侵徹多層間隔靶板裝藥損傷特性研究

張萌昭，周 濤，郭洪福，沈 飛

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

1 引言

侵徹戰(zhàn)斗部依靠自身動能對防御工事進(jìn)行穿透后，通過引信控制在特定位置爆炸，利用沖擊波、碎片等對目標(biāo)進(jìn)行殺傷。在侵徹過程中，戰(zhàn)斗部需要承受較大沖擊載荷[1-2]，隨著各國防御工事不斷增強(qiáng)，往往需要侵徹多層目標(biāo)，裝藥經(jīng)受連續(xù)多次脈沖載荷作用[3]，而受到飛行控制、環(huán)境條件等影響，戰(zhàn)斗部攻角及著角角度存在一定隨機(jī)性，使得裝藥受力情況更加復(fù)雜，在侵徹過程中產(chǎn)生裂紋、孔洞等損傷，對裝藥安定性提出了更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)[4-7]。因此，研究多層斜侵徹條件下的裝藥損傷特性具有重要理論意義和實(shí)際使用價(jià)值[8]。

目前已有許多研究人員針對裝藥損傷進(jìn)行了大量工作。李志鵬等[9]采用材料試驗(yàn)機(jī)、落錘試驗(yàn)等方式對裝藥進(jìn)行復(fù)合加載，得到載荷作用越強(qiáng)烈損傷越嚴(yán)重，沖擊感度越高的結(jié)論。李亮亮等[10]利用霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)對炸藥進(jìn)行2次脈沖加載，發(fā)現(xiàn)與單次沖擊相比，在多次脈沖加載下裝藥結(jié)構(gòu)破壞形式改變。聶少云等[11]設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)裝置對裝藥進(jìn)行多層穿靶過程模擬，發(fā)現(xiàn)在多次沖擊載荷下，炸藥的表面出現(xiàn)裂紋和破碎但并未點(diǎn)火。呂鵬博等[12]模擬了不同攻角下含裝藥缺陷的戰(zhàn)斗部的穿甲過程，得到了穿單層靶情況下攻角越大，裝藥缺陷對安定性的影響越大的現(xiàn)象。成麗蓉[13]采用裂紋摩擦和含損傷孔洞坍縮生熱模型研究了戰(zhàn)斗部垂直侵徹多層靶板時(shí)裝藥的損傷情況，發(fā)現(xiàn)頭部及尾部易產(chǎn)生熱點(diǎn)。上述實(shí)驗(yàn)研究大多針對較為簡單的受力情況進(jìn)行分析，難以模擬越來越復(fù)雜的侵徹條件下的裝藥受力過程。仿真模擬能夠觀測侵徹過程中裝藥的細(xì)觀尺度變化，但其計(jì)算結(jié)果受到本構(gòu)模型和模擬計(jì)算方法的影響。因此，需要建立更加貼近真實(shí)受力條件的實(shí)驗(yàn)方法對多層侵徹條件下的裝藥損傷進(jìn)行研究，結(jié)合仿真模擬觀測內(nèi)部裝藥的受力情況。

為了得到復(fù)雜條件下的裝藥損傷演化情況，本文依據(jù)實(shí)際侵徹戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)小尺寸模型實(shí)驗(yàn)彈，開展多層靶板侵徹實(shí)驗(yàn)，結(jié)合模擬仿真結(jié)果，探索多次脈沖載荷作用下裝藥損傷演化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)彈體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)彈設(shè)計(jì)依托于某戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何縮比，試驗(yàn)彈體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)彈主要由殼體組件、惰性填充物、惰性裝藥和閉氣裝置等組成。戰(zhàn)斗部殼體質(zhì)量M為10.90 kg，裝填質(zhì)量m為1.75 kg，戰(zhàn)斗部長徑比L/D為2.32，彈體無量綱壁厚δ/D為0.144，曲徑比CRH為1.8，頭部長度與總長之比為l/L為0.29，其中L為戰(zhàn)斗部總長，δ為壁厚，D為最大外廓直徑，l為頭部長度。后蓋分為兩部分，均使用螺紋與彈體連接，閉氣環(huán)與壓環(huán)使用螺釘與后蓋固連，保證彈體在炮膛內(nèi)不漏氣、受力均勻，順利發(fā)射。

