30 mm小口徑炮彈發(fā)射時炸藥裝藥應(yīng)變率及過載安全性分析

王小峰，陶 鋼，丁貴鵬，趙愛德，范 強(qiáng)，劉 龍

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094； 2.九江精密測試技術(shù)研究所， 江西 九江 332000； 3.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

30mm小口徑炮彈發(fā)射時炸藥裝藥應(yīng)變率及過載安全性分析

王小峰1，陶 鋼1，丁貴鵬1，趙愛德2，范 強(qiáng)3，劉 龍3

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094； 2.九江精密測試技術(shù)研究所， 江西 九江 332000； 3.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

采用有限元LS-DYNA軟件對30 mm小口徑炮彈發(fā)射過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同時刻彈丸等效應(yīng)變的分布規(guī)律，分別計算了炸藥裝藥應(yīng)力波作用階段和裝藥整體過載作用階段炸藥裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率，討論了不同彈底厚度對炸藥裝藥最大等效應(yīng)變及應(yīng)變率的影響。彈底厚度為3.5 mm、2.5 mm和2 mm時，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率隨時間變化趨勢一致；當(dāng)彈底厚度由3.5 mm減小至2 mm，裝藥最大等效應(yīng)變由4.42%增加到6.23%，最大等效應(yīng)變率由167.64 s-1增加到277.91 s-1；且彈底厚度越薄(特別是彈底厚度減小到2 mm時)，炸藥裝藥加載應(yīng)力越大，炸藥裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率越大。本文采用非均質(zhì)炸藥起爆判據(jù)，當(dāng)彈底厚度為3.5 mm、2.5 mm時，炸藥裝藥發(fā)射安全，當(dāng)彈底厚度減小至2 mm時，炸藥裝藥發(fā)射不安全。

小口徑炮彈；炸藥裝藥；數(shù)值模擬；過載分析；等效應(yīng)變；等效應(yīng)變率；彈底厚度；發(fā)射安全性

彈丸在膛內(nèi)發(fā)射時受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，當(dāng)沖擊載荷超過彈體內(nèi)炸藥的承受能力時，可直接激發(fā)炸藥而導(dǎo)致膛炸[1]。因此，對于炸藥裝藥的發(fā)射過載、沖擊起爆性能分析很有必要。

圖1是某型號30 mm小口徑炮彈，是一種高爆雙用途彈丸炸藥，預(yù)期典型目標(biāo)是打擊輕裝甲車。該彈丸炸藥裝藥是一種PBX炸藥。PBX是高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive)的簡稱，是由主體炸藥(如RDX、HMX、TATB等)和高聚物粘結(jié)劑等組成的固體高能炸藥，它是彈藥的主要裝藥。

圖1 某型號30 mm小口徑炮彈

發(fā)射載荷下，炸藥裝藥是最薄弱的承力環(huán)節(jié)，在外界力-熱環(huán)境下炸藥裝藥的力學(xué)性能決定了炸藥構(gòu)件的易損性和形穩(wěn)性，也影響炸藥的過載安全性和可靠性[2]。為了確保彈藥服役時的安全性，必須研究炸藥裝藥在動態(tài)加載條件下的力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系。張奇[3]根據(jù)裝藥過載的力學(xué)特征，提出了發(fā)射過載的兩個階段，應(yīng)力波作用階段和裝藥整體過載作用階段。在前一階段，炸藥裝藥的應(yīng)變率和變形能是裝藥安全發(fā)射的主要影響因素，后一階段，裝藥的過載應(yīng)力是主要因素。文獻(xiàn)[4]也提出，通過觀測炸藥裝藥在沖擊壓縮作用下炸藥的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力率等力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律以及反應(yīng)程度，從而研究炸藥裝藥在撞擊壓縮狀態(tài)下的安全性及點(diǎn)火機(jī)理。

研究發(fā)現(xiàn)[2-3,5]，炸藥裝藥的動態(tài)力學(xué)性能對應(yīng)變率比較敏感。如Blumenthal[6]通過動態(tài)試驗(霍普金森壓桿)研究了不同應(yīng)變率下(10-3～2 000 s-1)PBXN-110和以HTPB為基的粘結(jié)劑的壓縮性能，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)變率條件下，應(yīng)變率對PBX炸藥的壓縮應(yīng)力峰值影響很大。吳會名[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在高應(yīng)變率條件下，PBX炸藥的彈性模量、壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加呈非線性關(guān)系增加；陳榮[8]研究了一種PBX炸藥試樣在復(fù)雜應(yīng)力動態(tài)加載下的力學(xué)性能，試驗加載涵蓋了從10-4～103s-1的應(yīng)變率范圍，發(fā)現(xiàn)該試樣的壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增加。

