弹体侵彻混凝土过程中炸药动态响应数值模拟

弹体侵彻混凝土过程中炸药动态响应数值模拟
贾宪振;李媛媛;郭洪卫;王建灵;高立龙
【摘要】采用动力学计算程序AUTODYN对弹体侵彻混凝土过程进行了数值模拟.重点分析了弹体内部炸药所受压力的变化规律及装药与壳体之间的相互作用.数值模拟结果表明:弹体在侵彻过程中,装药前端主要受压缩作用,导致弹体前端的炸药产生明显的塑性应变.弹体尾部装药受到拉伸和压缩作用,并且装药和壳体尾部之间发生强烈碰撞,装药遭受明显的冲击作用.根据计算结果,侵彻型弹药设计应重点防护装药前端和尾部.%The process that a loaded projectile penetrated into a concrete target was simulated by using hydro-dynamic code AUTODYN. The study emphasis focused on the pressure imposed on the explosive charge and the interaction between the explosive charge and the projectile shell. Calculated results show that: the fore of the explosive charge mainly endures compressed effect which induces to plastic damage, and the tail of the explosive charge endures both compressed effect and tensile effect, as well as it is impacted by the tail shell which leads to strongly shock effect on the tail of explosive charge during the projectile penetration. According to our investigation, both the fore and the tail of the explosive charge need to be protected in the projectiles are used to penetration.【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)011
【总页数】4页(P2528-2531)
【关键词】爆炸力学;炸药;侵彻;动态响应;数值模拟
【作者】贾宪振;李媛媛;郭洪卫;王建灵;高立龙
【作者单位】西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西安近代化学研究所,西安710065;西
安近代化学研究所,西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】O389;TJ55
侵彻内爆型弹药可用于打击地下深层工事、混凝土/钢筋混凝土结构工事等军事目
标［1，2］。

由于该类武器的特殊作用目标(硬目标)和特殊使用环境(高应变速率、高过载)，所以其战斗部装药必须具备较高的抗过载能力，以保证弹药在侵彻过程
中保持安定［3］。

因此，研究弹体侵彻过程中炸药的动态响应，对于侵彻内爆型弹药的研究有重要意义。

目前可以用来评估炸药在高应变率条件下动态响应特性的试验手段有Hopkinson
压杆、Steven试验和 Susan 试验等［4—6］，这些试验存在费用高、周期长、
危险性大、加载的稳定性有待提高等问题。

同时，试验方法难以获取动态过程中装药内部的应力、应变、压力、速度、位移等细节信息。

数值模拟作为一种有效的手段，可以弥补试验方法的不足，获取大量的细节信息。

鉴于目前采用数值模拟方法研究弹体侵彻过程中装药安全性的报道还很少，本文采用AUTODYN程序对弹体
在侵彻混凝土靶板过程中炸药装药的动态响应进行了数值模拟，分析了炸药在侵彻过程中可能发生点火的部位，为侵彻内爆型弹药的设计提供参考。

1 计算模型
由于保密原因，本文未将真实的战斗部作为研究对象，而是设计了一个原理性的战斗部侵彻混凝土计算模型，如图1所示。

战斗部壳体直径为10 cm，总长度为24.6 cm，壳体材料为高强度合金钢Steel S—7(美国牌号)，装药为铸装B炸药，装药形状为圆柱形，直径为8 cm，长度为15 cm，混凝土靶板也为圆柱形，直径0.4 m，厚度为20 cm。

战斗部以800 m/s的速度从靶板中心处垂直侵彻。

图1 计算模型图
在装药中轴线上等间距地选取3个观测点，如图2，观测点1位于装药前端面，观测点3位于装药后端面。

在弹体尾部壳体内壁选取观测点4，观测点4和观测点3在弹体静止时相互接触。

图2 观测点位置图
计算中认为装药为各向同性材料，装药的强度采用Von-Mises准则描述，装药的动态屈服应力为200 MPa。

采用Lee-Tarver三项式点火增长模型描述炸药在冲击作用下是否发生点火和爆轰，即:
式(1)中，F 是反应率，I，G1，G2，a，b，c，d，e，f，x，y，z均为Lee-Tarver三项式点火增长模型参数。

未爆炸药和已爆炸药的状态方程均采用JWL方程，即:
式(2)中，e为初始比内能，A，B，R1，R2和ω均为JWL状态方程参数。

2 计算结果与讨论
图3给出了装药中轴线上的1、2、3这三个观测点的压力时程曲线。

可见装药受到的压力在10-1 GPa量级上。

观测点1处压力波峰值和频率均较高，造成这种波形的原因在于弹体侵彻靶板时首先受到靶板的阻挡，导致弹体壳体内产生压缩应力波，当混凝土被压垮时发生压力卸载，又在壳体内产生稀疏波，随着战斗部侵彻深
度的增加，上述过程反复出现，从而形成压缩波和卸载稀疏波反复出现的震荡型压力历程曲线。

从压力的数值上来看，观测点1处的压力值基本都为正值，这说明装药前端主要
受压缩作用，几乎不受拉伸作用。

图3 观测点1和2的压力时程曲线
图4为观测点3处亦即装药底端面的压力时程曲线。

对比图3和图4，可以看出
装药底端面所受压力与装药前端面和装药中部所受压力显著不同，表现为在前期所受的压力较低，多个压力峰值小于零，说明装药受到明显的拉伸作用。

但是在
180 μs时刻压力曲线出现明显的突跃，压力峰值甚至高于装药前端面的最大压力，之后压力值迅速下降，压力峰值在正值和负值之间震荡，说明装药又受到反复的拉伸和压缩作用。