戰(zhàn)斗部在侵徹目標(biāo)的過程中，不僅需要承受高過載沖擊過載，還需減少彈藥質(zhì)量同時(shí)提高裝填比，故對彈體結(jié)構(gòu)和彈體材料均提出了較高要求。綜合考慮材料的密度、強(qiáng)度、韌性等參數(shù)，殼體組件均使用TC4-DT鈦合金。閉氣環(huán)為尼龍材料。

1.殼體；2.后蓋1；3.閉氣環(huán)；4.壓環(huán)；5.螺釘圖1 戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of warhead structure

2.2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

惰性裝藥的主要成分為硫酸銨和鈍感劑，成型密度為1.70 g/cm3，物理性能與真實(shí)PBX材料接近，能夠較好地模擬真實(shí)PBX材料的力學(xué)性能。根據(jù)試驗(yàn)彈殼體內(nèi)腔，分為三節(jié)藥柱進(jìn)行裝填，其中兩節(jié)藥柱形狀為圓柱形，一節(jié)為圓臺形。藥柱1直徑Φ1為81 mm，圓臺頂部直徑Φ2為40 mm，圓臺上部高h(yuǎn)1為30 mm，下端高為10 mm，藥柱2及藥柱3均高h(yuǎn)3為50 mm，直徑Φ3為81 mm。裝藥與殼體間隙1 mm。頭部及尾部均留有10 mm間隙，采用擠壓裝藥，填充加成型硅橡膠，冷卻后凝固避免裝藥在殼體內(nèi)震蕩。

裝藥后對實(shí)驗(yàn)彈進(jìn)行DR(digital radiography)圖像及CT圖像檢驗(yàn)，得到結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)前裝藥密實(shí)，無肉眼可見初始損傷。

圖2 實(shí)驗(yàn)前的裝藥CT掃描圖Fig.2 CT scan of the charge before the experiment

2.3 試驗(yàn)布局

實(shí)驗(yàn)采用口徑125 mm的滑膛火炮發(fā)射縮比戰(zhàn)斗部，火炮布設(shè)于靶板正前方約40 m處。在靶板側(cè)面放置高速攝影機(jī)，記錄實(shí)驗(yàn)彈侵徹靶標(biāo)的動態(tài)過程。過靶面的中心水平線與火炮發(fā)射線重合。靶標(biāo)正后為松軟土丘，用于回收試驗(yàn)彈，并對回收彈進(jìn)行CT掃描以觀測其中裝藥損傷情況(圖3)。在實(shí)驗(yàn)中，采用高速相機(jī)記錄彈體穿靶姿態(tài)。試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖如圖3、圖4所示。

圖3 靶場示意圖Fig.3 Schematic of experimental set-up

圖4 靶場場景圖Fig.4 Photos of shooting range

試驗(yàn)所用靶標(biāo)為鋼筋混凝土靶標(biāo)，其中，混凝土按照C40強(qiáng)度進(jìn)行配比制作，4層靶板間距均為1 m，靶板目標(biāo)的第1～2塊靶板尺寸為2 000 mm×2 000 mm ×120 mm，截面配筋率為0.62%；第3～4層靶板的尺寸為1 520 mm×1 520 mm×100 mm，截面配筋率為0.74%。迎彈面靶板鋼筋直徑為10 mm與12 mm交替分布，背面鋼筋直徑均為12 mm，鋼筋網(wǎng)格大小為150 mm×150 mm。靶板傾斜30°，靶板厚度及靶板間距設(shè)計(jì)參考實(shí)際混凝土建筑物，能夠真實(shí)的反應(yīng)戰(zhàn)斗部實(shí)戰(zhàn)時(shí)的侵徹性能。鋼筋靶板通過鋼架支撐，并用沙土固定壓實(shí)，以保持在侵徹過程中傾角及間距不變。靶標(biāo)擺放如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)4層鋼筋混凝土靶場景圖Fig.5 Four-layer reinforced concrete target used in the experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)彈的侵徹能力