本文采用ANSYS/LS-DYNA結(jié)構(gòu)分析非線性有限元軟件對彈丸膛內(nèi)發(fā)射過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同時刻彈丸等效應(yīng)變的分布規(guī)律，分別計算了應(yīng)力波作用階段和裝藥整體過載作用階段炸藥裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率，引入沖擊起爆理論判據(jù)分析了炸藥裝藥發(fā)射過載安全性，為小口徑彈丸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及炸藥裝藥過載安全性分析評估提供了參考。

1 計算模型及參數(shù)

用SolidWorks軟件建立30 mm炮彈三維實體模型，如圖2所示，由模擬引信(內(nèi)部構(gòu)造省略，質(zhì)量與真實引信相同)、彈體(彈底厚度為3.5 mm)、炸藥裝藥、藥型罩4部分組成。

圖2 某型號30 mm小口徑炮彈三維實體模型

將實體模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖3是彈丸網(wǎng)格模型，全部采用六面體網(wǎng)格單元，彈丸各部分內(nèi)共 122 900個節(jié)點(diǎn)。計算的物理模型為軸對稱模型，為了更好地提高計算效率，取模型的1/4進(jìn)行計算。

圖3 彈丸網(wǎng)格模型

再將實體模型轉(zhuǎn)換為有限元模型后，生成k文件并在LS-PREPOST里完成k文件的編輯，利用ANSYS/LS-DYNA3D進(jìn)行求解分析[9-10]。步驟如下[11]：

1) 定義單元類型、材料參數(shù)[7,12-14]和狀態(tài)方程。彈體選用823鋼，藥型罩選用紫銅，均采用JOHNSON_COOK模型和Gruneisen狀態(tài)方程；模擬引信采用彈性材料模型；內(nèi)部裝藥選用PBX-9404炸藥(HMX94%，硝化纖維3%，三氯代乙基磷酸酯3%)，采用分段線性塑性模型。材料的主要參數(shù)如表1、2所示，表中A、B、n、c、m為材料常數(shù)。

表1 彈體、藥型罩材料參數(shù)

表2 引信、炸藥裝藥材料參數(shù)

2) 生成PART，定義接觸，采用Automatic_Surface_to_Surface自動面面接觸，設(shè)置邊界約束條件，使用*BOUDARY_SPC_SET對彈丸軸對稱面進(jìn)行約束；

3) 定義彈底壓縮應(yīng)力—時間曲線。編寫內(nèi)彈道程序，得到該型號30 mm小口徑炮彈彈底壓縮應(yīng)力曲線，如圖4所示，在彈底施加壓力載荷；

4) 設(shè)置求解相關(guān)控制參數(shù)、輸出控制設(shè)定并生成和完善LS-DYNA輸入數(shù)據(jù)文件(關(guān)鍵字文件)；將數(shù)據(jù)輸入文件遞交給LS-DYNA求解器進(jìn)行計算；應(yīng)用LS-DYNA后處理進(jìn)行結(jié)果分析。

圖4 彈底壓縮應(yīng)力隨時間變化曲線

2 數(shù)值計算結(jié)果及分析

2.1 彈丸等效應(yīng)變云圖

用后處理軟件LS-PREPOST分析數(shù)值計算結(jié)果。圖5是彈丸(彈底厚度為3.5 mm)典型時刻等效應(yīng)變(effective strain)云圖。

由圖5可知，彈丸的應(yīng)變主要集中在炸藥裝藥，且隨著裝藥高度的增加而減小，在裝藥尾部區(qū)域變形最大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象。0.2 ms時彈丸最大等效應(yīng)變?yōu)?.30%，隨著彈底壓縮應(yīng)力的增加，彈丸等效應(yīng)變增大，在0.45 ms時刻彈丸等效應(yīng)變達(dá)到最大值4.42%，然后隨著彈底壓縮應(yīng)力降低，彈丸等效應(yīng)變減小。

圖5 彈丸典型時刻等效應(yīng)變云圖

2.2 炸藥裝藥應(yīng)變率分析

炸藥裝藥在0.45 ms時達(dá)到最大應(yīng)變，確定最大應(yīng)變單元為H86936，如圖6所示，作出該單元等效應(yīng)變隨時間變化曲線，對其取一階導(dǎo)數(shù)，可以得到等效應(yīng)變率隨時間變化曲線，如圖7所示(彈底厚度為3.5 mm)。

