鋁合金平板裝藥對射流干擾的數(shù)值模擬

聶鵬松，劉天生，阮光光，吳　鵬，劉金彪

(中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原　030051)

20世紀(jì)70年代由Held[1]發(fā)明的爆炸式反應(yīng)裝甲(Explosive Reactive Armour，ERA)，因其成本低、對射流的防護效果好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代裝甲車輛中?！叭髦巍笔狡桨逖b藥作為反應(yīng)裝甲的基本單元，是由兩層對稱的鋼板中間加上鈍感炸藥組成。當(dāng)聚能射流侵徹時，炸藥發(fā)生爆炸，鋼板在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下向各自法線方向飛散，與射流進行持續(xù)作用，使射流受到嚴(yán)重干擾，從而降低射流對于主裝甲的侵徹能力[2]。目前隨著破甲射流和穿甲彈的不斷發(fā)展，平板裝藥也不斷地在進行組合或疊加，因此出現(xiàn)了雙層或多層爆炸反應(yīng)裝甲，但是在增加了裝甲車輛防護能力的同時，必然也增加了其質(zhì)量，對于車輛的機動性造成影響。有必要尋找新的材料來替換鋼板，在不減弱平板裝藥防護能力的同時，降低其質(zhì)量，減輕裝甲車輛的負(fù)擔(dān)。

20世紀(jì)，一些低密度材料(鋁、陶瓷等)因為質(zhì)量小、附帶損傷效應(yīng)低等優(yōu)點開始被大量研究并應(yīng)用于反應(yīng)裝甲方面。Kaufmann等[3]將玻璃鋼和陶瓷等低密度材料作為平板裝藥的面背板材料進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)低密度材料可以擁有和鋼相當(dāng)?shù)姆雷o性能。王玲等[4]對纖維復(fù)合材料作為反應(yīng)裝甲面背板材料的可行性進行了研究，發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗侵徹性能，并且有效降低了質(zhì)量和二次損傷效應(yīng)。鋁合金裝甲材料也作為一種低密度材料自二戰(zhàn)以來已經(jīng)得到了極大的發(fā)展[5]，鋁合金板厚度約為同等質(zhì)量的鋼板的2.5倍，但是要求達(dá)到相同的防護水平時，鋁合金板卻不需要達(dá)到2.5倍的厚度。魏剛[6]利用穿甲試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方式研究了鋁合金裝甲材料的抗彈性能。雖然國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對鋁合金材料開展了大量研究工作，但還沒有相關(guān)文獻關(guān)于將鋁合金用作平板裝藥面背板材料的報道。

筆者使用80 mm口徑的聚能裝藥對鋁合金反應(yīng)裝甲和鋼反應(yīng)裝甲進行試驗。采用LS-DYNA建立數(shù)值模擬模型，對各反應(yīng)裝甲的抗射流過程進行模擬，將試驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比，為平板裝藥面背板新材料的選用提供參考。

1　試驗

1.1　對射流干擾試驗

圖1為試驗裝置圖，本次試驗采用對后效靶板的最大殘余穿深來檢驗反應(yīng)裝甲的防護性能。厚度分別為3、 4.5、 6 mm的鋁合金作為反應(yīng)裝甲的面背板材料，并與3 mm厚度的603鋼板作比較。其中鋁合金密度為2.77 g/cm3，鋼板密度為7.85 g/cm3，長度均為240 mm。中間夾層炸藥采用B炸藥，密度為1.717 g/cm3，厚度為6 mm。后效靶板采用603鋼，厚度為100 mm，距離反應(yīng)裝甲100 mm，傾斜角均為45°。聚能裝藥采用圓弧頂型紫銅藥形罩，口徑為80 mm，炸高為240 mm。

1.2　試驗結(jié)果

對不同反應(yīng)裝甲進行單發(fā)試驗，射流侵徹試驗過后，對后效靶板上的損傷情況進行測量，通過最大殘余穿深來比較各反應(yīng)裝甲的防護性能。試驗結(jié)果如表1和圖2所示，其中l(wèi)為彈坑的最大殘余穿深?？梢?倍厚度的鋁合金板對于后效靶板的防護效果已經(jīng)達(dá)到鋼板的防護水平。

