Al/PTFE 活性破片高速碰撞雙層間隔鋁靶數(shù)值模擬

李 陽，陳 闖，易智濤

（沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著世界各軍事強(qiáng)國的武器裝備不斷更新?lián)Q代，裝甲防護(hù)能力大幅提升，迫切需要發(fā)展高效毀傷的武器彈藥。Al/PTFE 活性破片在與目標(biāo)碰撞時，會因壓力升高達(dá)到其反應(yīng)閾值，從而發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)能和熱，對目標(biāo)造成進(jìn)一步毀傷。相比于普通破片，活性破片的殺傷半徑是其2 倍，潛在的毀傷威力可達(dá)其5 倍。國內(nèi)外學(xué)者針對活性彈丸高速碰撞單層靶開展了大量研究，然而，對雙層靶的研究還較為缺乏。Liu S B 等[1]開展了反應(yīng)材料填充彈丸（RMFP）在1100m/s 的碰撞速度下對多層間隔靶板的毀傷效應(yīng)試驗，發(fā)現(xiàn)毀傷效應(yīng)與前鋼板的厚度密切相關(guān)，建立了反應(yīng)材料初始填充長度與前板厚度及板后毀傷效應(yīng)的理論模型。黎勤[2]分析了活性破片作用雙層靶板的力學(xué)行為，建立了迎彈靶貫穿及后效靶侵爆行為的力學(xué)分析模型，研究了彈靶參數(shù)和著靶條件對彈靶作用力學(xué)行為的影響，運用Powder Burn 材料模型描述爆燃反應(yīng)能較好地實現(xiàn)活性破片碰靶毀傷效應(yīng)分析。肖艷文等[3]利用彈道槍加載PTFE/Al/W 活性破片正碰撞雙層間隔鋁靶，結(jié)果表明破片主要通過侵徹作用對前靶造成沖塞破壞，并通過剩余侵徹體的動能侵徹和爆炸聯(lián)合作用，對后靶造成更為嚴(yán)重的毀傷，表現(xiàn)為隆起及裂紋等結(jié)構(gòu)性破壞；引入裂紋擴(kuò)展理論，分析了活性破片對后靶動能侵徹和爆炸毀傷聯(lián)合作用下，碰撞速度和靶厚對后靶毀傷面積的影響規(guī)律，從機(jī)理上揭示了后靶隆起、裂紋擴(kuò)展行為和毀傷模式。本研究采用SPH 算法仿真分析雙層靶板間距對毀傷效應(yīng)的影響，得到雙層靶板間距對后靶孔徑及著靶速度的影響規(guī)律，為活性破片在彈藥戰(zhàn)斗部上的推廣應(yīng)用提供參考。

1 Al/PTFE 活性破片高速碰撞雙層間隔鋁靶作用過程分析

1.1 前靶板貫穿行為

當(dāng)活性破片以一定的速度碰撞前靶板時，在接觸面上會產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，彈丸的動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能產(chǎn)生熱量。由于碰撞的時間極短，產(chǎn)生的熱量堆積，使得靶板的溫度升高，導(dǎo)致靶板的剪切強(qiáng)度降低，破片開始擠進(jìn)靶板?；钚云破谂鲎仓薪?jīng)沖擊波加載后，又經(jīng)稀疏波卸載，彈丸與靶板接觸的部分發(fā)生破碎，部分碎片沿橫向飛散。隨著破片不斷的侵徹，在破片速度方向上的靶材逐漸被彈丸剪斷，破片的破壞模式表現(xiàn)為沖塞，并伴隨碎片飛散。

1.2 后靶板侵爆行為

活性破片貫穿前彈靶后，一部分變?yōu)樗槠疲Ｏ碌牟糠忠琅f為侵徹體。剩余的侵徹體自身具有一定的質(zhì)量和速度，依靠自身動能侵徹后靶板；碎片云因彈丸形成熱點而發(fā)生爆燃反應(yīng)，侵徹體和碎片云共同對后靶板作用?；钚云破灤┣鞍邪搴?，帶著一部分靶材一起運動，最后作用于后靶板。靶材、剩余侵徹體、碎片云先后碰撞后靶板，靶材對后靶板的毀傷不明顯，僅造成后靶板彈性形變，對后靶板的毀傷主要依靠剩余侵徹體和碎片云。剩余侵徹體貫穿后靶板時被激活，發(fā)生劇烈的爆燃反應(yīng)；同時，碎片云的爆燃反應(yīng)增強(qiáng)了對后靶板的毀傷，使得活性破片對后靶板的毀傷效應(yīng)增強(qiáng)。圖1 為活性破片高速碰撞雙層間隔靶作用原理示意圖。