實(shí)驗(yàn)彈以800 m/s的速度侵徹混凝土靶板，攻角為20°。實(shí)驗(yàn)彈成功穿透4層靶標(biāo)，隨后鉆入土丘中，侵徹過程如圖6、圖7所示。混凝土靶板受到嚴(yán)重破壞，靶板正面產(chǎn)生較大凹坑。第1層靶板彈孔半徑為19 cm，第2層為17 cm，第3層為15 cm，第4層為16.5 cm。從第1層至第3層靶板彈孔半徑逐漸減小，當(dāng)運(yùn)動至最后一層靶板時(shí)，尾部對靶板造成沖擊，靶板彈孔半徑增大?；厥諒楏w見圖8,彈體頭部有較大侵蝕磨損現(xiàn)象，表面變得粗糙，并且出現(xiàn)部分凹坑，如圖9所示。彈體整體保持完整，且未出現(xiàn)塑性失穩(wěn)變形，如圖7～圖9所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)彈侵徹第1層靶板實(shí)物圖Fig.6 High-speed photographs of projectile impacting concrete plate

圖7 試驗(yàn)后靶板實(shí)物圖 圖8 回收彈體實(shí)物圖Fig.7 Target plate after experiment Fig.8 Recovered projectile

圖9 頭部磨損狀態(tài)圖Fig.9 Erosion of projectile

3.2 裝藥損傷情況

對比試驗(yàn)前后DR圖像，如圖10所示。三節(jié)藥柱之間縫隙更加明顯，圖像左下角存在顏色較淺區(qū)域，說明侵徹過后藥柱在殼體內(nèi)經(jīng)受多次脈沖加載、震蕩，尾部藥柱出現(xiàn)較大損傷。從藥柱的CT圖像可以看到頭部并無明顯損傷，與圖2(a)相比，實(shí)驗(yàn)后頭部裝藥與殼體之間的硅橡膠厚度減小，說明在侵徹過程中裝藥整體向前壓縮，頭部裝藥向前移動。中部裝藥產(chǎn)生微小孔洞，多分布于藥柱中間。尾部裝藥損傷最嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯塌邊現(xiàn)象和深度裂紋，且越靠近底部損傷區(qū)域越大，損傷越嚴(yán)重。裂紋寬度由邊緣向內(nèi)部逐漸減小，損傷呈現(xiàn)分布不勻現(xiàn)象，集中在藥柱的一側(cè)。c截面出現(xiàn)空腔，而d截面有部分殘?jiān)?，藥柱在穿靶過程中產(chǎn)生的碎屑隨彈體運(yùn)動不斷下移，集中在底部(圖10)。

圖10 試驗(yàn)后CT圖Fig.10 CT scan of the charge after the experiment

3.3 裝藥力學(xué)響應(yīng)分析

為進(jìn)一步了解裝藥的復(fù)雜受力過程，對侵徹過程進(jìn)行模擬仿真。在LS-DYNA軟件中設(shè)計(jì)模擬彈以800 m/s的速度、20°攻角侵徹厚25 mm、30°傾斜的C40水泥靶板?？紤]計(jì)算的對稱性，采用1/2模型以提高計(jì)算效率，在對稱面施加對稱約束。

考慮應(yīng)變率和溫度對材料屈服強(qiáng)度的影響，殼體材料采用*MAT_JOHNSON_COOK模型描述， 而HJC模型考慮了大應(yīng)變、高應(yīng)變率條件下脆性材料的斷裂特性，因此選用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE模型對混凝土靶板進(jìn)行模擬， 由于PBX炸藥的宏觀力學(xué)性能與混凝土具有一定的相似性，故選用*MAT_CONCRETE_DAMAGE_REL3模型反映其動態(tài)力學(xué)變化，該模型引入初始屈服面、極限強(qiáng)度面、殘余強(qiáng)度面等3個(gè)失效面，能較真實(shí)地通過損傷度的計(jì)算反映材料的損傷情況。其中，材料參數(shù)[14-16]如表1、表2所示。

表1 殼體及裝藥主要材料參數(shù)

表2 混凝土材料參數(shù)