表1　不同種反應(yīng)裝甲的試驗結(jié)果

2　數(shù)值模擬

2.1　模型建立

由于聚能裝藥起爆，射流侵徹等過程均具有高應(yīng)變率、高過載等特點，用LS-DYNA建立模型時，拉格朗日和歐拉算法均不能準(zhǔn)確模擬，所以采用ALE算法對聚能裝藥進行計算，同時在射流通道上還需加入空氣。平板裝藥采用拉格朗日算法，藥型罩、空氣與靶板之間采用流固耦合，面板、背板與夾層炸藥采用滑移接觸控制。根據(jù)對稱的結(jié)構(gòu)，采用二分之一模型，在模型上施加對稱約束，邊界點上施加無反射邊界條件。

2.2　材料參數(shù)

聚能裝藥采用JWL方程描述，具體參數(shù)如表2所示。藥型罩、鋼殼體、后效靶板和面背板均采用Johnson-cook模型和Grüneison狀態(tài)方程描述，夾層炸藥采用點火與增長狀態(tài)方程和流體彈塑性模型描述，具體參數(shù)如表3、4[7-8]所示。

表2　聚能裝藥材料參數(shù)

表3　紫銅、603鋼和鋁合金材料參數(shù)

表4　中間夾層炸藥材料參數(shù)

2.3　模擬結(jié)果與分析

通過數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了同等裝藥量下面背板厚度分別為3、4.5、6 mm的鋁合金反應(yīng)裝甲和厚度為3 mm的鋼反應(yīng)裝甲對聚能射流的干擾過程，對比分析射流的被干擾過程、金屬射流速度變化、后效靶板的侵徹深度等數(shù)值，比較了不同面背板厚度的鋁合金反應(yīng)裝甲和鋼反應(yīng)裝甲的防護性能。出于減小質(zhì)量的目的，本次模擬最高只采用到了相當(dāng)于2倍鋼板厚度的鋁合金板。為了更好地分析面板對于射流的干擾，可以做出以下幾點假設(shè)：在被干擾前，射流為理想射流，與面板的相互作用也符合不可壓縮流體條件，爆轟產(chǎn)物的影響暫不考慮；射流與面背板的作用呈周期性，在穿孔時面板處于靜止?fàn)顟B(tài)，穿孔后開始運動，面背板參數(shù)在單個周期內(nèi)不發(fā)生變化，并且因為夾層炸藥為瞬時爆轟，面背板上各點速度相同，所以不考慮面背板的變形情況；在面背板干擾射流的過程中，面背板的速度和位置都是時刻變化的，但因為其作用的時間極短，所以假定每次作用以初始的參數(shù)為準(zhǔn)，認(rèn)為面背板的參數(shù)為常量。

2.3.1鋁合金/鋼板平板裝藥干擾射流過程分析與比較

模型中聚能裝藥起爆，在紫銅罩中心軸線上形成一股金屬射流，由于射流形成過程中各點速度不同，射流逐漸拉細(xì)變長。在46 μs時射流開始接觸反應(yīng)裝甲，62 μs時中間夾層炸藥被聚能射流引爆，面背板由于爆炸作用從中間開始突起，然后在爆轟產(chǎn)物的驅(qū)動下沿法線方向飛散，射流與面板的相互作用可以分為斷續(xù)干擾和連續(xù)干擾兩個階段[9]。在斷續(xù)干擾階段，加速運動的面板與射流接觸，面板同時產(chǎn)生徑向和軸向的速度，射流在接觸點周圍進行侵蝕，形成大于射流直徑的穿孔。由于射流直徑小于穿孔直徑，因此產(chǎn)生了逃逸射流；面板與射流持續(xù)作用后，射流再次接觸后效靶板，重新開坑。上述過程不斷交替使得射流斷裂。在連續(xù)干擾階段，主要是低速射流與面板發(fā)生連續(xù)作用，射流被面板切割，直徑減小，最后發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