圖1 活性破片高速碰撞雙層間隔靶作用原理

2 數(shù)值模擬

采用Autodyn 有限元軟件對Al/PTFE 活性破片碰撞雙層間隔鋁靶的過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，彈靶均采用Johnson-Cook 強(qiáng)度模型，該模型主要用于金屬材料在高溫、高應(yīng)變率、大應(yīng)變環(huán)境下的強(qiáng)度極限以及失效過程，包括塑性應(yīng)變、應(yīng)變率、壓力和溫度對材料強(qiáng)度的影響。其本構(gòu)方程為：

式中：A1、A2、A3、n、m為材料常數(shù)；εp為等效塑性應(yīng)變；為相對塑性應(yīng)變率；ε0＝1.0。

其中無量綱溫度TH由室溫Troom和熔化溫度Tmelt按下式確定

選擇Shock 狀態(tài)方程，用于描述材料沖擊波速度D、波后質(zhì)點速度up的關(guān)系。

式中：s為與材料相關(guān)的常數(shù)。

選取SPH 算法進(jìn)行仿真。SPH 算法以差值理論為基礎(chǔ)，核函數(shù)對場變量在一點值的估計為核心，從而把偏微分形式的控制方程轉(zhuǎn)化為積分方程。該算法將整個域場的材料分解為一系列具有質(zhì)量、速度和能量的粒子，每個粒子有其特征，通過一個核函數(shù)的積分進(jìn)行核函數(shù)估值，從而求得整個場中不同時刻不同位置的各種動力學(xué)參量。該算法不需要劃分網(wǎng)格，且邏輯比較簡單。圖2 為SPH 算法流程。

圖2 SPH 算法流程

圓柱形的活性彈丸尺寸為Φ15.5 mm × 15.5 mm，靶板的尺寸為120 mm × 120 mm，前靶板的厚度為2 mm，后靶板的厚度為4 mm。圖3 為仿真模型，（a）為有限元模型，（b）為局部放大圖。靶板間距h代表目標(biāo)內(nèi)部的幾何尺寸，通過改變雙層間隔靶板的間距模擬不同的目標(biāo)。破片的初始撞擊速度為314 m/s。

圖3 仿真模型

3 仿真結(jié)果及分析

分別仿真靶板間距h為60、80、100、120、140 和160 mm 的雙層靶被活性破片貫穿后，靶板間距對后靶板孔徑的影響，不同靶板間距下后靶板穿孔形貌如圖4 所示。

圖4 不同靶板間距下后靶板穿孔形貌

后靶板孔徑隨靶板間距的變化如圖5 所示。

圖5 后靶板孔徑隨靶板間距的變化

靶板間距為120 mm 時，活性彈丸貫穿后靶板的孔徑最大。80～ 120 mm 孔徑逐漸增大，120～ 160 mm孔徑逐漸減小。彈丸貫穿前靶板時會斷裂成兩個部分，前面部分速度較快，后面部分較慢。

活性破片在貫穿前靶板后，碰撞后靶板的速度大意味著其動能越大，毀傷效應(yīng)越大?；钚詮椡柝灤┣鞍邪搴髸殉蓛蓚€部分，在此討論彈丸前部分碰撞后靶板的速度和后部分碰撞前部的速度。圖6 為靶板間距與后靶板速度的關(guān)系。彈丸前部分的著靶速度隨著靶板間距的增加而減少，而后部分的剩余速度先是遞減，120 mm 的靶板間距達(dá)到最小，隨后遞增。圖7 為靶板間距140 mm 時破片撞擊后靶示意圖。

圖6 靶板間距與后靶板速度的關(guān)系

圖7 靶板間距140 mm 時破片撞擊后靶

4 實驗驗證

為了驗證數(shù)值模擬的有效性，采用一級輕氣炮加載Al/PTFE 破片，實驗裝置主要由一級輕氣炮、雙層鋁靶、激光測速儀和高速攝像機(jī)組成。利用激光測速儀測量破片速度，高速攝像機(jī)記錄破片的作用過程。圖8 為實驗照片。從圖可以看出活性彈丸貫穿了前靶板，形成了瓣裂穿孔，其尺寸為23.86 mm × 18.01 mm；彈丸未貫穿后靶板但是在后靶板上有明顯的燒蝕現(xiàn)象，表明活性彈丸在碰撞后靶板時發(fā)生了爆燃反應(yīng)。仿真與實驗結(jié)果吻合較好，驗證了仿真的可靠性。

圖8 實驗照片

5 結(jié)語

采用Autodyn-2D 非線性動力學(xué)軟件對Al/PTFE活性破片高速碰撞雙層間隔靶進(jìn)行數(shù)值模擬，在相同靶板厚度下，靶板間距為120 mm 時，活性彈丸貫穿后靶板的孔徑最大。80～120 mm 孔徑逐漸增大，120～160 mm 孔徑逐漸減小。彈丸前部分的著靶速度隨著靶板間距的增加而減少，而后部分的剩余速度先遞減，120 mm 的靶板間距達(dá)到最小，隨后遞增。