不同撞擊速度下壓裝炸藥損傷規(guī)律研究

周忠彬,呂永柱,張 博,張萌昭,高金霞

(西安近代化學(xué)研究所, 西安 710065)

0 引言

對(duì)導(dǎo)彈武器末端打擊可靠性的作戰(zhàn)需求在不斷提高,提升其末端速度以增強(qiáng)突防能力已成為常用手段。對(duì)侵徹類戰(zhàn)斗部,打擊速度逐漸提高,裝藥經(jīng)歷的撞擊過(guò)載環(huán)境變得更加苛刻,高沖擊過(guò)載作用下容易產(chǎn)生損傷并發(fā)生點(diǎn)火現(xiàn)象,導(dǎo)致早燃或早炸[1-4]。因此,研究不同撞擊速度下炸藥裝藥的損傷規(guī)律及破壞形式對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化壓裝炸藥成型工藝和裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)裝藥損傷的公開報(bào)道較多,采用材料試驗(yàn)機(jī)、落錘等裝置復(fù)合加載作用于裝藥,載荷作用越強(qiáng)烈,損傷越嚴(yán)重,沖擊感度增大[5],結(jié)合霍普金森壓桿對(duì)裝藥進(jìn)行兩次脈沖加載,裝藥的破壞形式相比較單次脈沖加載發(fā)生明顯改變[6]。聶少云等[7]設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置,可模擬裝藥在侵徹多層靶過(guò)程中的受力特性,發(fā)現(xiàn)多次沖擊下裝藥表面出現(xiàn)明顯裂紋和破碎,但未發(fā)生點(diǎn)火。呂鵬博等[8]模擬了不同攻角下裝填含損傷裝藥的戰(zhàn)斗部穿甲過(guò)程,穿單層靶時(shí)攻角增大,裝藥缺陷對(duì)安定性的影響顯著。 成麗蓉等[9-10]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時(shí)裝藥損傷情況,發(fā)現(xiàn)頭部及尾部易產(chǎn)生熱點(diǎn)。上述研究大多是在撞擊速度不大于2.5馬赫條件下對(duì)裝藥受力及損傷發(fā)展情況進(jìn)行的,對(duì)大于此速度下裝藥的受力特性研究還未見報(bào)道。

為研究超高撞擊速度下壓裝裝藥損傷規(guī)律及破壞形式,本文中設(shè)計(jì)了一種縮比彈,開展了彈體超高速打擊單層鋼板的實(shí)驗(yàn)研究,并結(jié)合數(shù)值仿真分析單次高脈沖載荷作用下裝藥損傷規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)彈體設(shè)計(jì)

圖1為縮比彈體結(jié)構(gòu),主要由殼體、惰性裝藥和閉氣裝置等組成。彈體采用卵形頭部和圓柱直段組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),頭部至圓柱段設(shè)計(jì)變壁厚,頂端最厚處為3倍壁厚。殼體質(zhì)量為7.59 kg,惰性裝藥質(zhì)量為2.95 kg,裝填系數(shù)為0.28,長(zhǎng)徑比為2.8。后蓋通過(guò)螺紋與殼體尾端連接,通過(guò)螺釘將閉氣環(huán)、壓環(huán)與后蓋連接,以保證彈體在炮膛內(nèi)受力均勻。殼體均為鈦合金,閉氣環(huán)為尼龍。實(shí)驗(yàn)彈體數(shù)量為2發(fā),編號(hào)為1#和2#。

1-殼體;2-后蓋;3-閉氣環(huán);4-壓環(huán);5-螺釘

1.2 裝藥設(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1.86 g/cm3,其密度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能與真實(shí)炸藥基本保持一致。依據(jù)試驗(yàn)彈殼體內(nèi)腔,藥柱分為3節(jié),其中兩節(jié)藥柱為圓柱形,一節(jié)藥柱為錐形。錐形藥柱頂端直徑86 mm、底端直徑35 mm,高度65 mm,圓柱形藥柱直徑為86 mm,高度 55 mm。藥柱外徑與殼體內(nèi)徑之間間隙0.6 mm。