图4 观测点3的压力时程曲线
为了分析图4中压力曲线出现明显突跃的原因，读取了战斗部侵彻过程的压力云图，见图5。

从图5上可以清晰地看出，侵彻过程中战斗部底端与装药之间出现了明显的空隙，当空隙消失时战斗部底端壳体与装药发生强烈碰撞，在壳体和装药中形成了很高的压力。

图6是观测点3和4的相对速度曲线。

由图6可知，两个观
测点处的相对速度最高可达120 m/s，该速度就是装药与壳体底面碰撞的速度，
也正是由于如此高的撞击速度导致观测点3处的压力出现突跃式升高。

由于弹体
尾部壳体厚度较小，所以这种碰撞作用与飞片对装药的撞击作用相似，特点是冲击压力高，但持续时间比较短暂。

图5 侵彻过程的压力云图
图6 观测点3和4的相对速度曲线
图7给出了装药和壳体之间空隙的变化曲线，最大空隙约为2 mm。

空隙出现最
大值之后便迅速减小，装药与壳体底面发生剧烈碰撞。

出现空隙的原因在于装药的
体积模量远小于壳体的体积模量，导致二者在受力时的变形不同，受压时装药的变形比壳体大，从而造成空隙的出现。

当受到拉伸作用时装药的变形也比壳体的大，从而造成空隙消失并与壳体发生碰撞。

图7 观测点3和4的相对位移(空隙)曲线
图8是计算得到的装药横截面上的等效塑性应变分布图，在本算例中的药柱强度按照Von-Mises强度准则进行分析，当材料某点处的等效应力大于该值时，即发生等效塑性应变，等效塑性应变反映了材料受到压缩作用的大小。

从图8可以看出等效塑性应变主要分布在药柱的前端，以前端面中心处附近为最大，这也进一步验证了装药前端主要受到压缩作用。

由于装药中后端受到的压缩作用较小，所以药柱中后端的等效塑性应变比前端明显减少。

在装药尾部中心处有明显的塑性应变，这主要是由于装药与壳体尾部的碰撞作用。

根据上述计算结果可知:在弹体垂直侵彻混凝土过程中，弹体前端的装药主要受冲击压缩作用，塑性损伤比较明显，弹体尾部装药所受载荷较为复杂，既有反复的拉伸和压缩作用，也有弹体尾部壳体的撞击作用。

文献［7］的弹体侵彻试验表明:弹体内装药的损伤主要位于装药前端和尾部，前端密度增大，表明受到压缩作用，后端密度有所减小，表明受到拉伸作用。

因此，本文的仿真结果与文献［7］基本吻合。

3 结论
图8 药柱横截面上的等效塑性应变分布
本文基于AUTODYN程序计算了弹体侵彻过程中内部装药的动态响应，计算结果能够合理预估弹体侵彻过程中炸药的动态响应，为侵彻类战斗部的弹药设计提供参考。

根据研究结果，得到以下主要结论:
1)本文采用的计算模型和计算方法可以用于研究弹体侵彻过程中的炸药装药的动态响应;
2)弹体在侵彻过程中，弹体前端装药主要受到高幅值的冲击压缩作用。

在这种压缩作用下，炸药即使不点火，也会出现压缩塑性应变损伤，导致点火阈值降低;
3)弹体尾部装药则受到拉伸和压缩的反复作用，而且弹体尾部壳体和装药之间会出现强烈碰撞，导致尾部装药的压力陡升，这种碰撞是导致炸药意外点火的重要因素;
4)对于侵彻型弹药来说，装药前端和尾部是容易损伤的部位，由于损伤会使炸药的点火阈值降低［8］，所以装药前段和尾部是容易发生点火的部位，因此需要在弹体的设计中加强这两处的防护设计。

参考文献
【相关文献】
1 Erengil M E，CargiIe D J.Advanced projectile concept for high speed penetration of concrete targets.The 20th Interna-tional symposium on Ballistics.Florida:National Defen-se Industrial Association，2002
2 Levi N A.Fire in the hole:nuclear and non-nuclear options for counter-
proliferation.Garnegie Endowment for International Peace，2002;(31):
3 Chen X W，Fan S C，Li Q M.Oblique and normal pene-tration/perforation of concrete target by rigid projectiles.International Journal of Impact Engineering，2004;30(6):617—637
4 王礼立.应力波基础.北京:国防工业出版社，2005
5 Hoschl C，Okrouhlik M，Cerv J.Analytical computa-tional and experimental investigation on stress wave propagation.Appl Mech Rev，1994;47(2):77—99
6 Field J E，walley S M，Proud W G.Review of experi-mental techniques for high rate deformation and shock studies.International Journal of Impact Engineering，
2004;30:725—775
7 陈文，张庆明，胡晓东，等.侵彻过程冲击载荷对装药损伤实验研究.含能材料，
2009;17(3):321—324
8 陈鹏万，黄风雷.含能材料损伤理论及应用.北京:北京理工大学出版社，2006。