簡易手雷防爆罐防護性能數(shù)值仿真分析

劉俊彥，盧江仁，孫新利

(火箭軍工程大學 核工程學院，西安 710025)

1 引言

防爆罐是一種被廣泛使用的排爆裝備，將啞彈或可疑爆炸物放入其中就能安全地進行轉(zhuǎn)移以便后續(xù)處置。部隊在進行手雷投擲訓練時一旦出現(xiàn)啞彈，利用傳統(tǒng)的厚鋼板制成的防爆罐進行處置存在結構笨重、運輸使用不便等缺點，不能很好適應部隊機動作戰(zhàn)需求。因此需要一種輕型的簡易手雷防爆罐以便更好地保障部隊訓練。

由于手雷爆炸存在破片和沖擊波2種殺傷方式，目前防爆罐的輕型化和小型化主要從防護破片和沖擊波等2個方面的材料上著手，對此國內(nèi)外學者做了廣泛研究。對于破片，防護材料分為硬體和軟體2種，硬體以陶瓷基材料為代表，焦志剛等研究了其抗侵徹方面的性能，軟體以各種高性能纖維為代表；王勇等綜述了國外抗彈纖維及其復合材料的研究進展，對于爆炸產(chǎn)生的沖擊波，防護材料以多孔泡沫材料最常用；宋彬等研究了聚脲彈性體夾層防爆罐抗爆性能；王志華等研究了泡沫金屬的緩沖吸能作用。目前結合軟硬防護材料的復合防護是目前研究的熱門，任春雨等研究了復合防護結構抗高速破片侵徹性能；苗成等研究了復合結構抗爆轟性能，結果表明在兼顧重量和防護性能的情況下使用復合結構優(yōu)于傳統(tǒng)單一結構。

本文設計一種以凱夫拉纖維和泡沫鋁夾層復合結構的小型防爆罐，利用AUTODYN軟件對其在82—2式手雷爆炸后的沖擊波和破片的防護性能進行仿真計算，分析防爆罐在手雷沖擊波和破片侵徹等2種不同破壞作用下的動力響應和緩沖吸能情況，研究該種復合防護設計的可行性。

2 幾何模型和參數(shù)

2.1 幾何尺寸

該防爆罐整體外形由球殼—圓柱—球殼組合而成，球殼半徑300 mm，圓柱高和半徑均為300 mm，防爆蓋與罐體用U型鋼套連接，外有4個支腳。防爆罐防護層厚度為12 mm，由內(nèi)到外依次為凱夫拉纖維、內(nèi)鋼層、泡沫鋁、外鋼層。其中凱夫拉纖維2 mm，泡沫鋁厚度為8 mm，內(nèi)外鋼層厚度均為1 mm，建立的手雷防爆罐幾何模型如圖1所示。

圖1 防爆罐模型示意圖

82—2式手雷形狀為卵形，建模時進行簡化處理，內(nèi)部裝藥設置為半長徑28.5 mm、半短徑17.5 mm的橢球體，藥量為60 g TNT。殺傷破片等效為邊長2.42 mm的鋼質(zhì)立方體，總重163 g，數(shù)量約為1 500顆。 82—2式手雷幾何模型如圖2所示。

2.2 材料模型及參數(shù)

炸藥選取TNT炸藥，爆轟產(chǎn)物膨脹做功過程使用JWL狀態(tài)方程。鋼材部分選擇4340鋼，狀態(tài)方程采用Linear方程。凱夫拉纖維狀態(tài)方程采用Ortho方程，本構模型采用Orthotropic模型。泡沫鋁狀態(tài)方程采用Linear方程，本構模型采用Crushable Foam模型，應力應變曲線見圖3。材料參數(shù)如表1～表4所示。