結(jié)合藥柱設(shè)計(jì)了防護(hù)結(jié)構(gòu),在錐形藥柱與殼體內(nèi)腔頂端之間設(shè)計(jì)惰性體,厚度10 mm,藥柱與殼體內(nèi)壁之間的間隙采用硅橡膠填充,冷卻后凝固避免裝藥在殼體內(nèi)震蕩。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)發(fā)射裝置為125 mm口徑的滑膛炮,鋼板厚度14 mm,材料為船用鋼,屈服強(qiáng)度不小于600 MPa。考慮鋼板的長(zhǎng)度和寬度設(shè)計(jì)按照邊側(cè)反射波不影響穿靶過(guò)程,取彈體直徑的10倍以上,鋼板板面尺寸為1 500 mm×2 000 mm。設(shè)計(jì)靶架固定鋼板,確保鋼板與水平地面夾角為55°。依據(jù)實(shí)驗(yàn)彈質(zhì)量,火炮發(fā)射后彈體飛行速度可達(dá)到850～1 100 m/s。該條件下研究不同撞擊速度下壓裝炸藥的損傷演化規(guī)律。先利用1#彈體進(jìn)行超高速下侵徹鋼板實(shí)驗(yàn),根據(jù)1#彈體實(shí)際侵徹速度,指導(dǎo)2#彈體速度的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)兩次速度有較大的差異,以滿足研究需求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 侵徹鋼板實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1#和2#實(shí)驗(yàn)彈分別以速度1 065 m/s和874 m/s斜侵徹14 mm厚鋼板,穿靶后回收彈體及靶板破壞結(jié)果分別如圖2和圖3所示。1 065 m/s速度下,1#實(shí)驗(yàn)彈以-2°的低頭姿態(tài)撞擊鋼靶,回收彈體如圖2所示。沿軸向斷裂成2部分,觀察斷面形貌,從殼體的外表面朝向內(nèi)腔表面的方向,斷面基本呈45°角,這表明該發(fā)實(shí)驗(yàn)彈在超高速斜撞擊鋼靶過(guò)程中殼體發(fā)生剪切破壞。進(jìn)一步觀察彈體頭部圓弧段,可看到多條裂紋,由于前定心環(huán)起到了局部加強(qiáng)作用,裂紋擴(kuò)展至前定心環(huán)根部終止,彈體頭部頂端破壞嚴(yán)重。在1#實(shí)驗(yàn)彈侵徹鋼靶結(jié)果的基礎(chǔ)上,調(diào)整2#實(shí)驗(yàn)彈的撞擊速度,以874 m/s速度、-1°的低頭姿態(tài)侵徹14 mm厚鋼板,彈體穿透鋼板后完整回收,如圖3所示。僅彈體頭部頂端出現(xiàn)輕度侵蝕現(xiàn)象。試驗(yàn)后觀察鋼板破壞形式,均為花瓣型破壞,穿孔崩落面積大于彈體橫截面面積,其余為花瓣型翹口。

圖2 回收的1#實(shí)驗(yàn)彈及靶板穿孔

圖3 回收的2#實(shí)驗(yàn)彈及靶板穿孔

2.2 侵徹過(guò)程中裝藥力學(xué)響應(yīng)分析

結(jié)合數(shù)值仿真,對(duì)不同撞擊速度下彈體內(nèi)部裝藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型由殼體、惰性體、惰性炸藥、鋼板等組成。考慮到模型的對(duì)稱性,建立實(shí)驗(yàn)彈侵徹鋼板的1/2模型,如圖4所示。彈體與靶板采用面-面侵蝕接觸,所有單元均為8節(jié)點(diǎn)solid64實(shí)體單元,模型采用Langrange算法,單位為cm-g-μs。

圖4 彈體侵徹鋼靶計(jì)算模型示意圖

實(shí)驗(yàn)彈殼體、惰性體、惰性炸藥和鋼板均采用Johnson-Cook模型,主要參數(shù)如表1所示[11]。

表1 殼體與鋼靶板材料Johnson-Cook模型主要參數(shù)