由圖6可知，炸藥裝藥等效應(yīng)變在0.45 ms時達(dá)到最大值4.42%，然后隨著彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動，等效應(yīng)變緩慢減小，2.1 ms以后炸藥裝藥等效應(yīng)變保持在2.30%左右。

圖6 裝藥等效應(yīng)變-時間曲線

圖7 裝藥等效應(yīng)變率-時間曲線

對比圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)射初始時刻，彈丸受到火藥燃?xì)獾耐苿?，炸藥裝藥接觸彈底以后，在裝藥內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波，應(yīng)力波由底部向頂部傳播，炸藥裝藥應(yīng)變雖然為零，但等效應(yīng)變率非零，達(dá)到65.50 s-1，開始時炸藥裝藥所受應(yīng)力小于其屈服極限，應(yīng)力波為彈性波[15]，即波陣面后方炸藥裝藥發(fā)生彈性變形；0.1 ms時炸藥裝藥等效應(yīng)變增加到0.58%，等效應(yīng)變率降低到39.85 s-1，即在發(fā)射初期0～0.1 ms時間段內(nèi)，炸藥裝藥隨著彈性應(yīng)變的增大越不容易變形；0.1 ms時刻以后，隨著藥筒發(fā)射藥繼續(xù)燃燒，彈底所受壓縮應(yīng)力增大，炸藥裝藥所受應(yīng)力超過其屈服極限，裝藥出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力波不僅有彈性波，還有塑性波，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率急劇增大；0.40 ms時炸藥裝藥等效應(yīng)變率增大到最大，為167.64 s-1，然后降低，而炸藥裝藥等效應(yīng)變繼續(xù)增大；0.45 ms時炸藥裝藥等效應(yīng)變增大到最大，為4.42%，等效應(yīng)變率減小到92.36 s-1，說明在0.40～0.45 ms時間段彈底所受壓縮應(yīng)力繼續(xù)增大，但增速放緩，0.45 ms時彈底所受壓縮應(yīng)力達(dá)到最大。0～0.45 ms時間段即是應(yīng)力波作用階段，在該階段，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率達(dá)到最大，是分析裝藥安全性的主要因素。

0.45 ms時刻以后，彈底所受火藥燃?xì)鈮嚎s應(yīng)力降低，炸藥裝藥處于彈性卸載段，炸藥裝藥等效應(yīng)變減小，等效應(yīng)變率為負(fù)值，其絕對值減小直到趨于零，到2.1 ms時炸藥裝藥等效應(yīng)變減小到2.39%，等效應(yīng)變率增大到-1.06 s-1，總應(yīng)變彈性部分的應(yīng)變得到恢復(fù)，塑性應(yīng)變被保留下來；從2.1～3.1 ms(出炮口)時間段，炸藥裝藥等效應(yīng)變保持在2.30%左右，等效應(yīng)變率接近零。0.45～3.1 ms(出炮口)時間段即是裝藥整體過載作用階段，在該階段，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率不是影響裝藥發(fā)射安全性的主要因素，而應(yīng)力與其作用時間成為主要因素。

分析結(jié)果與文獻(xiàn)[3]提出的發(fā)射過載的兩個階段一致。

2.3 不同彈底厚度對炸藥裝藥應(yīng)變率的影響

前面計算時彈底厚度為3.5 mm，為了得到不同彈底厚度對裝藥應(yīng)變率的影響，基于LS-DYNA軟件模擬彈底厚度為2.5 mm、2 mm時30 mm小口徑彈丸膛內(nèi)發(fā)射過程，除彈底厚度外，其余參數(shù)保持不變。

不同彈底厚度時炸藥裝藥最大應(yīng)力單元號分別為H86936(彈底厚度3.5 mm)、H487382(彈底厚度2.5 mm)與H529115(彈底厚度2 mm)，運(yùn)用后處理軟件LS-PREPOST及作圖軟件作出不同彈底厚度時炸藥裝藥最大應(yīng)力單元等效應(yīng)力—時間曲線，如圖8所示。

圖8 不同彈底厚度時裝藥等效應(yīng)力-時間曲線

由圖8可知，隨著彈底厚度由3.5 mm減小至2 mm，炸藥裝藥最大等效應(yīng)力增大，彈底厚度為3.5 mm時，炸藥裝藥最大等效應(yīng)力為78.34 MPa，同理2.5 mm時裝藥最大等效應(yīng)力為85.21 MPa，2 mm時裝藥最大等效應(yīng)力為107.40 MPa。從發(fā)射初始時刻到最大應(yīng)力時刻的時間段都相同(0～0.45 ms)，說明彈底厚度越薄(特別是彈底厚度減小到2 mm時)，炸藥裝藥加載應(yīng)力率越大。