圖2 82—2式手雷幾何模型示意圖

圖3 泡沫鋁壓力應變曲線

表1 TNT的材料參數(shù)Table 1 Material parameters of TNT

表2 4340鋼的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of 4340 steel

表3 凱夫拉纖維的材料參數(shù)Table 3 Material parameters of kevlar fiber

表4 泡沫鋁的材料參數(shù)Table 4 Material parameters of aluminum foams

3 仿真計算及結果分析

考慮到手雷爆炸沖擊波與破片在破壞作用原理上存在不同，本文在仿真計算獨立開來進行模擬仿真，以減少計算量，因為沖擊波先與防爆罐發(fā)生作用，所以先從抗沖擊波能力開始分析。

3.1 防爆罐抗沖擊波分析

對于手雷爆炸產(chǎn)生的沖擊波，采用對稱模型進行仿真，防爆罐單元為拉格朗日類型，網(wǎng)格尺寸為1 mm，炸藥與空氣單元為歐拉類型，網(wǎng)格尺寸為2 mm，所有單元為六面實體單元，耦合設定為流-固耦合，邊界條件為自由邊界，大氣參數(shù)為標準參數(shù)，起爆方式為中心點起爆，整個仿真時間為1 ms。防爆罐二維模型與內(nèi)表面測量點超壓情況如圖4所示，爆炸沖擊波與防爆罐作用過程如圖5所示。

圖4 防爆罐二維模型與內(nèi)表面測量點超壓曲線

圖5 爆炸沖擊波與防爆罐作用過程云圖

圖4是在頂端、連接處、側(cè)壁內(nèi)表面典型設置的氣體超壓測量點及其測量結果，結合圖5爆炸沖擊波與防爆罐作用過程，可以看出沖擊波最先傳播到側(cè)壁中央，在120 μs出現(xiàn)峰值為11 MPa，根據(jù)球形裝藥空氣中爆炸沖擊波超壓的亨力奇公式，等質(zhì)量TNT球體爆炸在側(cè)壁產(chǎn)生的超壓計算結果為12 MPa，與仿真相差8.3%，考慮到仿真裝藥為橢球體而非球體，半短徑方向的超壓偏小，所以仿真與計算的誤差在可接受范圍內(nèi)；在150 μs左右沖擊波到達連接處，超壓峰值為6 MPa；450 μs左右沖擊波到達頂端，由于其在內(nèi)壁反射、匯聚，使頂端內(nèi)壁承受的超壓階躍上升，超壓峰值最大為32 MPa，峰值超壓是側(cè)壁超壓的3倍左右，說明上下端蓋中心部位是該型防爆罐強度設計關注的重點。之后的壓力波陣面不再清晰，反射情況更為復雜，壓力也急劇下降，不足以破壞罐體。

圖6反映了防爆罐計算結束時狀態(tài)，其頂端是承受沖擊載荷最為危險的部位，可以看出部分泡沫鋁發(fā)生明顯的破壞失效，但外鋼層沒有出現(xiàn)塑性形變，只出現(xiàn)一定的彈性形變，說明爆炸作用產(chǎn)生的最大等效應力仍小于外殼的彈性極限。因此，根據(jù)數(shù)值仿真結果，防爆罐整體結構不會在手雷60 g TNT裝藥的中心爆炸下被破壞。

圖6 計算結束時防爆罐狀態(tài)圖

圖7是防爆罐材料吸能時程曲線，爆炸沖擊波能量先以應力波形式傳入各層，隨后各層之間以彈塑性波的形式傳播，表現(xiàn)為吸能曲線呈波動上升趨勢。400 μs左右沖擊波在頂端匯聚，內(nèi)外鋼層吸能迅速增多，600 μs左右內(nèi)鋼層吸能上升到極點，外鋼層繼續(xù)吸能，750 μs左右外鋼層吸收的能量達到最大15.7 kJ，占此時總吸能的49%，隨后泡沫鋁通過塑變、失穩(wěn)、坍塌、破裂等形式耗散和吸收能量，仿真結束時外鋼層的吸能下降到9.3 kJ，占總吸能的34%，泡沫鋁起到了緩沖的作用。