戰(zhàn)斗部分別以874、1 065 m/s的速度、35°著角和0°攻角侵徹單層鋼板過(guò)程中典型時(shí)刻下裝藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)特性仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。結(jié)果表明:侵徹過(guò)程中裝藥頭部承受的沖擊載荷較大,局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。隨著侵徹歷程的增大,應(yīng)力波傳至尾部,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。且隨著彈體不斷穿透鋼板,殼體上部受到靶板擠壓作用明顯,產(chǎn)生較顯著的偏轉(zhuǎn)力矩形成受力不均的現(xiàn)象,此時(shí)裝藥上部受到較明顯的壓應(yīng)力作用。該受力特性持續(xù)至彈體出靶,對(duì)裝藥產(chǎn)生持續(xù)性損傷。

圖5 2#彈體斜侵徹鋼板不同時(shí)刻炸藥裝藥應(yīng)力云圖

圖6 1#彈體斜侵徹鋼板不同時(shí)刻炸藥裝藥應(yīng)力云圖

2.3 裝藥損傷分析

應(yīng)用工業(yè)CT對(duì)回收的1#和2#試驗(yàn)彈內(nèi)部裝藥的損傷進(jìn)行檢測(cè)分析,包括DR(digital radiography)圖像檢測(cè)及橫截面CT圖像檢測(cè),結(jié)果分別如圖7—圖10所示。圖7和圖8分別給出了2#彈體DR檢測(cè)和4個(gè)典型位置橫截面CT檢測(cè)結(jié)果,從圖7結(jié)果可看出,錐形藥柱頂端的惰性體未見異常,且3節(jié)藥柱間的界面縫隙未增大,這表明彈體以874 m/s速度撞擊單層鋼板時(shí),慣性效應(yīng)下裝藥未發(fā)生明顯的壓縮變形。觀察藥柱與殼體內(nèi)壁之間區(qū)域,發(fā)現(xiàn)兩節(jié)圓柱狀藥柱的右側(cè)與殼體內(nèi)壁之間出現(xiàn)顏色較淺區(qū)域,這說(shuō)明圓柱狀藥柱右側(cè)與殼體內(nèi)壁之間的間隙變大,特別是尾端藥柱的右下角(見圖7中紅色標(biāo)識(shí))還存在明顯的顏色較淺區(qū)域,說(shuō)明侵徹鋼板過(guò)程中該藥柱出現(xiàn)了損傷。結(jié)合圖8結(jié)果分析可得,錐形藥柱未產(chǎn)生損傷,圓柱形藥柱在相同位置處(A、B、C中圓形橫截面的第4象限內(nèi))均出現(xiàn)了較明顯的損傷,塌邊現(xiàn)象和多條深度裂紋現(xiàn)象明顯,靠近殼體尾端的藥柱損傷區(qū)域最大,損傷嚴(yán)重。裂紋寬度由邊緣向內(nèi)部逐漸減小,呈分布不勻現(xiàn)象,集中在藥柱的一側(cè)。綜合分析CT檢測(cè)和數(shù)值仿真結(jié)果可知,彈體以低頭姿態(tài)高速侵徹單層鋼板時(shí),殼體及裝藥的上側(cè)相比較下側(cè)受力較苛刻;相比較頭部位置,斜侵徹時(shí)彈體中部、尾部的殼體和裝藥受力更苛刻。

圖7 2#彈體DR檢測(cè)結(jié)果

圖8 2#彈體橫截面CT檢測(cè)