如圖9所示，作出最大應(yīng)力時刻(0.45 ms)不同彈底厚度時炸藥裝藥等效應(yīng)變(effective strain)云圖。

圖9 不同彈底厚度時(左→右，3.5 mm、2.5 mm、2 mm) 裝藥等效應(yīng)變云圖(單位 Mbar)

由圖9可知，在最大應(yīng)力時刻(0.45 ms)，隨著彈底厚度減小，炸藥裝藥最大等效應(yīng)變增大，由4.42%(彈底厚度3.5 mm)增大到4.85%(彈底厚度2.5 mm)，再繼續(xù)增大到6.23%(彈底厚度2 mm)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在彈底厚度由2.5 mm減小至2 mm的過程中，最大等效應(yīng)變增長較快。

根據(jù)等效應(yīng)變云圖，確定最大應(yīng)變單元，單元號為H487382(彈底厚度2.5 mm)與H529115(彈底厚度2 mm)，如圖10所示，作出等效應(yīng)變—時間曲線，然后求一階導(dǎo)數(shù)得到等效應(yīng)變率—時間曲線，如圖11所示。

圖10 不同彈底厚度時裝藥等效應(yīng)變—時間曲線

由圖10可知，當(dāng)彈底厚度減小至2.5 mm、2 mm，炸藥裝藥等效應(yīng)變隨時間變化趨勢與彈底厚度為3.5 mm時一致。從2.1～3.1 ms(出炮口)時間段，彈底厚度為2 mm時，炸藥裝藥最大應(yīng)變單元的等效應(yīng)變保持在4.20%左右，彈底厚度為2.5 mm時，該值保持在3.00%左右。在彈底厚度從3.5 mm減小至2.5 mm的過程中，炸藥裝藥等效應(yīng)變增長較慢，彈底厚度從2.5 mm減小至2 mm的過程中，等效應(yīng)變增長較快。

圖11與圖7相比較可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈底厚度減小至2.5 mm、2 mm，炸藥裝藥等效應(yīng)變率隨時間變化趨勢與彈底厚度為3.5 mm時一致。發(fā)射初始時刻，彈底厚度為2.5 mm時，炸藥裝藥最大應(yīng)變單元的等效應(yīng)變率為73.77 s-1，彈底厚度為2 mm時該值85.91s-1；0.1 ms時，炸藥裝藥等效應(yīng)變率分別降低到50.60 s-1(彈底厚度2.5 mm)、45.91s-1(彈底厚度2 mm)，炸藥裝藥等效應(yīng)變分別增大到0.66%(彈底厚度2.5 mm)、0.69%(彈底厚度2 mm)，這與彈底厚度為3.5 mm時，炸藥裝藥初始時刻的等效應(yīng)變率65.50 s-1和0.1 ms時的等效應(yīng)變率39.85 s-1、等效應(yīng)變0.58%數(shù)值大小相近。說明在彈丸發(fā)射的0～0.1 ms時間段，不同彈底厚度對應(yīng)的炸藥裝藥發(fā)生彈性變形時，裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率沒有發(fā)生太大變化。

彈底厚度為2.5 mm時，最大應(yīng)變單元(H487382)在0.35 ms時刻應(yīng)變率達(dá)到最大，為201.51 s-1；彈底厚度為2 mm時，最大應(yīng)變單元(H529115)在0.35 ms時刻應(yīng)變率達(dá)到最大，為277.91 s-1。彈底厚度減小時，炸藥裝藥最大應(yīng)變單元的最大等效應(yīng)變率增加，且在彈底厚度由2.5 mm減小至2 mm的過程中，應(yīng)變率增長較快。從圖8可知，彈底厚度減小時，炸藥裝藥加載應(yīng)力率增大，因此，炸藥裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率隨應(yīng)力率的增加而增大。這也與文獻(xiàn)[4]的結(jié)論相一致，應(yīng)力上升速率對PBX炸藥顆粒的變形速率有直接的影響。