圖7 防爆罐材料吸能時程曲線

3.2 防爆罐抗破片侵徹分析

對于手雷爆炸產(chǎn)生的破片，建立防爆罐和手雷1/8三維模型并進行仿真，如圖8所示，模型單元均為拉格朗日類型的六面實體單元，手雷網(wǎng)格劃分見圖2，防爆罐網(wǎng)格劃分厚度為1 mm、邊長5 mm，并將受到?jīng)_擊波沖擊作用后防爆罐各層的結構單元映射到該模型中。手雷設置為中心起爆，在起爆后30 μs，破片已完成加載驅(qū)動，為簡化計算，刪除炸藥模型，破片以加載后的初速自由飛行，整個仿真時間為550 μs。

圖8 防爆罐和手雷數(shù)值仿真模型示意圖

破片的加載及飛行過程如圖9所示，整個過程分為3個階段：第1階段0～30μs為加載階段，破片在TNT爆炸的沖擊下，總動能迅速上升到11.27kJ，平均速度1 051 m/s，總內(nèi)能上升到5.07 kJ；根據(jù)預制破片戰(zhàn)斗部破片初速的Gurney能量法計算手雷破片初速度為1 026 m/s，兩者誤差為2.4%，在可接受范圍內(nèi)；第2階段30～230 μs為飛行階段，破片在防爆罐內(nèi)自由飛行，破片內(nèi)能和動能基本保持不變，只有在刪除炸藥模型后的短時間內(nèi)出現(xiàn)一點波動；第3階段230 μs以后為侵徹階段，破片相繼與防爆罐殼壁接觸，在侵徹過程中動能被迅速消耗，仿真結束時，破片總動能只剩下0.42 kJ，占最大動能的3.7%，內(nèi)能上升到7.98 kJ，損失的動能有26.8%轉(zhuǎn)化成了破片的內(nèi)能。

圖9 破片動能和內(nèi)能時程曲線

圖10為防爆罐各層結構仿真結束狀態(tài)，從左至右依次為凱夫拉纖維、內(nèi)鋼層、泡沫鋁、外鋼層。凱夫拉纖維和泡沫鋁在防爆罐圓柱側(cè)壁上出現(xiàn)明顯失效，頂端沒有出現(xiàn)明顯失效；內(nèi)鋼層側(cè)壁上圓柱部分出現(xiàn)較為明顯的塑性形變，泡沫鋁層在圓柱部分出現(xiàn)明顯的失效，外鋼層基本保持完好，只有局部的彈性形變，因此可以認為防爆罐有效防護了手雷爆炸時的破片。

圖10 防爆罐各層仿真結束狀態(tài)

圖11給出了防爆罐各層對破片的吸能情況。從圖11中可以看出，凱夫拉纖維吸能最多，加上其因為失效而刪除的單元部分共吸收了7.22 kJ，占破片動能損失的66.5%；內(nèi)鋼層約吸收了0.56 kJ的破片動能，占破片動能損失的5.2%；泡沫鋁吸能約0.13 kJ，占破片動能損失的1.2%；外鋼層僅吸收了0.03 kJ。說明破片很難能對凱夫拉纖維層、內(nèi)鋼層和泡沫鋁層三層防護之后的外鋼層產(chǎn)生有效破壞作用。

圖11 防爆罐材料吸能時程曲線

綜上可知破片從自由飛行階段到仿真結束共損失了96.3%的動能，其中損失動能的98.5%在破片侵徹纖維層和內(nèi)鋼層過程中被耗散了，分別被纖維層與內(nèi)鋼層吸收和轉(zhuǎn)化成了破片內(nèi)能，凱夫拉纖維和4340鋼起到了很好的復合防護效果。

4 結論

本文設計一種用于處置82—2式手雷的簡易輕型防爆罐，對防爆罐抗手雷爆炸時的沖擊波和破片的防護能力進行數(shù)值仿真分析，結果表明：

1) 防爆罐在受到手雷爆炸產(chǎn)生的沖擊波作用下，泡沫鋁層明顯失效，其他各層結構大體完整，說明各層結構吸能，能夠有效抵擋手雷爆炸時的沖擊波作用。

2) 防爆罐殼壁內(nèi)部三層結構材料對手雷爆炸時總破片動能的耗散率達到了96.3%，可對手雷爆炸的破片起到很好的防護作用。