圖9和圖10分別給出了1#彈體DR檢測(cè)和3個(gè)典型位置橫截面CT檢測(cè)結(jié)果。由于彈體撞擊速度高,殼體頭部侵蝕破壞明顯,且殼體發(fā)生沿軸向的劈裂破壞,從圖9結(jié)果可看出,錐形藥柱頂端的惰性體也發(fā)生破裂,裂紋從惰性體一直擴(kuò)展延伸至錐形藥柱內(nèi)部,沿軸向裂紋擴(kuò)展深度約50 mm。觀察尾端藥柱與后蓋之間的界面縫隙,明顯增大(見圖中紅色標(biāo)識(shí)),這表明彈體以1 065 m/s速度撞擊鋼板時(shí),慣性效應(yīng)下裝藥沿軸向發(fā)生明顯的壓縮變形。進(jìn)一步觀察藥柱與殼體內(nèi)壁之間區(qū)域,未見異常,這可能與殼體軸向劈裂破壞及時(shí)釋放應(yīng)力、進(jìn)而減弱徑向上對(duì)裝藥的作用有關(guān)。

圖9 1#彈體DR檢測(cè)結(jié)果

圖10 1#彈體橫截面CT檢測(cè)

結(jié)合圖10結(jié)果分析可得,錐形藥柱嚴(yán)重?fù)p傷,沿徑向多條裂紋貫穿藥柱橫截面,且伴隨著殼體劈裂破壞和變形,藥柱形狀不規(guī)則,在徑向擠壓力作用下加劇了藥柱破裂。相比頭部藥柱,圓柱形藥柱在相同位置均出現(xiàn)明顯破裂,多條深度裂紋沿徑向擴(kuò)展但未貫穿藥柱橫截面,裂紋寬度由邊緣向內(nèi)部逐漸減小,損傷仍呈不對(duì)稱分布現(xiàn)象,這與2#彈體藥柱破裂現(xiàn)象基本一致。綜合分析CT檢測(cè)和數(shù)值仿真結(jié)果可知,彈體在以低頭姿態(tài)超高速斜侵徹單層鋼板時(shí),殼體及裝藥的上側(cè)相比下側(cè)受力苛刻,隨著侵徹速度的顯著提高,殼體及裝藥頭部受力都變得苛刻,此時(shí)進(jìn)一步加劇了裝藥前端的損傷程度。

解剖1#和2#實(shí)驗(yàn)彈,利用掃描電鏡均觀測(cè)A橫截面位置裝藥的斷口形貌,分析裝藥的細(xì)觀破壞機(jī)理。圖11斷口形貌可看到,顆粒斷面比較平整(見圖11(a))圖中箭頭標(biāo)識(shí)),穿晶斷裂是主要破壞模式。在斷面形貌上還觀察到完整的球形炸藥晶體顆粒(圖中紅色方框內(nèi)),顆粒表面光滑,破壞形式為界面脫粘破壞,但這種現(xiàn)象很少。圖12給出了典型的裂紋擴(kuò)展路徑,如圖中箭頭所示,既有裂紋沿著顆粒(圖中顆粒A和B)邊界擴(kuò)展,又有裂紋穿過(guò)顆粒(圖中顆粒C和D)。總體上,顆粒穿晶斷裂是炸藥的主要破壞形式。

圖11 斷口形貌SEM檢測(cè)結(jié)果

圖12 典型裂紋擴(kuò)展路徑

3 結(jié)論

1) 彈體高速度下以一定的低頭攻角和著角侵徹鋼板時(shí),裝藥上側(cè)比下側(cè)受力苛刻,上側(cè)裝藥易出現(xiàn)損傷;隨著侵徹速度的顯著提高,殼體及裝藥頭部受力進(jìn)一步加劇,此時(shí)在惰性體防護(hù)下裝藥頭部受力更加苛刻,增大了損傷程度。

2) 宏觀上觀測(cè)裝藥主要發(fā)生斷裂,形成裂紋損傷;細(xì)觀尺度上觀測(cè),裝藥的主要破壞形式是穿晶斷裂。

3) 彈體不可避免的以一定攻角斜侵徹鋼板,對(duì)于高速及超高速的撞擊速度,應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化裝藥頭部惰性體設(shè)計(jì),避免裝藥頭部出現(xiàn)損傷。另外,也需要加強(qiáng)藥柱(特別是尾端藥柱)側(cè)向防護(hù)。