3 炸藥裝藥發(fā)射安全性分析

由上節(jié)分析可知，在炸藥裝藥發(fā)射過載應(yīng)力波作用階段等效應(yīng)變、等效應(yīng)變率是影響裝藥安全性的主要因素，但在不同的發(fā)射載荷、環(huán)境下，還不能準(zhǔn)確確定臨界破壞應(yīng)變、臨界破壞應(yīng)變率值。已有的安全性理論都是適用于整個發(fā)射過載階段。針對不同PBX炸藥裝藥在應(yīng)力波作用階段的過載安全性的準(zhǔn)確分析還在發(fā)展之中。

現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的炸藥一般為非均質(zhì)炸藥，即炸藥在澆鑄、壓裝，結(jié)晶過程中所引起的密度不連續(xù)，如存在氣泡、空穴、雜質(zhì)等。對這類炸藥的沖擊起爆，熱理論認(rèn)為在機(jī)械作用下(尤其是在沖擊之下)，開始主要是局部區(qū)域的炸藥受到加熱，即在炸藥中產(chǎn)生熱點(diǎn)[16]，隨之的熱分解導(dǎo)致快速放熱反應(yīng)。產(chǎn)生熱點(diǎn)的原因通常認(rèn)為是裝藥結(jié)構(gòu)的不均勻性。

對熱點(diǎn)應(yīng)用的熱平衡方程為：

(1)

式中：cp、ρ、λ分別為炸藥的定壓比熱容、密度和導(dǎo)熱系數(shù)，t為時間，Q為熱源，k0為指數(shù)前因子，R為氣體常數(shù)，E為活化能，T為熱力學(xué)溫度。

如果炸藥內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的能量恰恰和從它表面?zhèn)髯叩臒崃肯嗟?，即炸藥溫度增加的速度等于零，可得到臨界值δc：

(2)

式中ε為t=0～t0時間內(nèi)輸入熱點(diǎn)的能量，a2=λ/ρcp。

文獻(xiàn)[14]作出幾種常用炸藥受到?jīng)_擊波后溫度和沖擊壓應(yīng)力的關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)在一定壓應(yīng)力范圍內(nèi)，近似為線性關(guān)系，若炸藥的初始溫度為T1，壓應(yīng)力為零，則

T-T1=βp

(3)

式中：對某種炸藥來說，β對應(yīng)一個常數(shù)。

可得到?jīng)_擊波后進(jìn)入炸藥的熱能為：

ε0=cp(T-T1)t0D=βcppt0D

(4)

式中：t0為飛板中沖擊波來回傳播的時間，D為炸藥內(nèi)沖擊波速度。

若以ε作為瞬時輸入炸藥的熱能，代入式(2)，則可得到：

(5)

因為只有P、D、t0為變量，所以炸藥臨界起爆能量判據(jù)公式為[14]：

p2D2t=const

(6)

式中：p為作用于炸藥的壓縮應(yīng)力，t是沖擊載荷時間。

假設(shè)炸藥受到平面一維沖擊波加載。

通過對各種炸藥的大量計算，在一定壓縮應(yīng)力范圍內(nèi)，當(dāng)p變化達(dá)5～6倍時，D的變化不到20%，所以一般認(rèn)為當(dāng)p變化不大時，D是常值。這樣就得到著名的非均質(zhì)炸藥的起爆判據(jù)[17]：

p2t=const

(7)

文獻(xiàn)[17]利用能量守恒定律證明了用飛片沖擊非均相炸藥的上述引爆判據(jù)。認(rèn)為p2t的概念隱含著輸入單位體積炸藥內(nèi)的能量達(dá)到某一臨界值時，炸藥即起爆。即炸藥的起爆必須先給予一定的能量，這個能量的最小值稱為臨界起爆能量。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的試驗數(shù)據(jù)，炸藥PBX-9404(密度1.84 g/cm3，含HMX94%，硝化纖維3%，三氯代乙基磷酸酯3%)的臨界起爆條件為p2t=4.7×1012Pa2·s。

圖12 裝藥最大應(yīng)力單元p2-t曲線(彈底厚3.5 mm)

4 結(jié)論

1) 彈丸發(fā)射時，彈丸的應(yīng)變主要集中在炸藥裝藥，隨著裝藥高度的增加等效應(yīng)變減小，在裝藥尾部區(qū)域變形最大，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，等效應(yīng)變先上升后降低，在0.45 ms時刻彈丸最大等效應(yīng)變達(dá)到最大值4.42%(彈底厚度為3.5 mm)。

