強(qiáng)爆轟環(huán)境下測試儀器防護(hù)技術(shù)仿真研究＊

聞利群，魯建霞，張同來

（1中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，太原 030051；2北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081）

0 引言

彈載測試儀器是搭載在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)采集和記錄設(shè)備，能實時存儲記錄導(dǎo)彈的飛行試驗數(shù)據(jù)并可靠回收數(shù)據(jù)，為導(dǎo)彈系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)，是產(chǎn)品研制階段主要的測試手段之一［1］。彈體在打擊目標(biāo)的同時，自身的測試儀器也面臨強(qiáng)過載作用［2－3］。目前國內(nèi)外彈載測試儀的發(fā)展只停留在對混凝土靶、鋼靶的侵徹模擬試驗環(huán)節(jié)。真正在強(qiáng)爆轟場中心部位的測試及其生存技術(shù)研究才剛剛起步。文中以某導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)框架為基本模型，采用仿真手段對這一環(huán)境及其防護(hù)技術(shù)做了較為深入的研究，為進(jìn)一步實物仿真下的儀器防護(hù)提供了重要的參考信息。

1 彈載環(huán)境幾何模型

如圖1所示，文中以某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為仿真研究的幾何模型，并作了一定簡化。計算彈體長為3m，彈徑為0.4m，裝藥30kg的TNT。采用ANSYS軟件來進(jìn)行仿真計算。由于模型結(jié)構(gòu)是關(guān)于xoy和yoz平面對稱（y為軸向），因此為減少計算量，建立四分之一模型進(jìn)行計算，在對稱邊界上施加對稱約束。

圖1 彈體與測試裝置模型示意圖

測試儀器材料選擇45號鋼，彈體選用LS－DYNA中能描述金屬材料的加工硬化、應(yīng)變率和溫度軟化效應(yīng)的JOHNSON－COOK模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。國內(nèi)外眾多文獻(xiàn)給出了JOHNSON－COOK模型基本參數(shù)的確定方法。根據(jù)文獻(xiàn)［4］確定彈體GRUNEISEN模型基本參數(shù)如表1。

表1 彈體材料模型參數(shù)

文中采用JWL狀態(tài)方程和MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型來描述炸藥。以典型的TNT炸藥進(jìn)行計算，材料參數(shù)見表2。

表2 TNT炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

2 緩沖材料的選用

爆轟環(huán)境下儀器的防護(hù)主要依賴于緩沖材料的使用。緩沖材料的應(yīng)力 應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)之間的面積越大，則其積蓄或吸收的能量就越大，緩沖效率也就越高。經(jīng)過對多種緩沖材料的比較，本研究選用了泡沫鋁。與其它材料相比，泡沫鋁具有許多優(yōu)點，可通過改變密度調(diào)節(jié)彈性模量，具有較高的抗彎剛度，是一種各向同性的金屬材料，重量輕，具有較高的沖擊能量吸收能力［5］。

泡沫鋁采用 LS－DYNA 中的63號 CRUSHABLE－FOAM［6］材料模型，所出現(xiàn)的物理量量綱為g-cm μs。所以泡沫鋁的材料參數(shù)設(shè)置為：密度ρ＝0.37g／cm3，泊松比ν＝0.3；楊氏模量E＝1.2GPa，拉伸失效截止應(yīng)力Pcut＝10MPa。

3 測試儀器受力情況仿真

3.1 無防護(hù)情況仿真

為了比較爆炸荷載作用下彈體儀器艙內(nèi)的動力響應(yīng)，文中選擇了A、B、C三點進(jìn)行分析，分別位于儀器艙前端、中部、尾部，如圖1所示，C點不帶緩沖防護(hù)材料。

炸藥爆炸后，所產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過一段時間傳播到儀器艙并與測試儀器發(fā)生相互作用，圖2～圖4給出了爆炸沖擊波作用時不同位置儀器艙上的壓力時程曲線，而圖5～圖7給出了加速度曲線。

