆蓋層裝藥沖擊響應(yīng)模擬結(jié)果

在聚能裝藥起爆后63 μs時刻，射流頭部速度為5 723 m/s，直徑約為4 mm.Held[15]將射流速度vj與直徑dj聯(lián)系起來，提出了vj2dj=k的判據(jù).采用射流引爆的Held判據(jù)，計算得到vj2dj=131×103m3/s2，大于TATB的引爆閾值108×103m3/s2，因此，滿足TATB裝藥的引爆條件.

從圖7(a)中被發(fā)炸藥中監(jiān)測點壓力—時間歷程曲線可以看出，檢測點處被發(fā)炸藥未能起爆.從圖7(b)可以看到，在聚能裝藥起爆后71 μs時刻，射流頭部速度約為5 400 m/s，直徑約為3 mm，采用射流引爆的vj2dj判據(jù)，計算得到vj2dj=87.4×103m3/s2，小于TATB的引爆閾值.因此，口徑為50 mm聚能裝藥不能引爆有混凝土覆蓋層.

3 結(jié) 論

1)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果與Held提出的經(jīng)驗分析表達(dá)式吻合較好，說明可以采用本研究使用的數(shù)值模型進(jìn)行帶殼裝藥及帶一定厚度混凝土覆蓋層裝藥沖擊引爆預(yù)測分析.

2)對于50 mm口徑聚能裝藥，在3倍炸高正侵徹情況下能夠引爆鋼殼體厚度不大于60 mm的TATB裝藥，且隨著被發(fā)裝藥殼體厚度的增加，內(nèi)部裝填炸藥引爆延遲時間相應(yīng)增加，引爆模式由射流沖擊前驅(qū)波引爆轉(zhuǎn)化為前驅(qū)波與射流沖擊剪切聯(lián)合引爆.

3)在炸高為130 mm正侵徹情況下，口徑為50 mm聚能裝藥不能引爆覆蓋為80 mm厚的混凝土、厚度為30 mm的鋼殼體的裝藥，相同情況下口徑為75 mm聚能裝藥能夠引爆裝藥.

4)由于被發(fā)炸藥所采用的點火增長模型只能給出炸藥是否被引爆，并不包含反應(yīng)烈度的表征參數(shù)，不能模擬被發(fā)裝藥緩慢化學(xué)分解、燃燒、爆燃、局部爆轟等情況，因此，需要發(fā)展能夠表征裝藥沖擊烈度的材料模型，以滿足彈藥研發(fā)與評估需求.

在實戰(zhàn)情況下，引爆彈和被發(fā)彈之間存在一定的交會角和交會速度，同時，被發(fā)彈內(nèi)部炸藥的裝填方式、環(huán)境溫度等均對引爆情況產(chǎn)生影響，本研究僅在簡化的基礎(chǔ)上對此類問題進(jìn)行初步的探索，其研究結(jié)果還需進(jìn)一步的試驗驗證和深入研究.