2) 發(fā)射載荷下(彈底厚度為3.5 mm)，0～0.45 ms時間段是應(yīng)力波作用階段，其中0～0.1 ms時間段內(nèi)，應(yīng)力波為彈性波，炸藥裝藥等效應(yīng)變率隨等效應(yīng)變的增加而降低，0.1 ms時刻以后，應(yīng)力波不僅有彈性波，還有塑性波，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率急劇增大，在0.40 ms時刻彈丸最大等效應(yīng)變率達(dá)到最大值167.64 s-1，等效應(yīng)變、應(yīng)變率是分析裝藥過載安全性的主要因素；0.45～3.1 ms(出炮口)時間段是裝藥整體過載作用階段，炸藥裝藥等效應(yīng)變趨于定值2.30%，等效應(yīng)變率趨于零，應(yīng)力與其作用時間為主要因素。

3) 當(dāng)彈底厚度減小至2.5 mm、2 mm時，炸藥裝藥等效應(yīng)變、應(yīng)變率隨時間變化趨勢與彈底厚度為3.5 mm時一致；彈底厚度由3.5 mm減小至2 mm，裝藥最大等效應(yīng)變由4.42%增加到6.23%，最大等效應(yīng)變率由167.64 s-1增加到277.91 s-1，且在彈底厚度由2.5 mm減小至2 mm的過程中，裝藥最大等效應(yīng)變與應(yīng)變率增長較快。彈底厚度越薄(特別是彈底厚度減小到2 mm時)，炸藥裝藥加載應(yīng)力率越大，炸藥裝藥的等效應(yīng)變、應(yīng)變率越大。

4) 本文采用非均質(zhì)炸藥起爆判據(jù)，積分計算后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈底厚度為3.5 mm、2.5 mm時，炸藥裝藥發(fā)射安全，而彈底厚度為2 mm時，炸藥裝藥發(fā)射不安全，炸藥裝藥受彈底載荷沖擊起爆的概率較大，設(shè)計彈丸時應(yīng)高度注意。

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AnalysisofStrainRateandOver-LoadingSafetyofExplosiveChargewhen30mmSmall-CaliberShellareFired

WANG Xiaofeng1, TAO Gang1, DING Guipeng1, ZHAO Aide2, FAN Qiang3, LIU Long3

(1.School of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.Jiujiang Precision Measuring Technology Research Institute, Jiujiang 332000, China; 3.Chongqing Chang’an Industry (Group) Limited Liability Company, Chongqing 401120, China)

The finite element LS-DYNA software was used to simulate the launch process of 30 mm small-caliber shell. The distribution of the effective strain were analyzed at different moments. The equivalent strain, strain rate of the explosive charge are calculated respectively in the stage of the stress wave and the charge whole overload. The effect of different thickness on the maximum equivalent strain and strain rate of explosive charge were discussed. When the bottom thickness is 3.5 mm, 2.5 mm and 2 mm, the equivalent strain, strain rate of the explosive charge is consistent with the time trend. With the bottom thickness from 3.5 mm to 2 mm, the maximum equivalent strain of the charge increased from 4.42% to 6.23% and the maximum equivalent strain rate increased from 167.64 s-1to 277.91 s-1. When the thickness of the bottom is thin (especially when the thickness of the bottom is reduced to 2 mm), the greater the loading stress rate of the explosive charge, the greater the equivalent strain, strain rate of the explosive charge. In this paper, heterogeneous explosives initiation criteria is used. It is obtained that when the bottom thickness is 3.5 mm, 2.5 mm, the explosive charge is safe. When the bottom thickness is reduced to 2 mm, the explosive charge is unsafe.

small-caliber shell; explosive charge; numerical simulation; over-loading analysis; effective strain; effective strain rate; bottom thickness; launch safety

2017-06-09；

2017-06-28

王小峰(1993—)，男，碩士研究生，主要從事炸藥裝藥發(fā)射過載安全性研究。

陶鋼(1962—)，男，博士，研究員，主要從事彈藥設(shè)計及終點(diǎn)彈道毀傷研究,E-mail:taogang@njust.edu.cn。

10.11809/scbgxb2017.10.003

本文引用格式：王小峰，陶鋼，丁貴鵬，等.30 mm小口徑炮彈發(fā)射時炸藥裝藥應(yīng)變率及過載安全性分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(10):9-14，20.

formatWANG Xiaofeng, TAO Gang, DING Guipeng, et al.Analysis of Strain Rate and Over-Loading Safety of Explosive Charge when 30 mm Small-Caliber Shell are Fired[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):9-14，20.

TJ410.3；TJ55；TP391.9

A

2096-2304(2017)10-0009-06

(責(zé)任編輯周江川)