圖11為侵徹過程中應(yīng)力云圖。由圖11可知，侵徹過程中，裝藥頭部承受的沖擊載荷較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著侵徹深入，應(yīng)力波傳入至尾部，壓縮波在自由面反射形成拉伸波，尾部裝藥與殼體擠壓形成應(yīng)力較大區(qū)域。隨著彈體繼續(xù)侵入靶板，殼體上部受到靶板擠壓，形成力矩造成受力不均的情況，可見此時(shí)裝藥上部為壓、下部為拉伸。這種受力情況持續(xù)至彈體即將出靶，此時(shí)下部殼體受力較小，而尾部的上端繼續(xù)與殼體接觸，形成偏轉(zhuǎn)力矩，裝藥中段上部為拉伸狀態(tài)，下部為壓縮狀態(tài)，頭部、尾部尖角仍存在應(yīng)力集中。當(dāng)彈體完全出靶，力矩影響彈道使得裝藥內(nèi)部仍存在拉伸-壓縮的應(yīng)力反復(fù)作用，對裝藥造成持續(xù)性損傷。從圖12可以看出：在侵徹單層靶板的過程中，頭部在初始時(shí)刻受到較大的軸向應(yīng)力，隨后應(yīng)力波傳播至中部，幅值衰減，到尾部時(shí)幅值最小。頭部在整個(gè)侵徹過程中主要承受壓縮應(yīng)力，而中部裝藥受到拉伸-壓縮的應(yīng)力反復(fù)作用，尾部則受到反射形成的拉伸波及斜侵徹工況下的剪切應(yīng)力作用。

由于裝藥材料呈現(xiàn)脆性，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，而模擬藥柱中存在石蠟等物質(zhì)，在高溫高壓作用下起到流動、滑移作用，一定程度上避免了孔隙、坍縮等損傷的形成，同時(shí)在縮比彈試驗(yàn)中，頭部裝藥與殼體之間有約1 cm厚的硅橡膠，能夠有效減小應(yīng)力波強(qiáng)度，對裝藥頭部的沖擊載荷起到緩沖作用，進(jìn)一步避免了損傷的產(chǎn)生[17]。因此，雖然頭部裝藥受到較大的壓縮應(yīng)力，但所產(chǎn)生的損傷最少，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。中部裝藥在侵徹過程中，由于殼體與靶板之間存在夾角，造成的力矩使得裝藥不斷承受拉伸-壓縮的反復(fù)應(yīng)力作用，而應(yīng)力波傳播至中部有幅值衰減，裝藥的粘彈性特征進(jìn)一步避免了損傷的出現(xiàn)，因而裝藥中部只出現(xiàn)部分孔洞損傷。頭部撞擊產(chǎn)生的多個(gè)間隔壓縮波在尾部反射為拉伸波，由于裝藥的脆性特征，尾部裝藥在多次重復(fù)拉壓載荷作用下出現(xiàn)裂紋和損傷；此外，長徑比較小(CRH<2.5)的實(shí)驗(yàn)彈在較大攻角(20°)下侵徹混凝土靶板時(shí)，彈體在穿靶過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，彈體尾部與靶板發(fā)生碰撞，造成損傷集中于一側(cè)且較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

圖11 仿真應(yīng)力云圖Fig.11 Contours of stress

圖12 壓力-時(shí)間曲線Fig.12 Pressure-time curve

4 結(jié)論

1) TC4-DT鈦合金侵徹彈在侵徹多層混凝土靶板時(shí)，頭部有磨損，彈體結(jié)構(gòu)保持完整。殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足完整性要求。

2) 在侵徹多層靶板時(shí)，侵徹彈內(nèi)部裝藥尤其尾部裝藥在復(fù)雜外力作用下易產(chǎn)生塌陷、裂紋損傷，提前起爆。

3) 可以提高藥柱與殼體內(nèi)腔的直徑匹配度，避免藥柱在沖擊過程側(cè)轉(zhuǎn)。針對頭部的高壓區(qū)，增加緩沖物質(zhì)可避免裝藥損傷。需要對存在著角條件下多次脈沖加載的裝藥的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)行為進(jìn)行深入研究，為裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配方優(yōu)化提供參考。