射流與4種平板裝藥的作用過程如圖3所示。在t=80 μs時，4種平板裝藥射流頭部均已斷裂，這是由于面板的運動對于中后部射流的干擾作用大于對頭部射流的干擾，而頭部射流是整個射流的速度最大處，中后部射流在平板裝藥的持續(xù)作用下與頭部射流的速度差越來越大，導(dǎo)致射流頭部與中后部斷裂。由圖3還可以看出鋁合金材質(zhì)的面背板均在邊緣處出現(xiàn)了斷裂，隨著鋁合金板的厚度減小，開裂情況越明顯，而鋼板沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因可能是鋁合金與鋼相比，在產(chǎn)生拉伸應(yīng)力時容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，夾層炸藥爆炸后會產(chǎn)生大量爆轟產(chǎn)物，鋁合金板的邊緣受到爆轟產(chǎn)物的剪切作用和稀疏波的拉伸作用，最先被破壞。t=150 μs時,聚能射流與面板的持續(xù)作用已經(jīng)結(jié)束，鋁合金板在板兩端均出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，并且邊緣斷裂情況加劇，3 mm厚度鋁合金板更是在射流開孔下方處完全斷裂，鋼板則保持相對完整。t=197 μs時,可以看出鋼板平板裝藥和6 mm厚度的鋁合金板平板裝藥已經(jīng)造成中后部射流的偏轉(zhuǎn)和斷裂，而3 mm和4.5 mm厚度的鋁合金板平板裝藥還沒有出現(xiàn)這一現(xiàn)象，說明鋼板平板裝藥和6 mm厚度的鋁合金板平板裝藥對于中后部射流的干擾效果更好。從模擬結(jié)果看，在干擾過程中鋁合金板和鋼板與射流作用后均沒有出現(xiàn)明顯的逃逸射流，沒有對射流形成多次的側(cè)向打擊，與中后部射流的作用，也使得其出現(xiàn)了較大的失穩(wěn)，產(chǎn)生了連續(xù)干擾。

2.3.2侵徹過程中頭部射流速度變化分析和比較

46 μs時頭部射流開始對4種平板裝藥進行侵徹，速度為7 196 m/s，在侵徹過程中射流速度逐漸減小，其變化如表5所示。

表5　 侵徹過程中頭部射流速度變化

對表5的結(jié)果進行比較分析，表明：對于不同厚度的鋁合金板平板裝藥，隨著厚度的增加，頭部射流速度減小的幅度越大，說明對于鋁合金板，面背板厚度的增加可以加強對射流的干擾。射流穿過鋼板平板裝藥相對于鋁合金板平板裝藥所用時間更長，頭部射流速度減小幅度更大，即殘余射流對后效靶板的侵徹能力更弱，但6 mm厚的鋁合金板的速度減小幅度優(yōu)于鋼板。本模擬中采用的1倍和1.5倍厚度的鋁合金板，相比于鋼板質(zhì)量均低的多，在裝藥量相同的情況下，夾層炸藥爆炸驅(qū)動飛板運動時面背板獲得的速度也更大，對射流干擾作用的時間也更短，另外由于鋁合金板在爆轟產(chǎn)物作用下出現(xiàn)斷裂和破碎，對于射流的干擾出現(xiàn)一定程度上的減弱，一定程度上導(dǎo)致了射流穿過平板裝藥后速度減小幅度比起鋼板相差較大。

2.3.3射流在后效靶板上的侵徹情況對比

殘余射流對后效靶板的穿深情況是評價平板裝藥防護能力的一個重要依據(jù)。表6為模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比，對模擬結(jié)果中穿深情況進行提取，其中3 mm厚度的鋼板平板裝藥最大殘余穿深為56 mm，而3、4.5、6 mm厚度的鋁合金板平板裝藥最大殘余穿深分別為69、63、57 mm。不同厚度的鋁合金板平板裝藥較3 mm鋼板平板裝藥的最大穿深分別增加了23%、13%和2%。由模擬結(jié)果中不同包覆板材料對后效靶板的防護效果來看，2倍厚度的鋁合金平板裝藥已經(jīng)達(dá)到與鋼板平板裝藥相當(dāng)?shù)姆雷o效果，而1倍和1.5倍厚度的鋁合金平板裝藥與鋼板仍有一定差距。

表6　不同種反應(yīng)裝甲的試驗結(jié)果和模擬結(jié)果　mm

3　結(jié)論

通過對80 mm口徑的聚能裝藥侵徹不同厚度包覆板的鋁合金板平板裝藥和鋼板平板裝藥過程的試驗研究和數(shù)值模擬，可以得到以下結(jié)論：

1)模擬結(jié)果顯示鋁合金板和鋼板對于射流的干擾機理相同，其中鋁合金板相對于鋼板較易在爆轟產(chǎn)物和稀疏波作用下發(fā)生拉伸斷裂，隨著厚度的增加，斷裂情況得到緩解。

2)試驗結(jié)果顯示2倍厚度的鋁合金反應(yīng)裝甲相比鋼板，對后效靶板的最大穿深相差為0.7 mm，比較試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)，基本相符合。

綜上所述，裝藥量相同的條件下，2倍厚度的鋁合金反應(yīng)裝甲已經(jīng)達(dá)到與鋼板相當(dāng)?shù)姆雷o性能，并且其質(zhì)量較鋼板輕了25%左右，為反應(yīng)裝甲面背板材料的選用提供了新的可能。

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