圖2 A點壓力時程曲線

圖3 B點壓力時程曲線

圖4 C點壓力時程曲線

圖5 A點加速度曲線

圖6 B點加速度曲線

圖7 C點加速度曲線

在爆炸中，裝藥壓力隨著距起爆點不同距離而在不同時間到達(dá)峰值，但作用時間基本相同。從圖2～圖4可以看出，沖擊波首先與距離爆心最近的A點（爆心投影點）相遇并發(fā)生反射，爆炸荷載大都在A點附近，其它部位此時的作用荷載幾乎為零。隨著時間的推遲，應(yīng)力作用范圍逐漸擴(kuò)展，且幅值不斷增大。在100～200μs時A點壓力達(dá)到最大，然后沖擊波向彈壁及儀器艙尾端傳播，并且儀器艙前端A點的應(yīng)力迅速下降，隨之影響相鄰范圍內(nèi)的應(yīng)力分布，在這些區(qū)域形成高壓區(qū)。從圖的壓力時程曲線可以看出：由于沒有任何緩沖，三點的瞬變壓力量級基本變化不大，但能量卻衰減迅速，導(dǎo)致到達(dá)C點時，設(shè)備產(chǎn)生的加速度僅為A點的十分之一。

3.2 全包裹防護(hù)情況仿真

文中從最佳防護(hù)位置考慮，選擇C點增加緩沖防護(hù)材料進(jìn)行仿真。彈體與測試裝置的模型如圖1所示，緩沖材料把設(shè)備全部包裹起來。圖8是C點帶防護(hù)時受到的壓力時程曲線，圖9是C點帶防護(hù)時產(chǎn)生的加速度曲線。

圖8 防護(hù)測試儀器壓力時程曲線

圖9 防護(hù)測試儀器加速度曲線

與圖4、圖7相比可以看出，受緩沖結(jié)構(gòu)影響，加速度曲線的峰值明顯衰減，同時沖擊波在傳播過程中形狀發(fā)生了變化。由于泡沫鋁的塑性形變吸收了大量的能量，C點產(chǎn)生的加速度表現(xiàn)為單向受力，且高頻部分被完全衰減了，低頻幅值僅達(dá)到原來的百分之一。從壓力曲線可以看出，C點原來受到的壓力被衰減為幅度僅為原來二十分之一的隨機(jī)振動。從量值上來分析，經(jīng)過加固處理的測試儀器完全有能力承受，因此，采用全包裹型緩沖結(jié)構(gòu)可以達(dá)到測試儀器防護(hù)目的。

4 結(jié)論

強(qiáng)爆轟場中測試儀器的防護(hù)技術(shù)對真實獲取武器毀傷性能具有重要意義。文中用計算機(jī)模擬方法，以某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為模型，分析了在彈頭爆炸過程中測試儀器在不同安裝位置的受力情況，對比分析了采用泡沫鋁材料作為緩沖材料時對測試儀器動態(tài)響應(yīng)情況的影響。結(jié)果表明，無防護(hù)情況下，儀器艙的測試儀器至少將承受－6E－5～5E－5cm／μs2的加速度和－5.7E－3～5E－3Mbar的壓力量值，這明顯超出一般測試儀器的抗沖擊能力。而采用全包裹方式進(jìn)行防護(hù)時，加速度量值被降低到原來的百分之一，壓力降低到原來的二十分之一。如果采取灌封、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)等措施以后，測試儀器完全可以承受這一量值的沖擊。所以在強(qiáng)爆轟場中，采用全包裹型緩站結(jié)構(gòu)可以達(dá)到測試儀器防護(hù)目的。其數(shù)值仿真結(jié)果對進(jìn)一步的實物仿真中防護(hù)材料的選用和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義。

［1］張文棟.存儲側(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計理論及其應(yīng)用［M］.北京：北京高等教育出版社，2002.

［2］楊平.電子信息設(shè)備抗振動沖擊防護(hù)理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望［J］.中國機(jī)械工程，2002，13（13）：356－359.

［3］楊秀敏.數(shù)值模擬在防護(hù)工程中的作用［C］／／中國土木工程學(xué)會防護(hù)工程分會第九次學(xué)術(shù)年會論文集，2004：616－624.

［4］Meyers M A.Dynamic behavior of materials［M］.New－York：John Wiley ＆Sons，1994.

［5］王永剛，胡時勝，王禮立.爆炸荷載下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2003，23（6）：33－35.

［6］王代華，劉殿書，杜玉蘭，等.泡沫吸能層防護(hù)結(jié)構(gòu)爆炸能量分布的數(shù)值模擬研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（6）：563－566.