殼體厚度對(duì)裝藥爆炸沖擊波特性影響研究

杜 寧,趙梓淇,熊 瑋,劉 闖,張先鋒

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159;2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭(zhēng)分析顯示,戰(zhàn)斗部爆炸形成破片和空氣沖擊波超壓殺傷已成為戰(zhàn)場(chǎng)主要威脅,導(dǎo)致的單兵傷亡約占總傷亡人數(shù)的70%,其中空氣沖擊波傷害約占60%[1]。由于裝藥爆炸空氣沖擊波有別于普通的沖擊波,其尾部帶有稀疏波區(qū),且瞬態(tài)峰值壓力高,壓力沖量計(jì)算比較復(fù)雜,因此,裝藥爆炸空氣沖擊波特性成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

關(guān)于炸藥裝藥空爆性能已經(jīng)開展了大量的試驗(yàn)研究,文獻(xiàn)[2]對(duì)爆炸驅(qū)動(dòng)下復(fù)合裝藥空氣沖擊波傳播特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,運(yùn)用自由場(chǎng)傳感器測(cè)量單一裝藥、內(nèi)外復(fù)合裝藥空氣沖擊波超壓,發(fā)現(xiàn)內(nèi)外層復(fù)合裝藥對(duì)提高徑向沖擊波的壓力沖量有顯著優(yōu)勢(shì)。林謀金等[3]分別測(cè)量了RDX炸藥、鋁纖維炸藥和傳統(tǒng)含鋁炸藥的壓力-時(shí)程曲線,結(jié)果表明RDX炸藥中加入鋁纖維可以顯著提高混合炸藥空氣沖擊波的壓力沖量。閆永明[4]測(cè)量了不同質(zhì)量裝藥空爆載荷下不同厚度鋼板變形尺寸,確定了材料強(qiáng)度是影響鋼板抗爆轟變形的關(guān)鍵因素之一。文獻(xiàn)[5]測(cè)試了TNT炸藥空爆沖擊波峰值超壓,獲得空氣沖擊波衰減規(guī)律及相似率經(jīng)驗(yàn)公式。王輝[6]對(duì)不同厚度包覆層裝藥的內(nèi)爆性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明爆炸驅(qū)動(dòng)下隨著包覆層質(zhì)量的增加,空氣沖擊波峰值超壓降低,罐體內(nèi)的氣體溫度增加。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用AUTODYN軟件計(jì)算了不同厚度殼體TNT裝藥的水下爆炸沖擊波峰值超壓,結(jié)果表明水中沖擊波峰值超壓隨殼體厚度與裝藥半徑比的增加而增大。ZHANG[8]運(yùn)用LS-DYNA軟件研究了戰(zhàn)斗部殼體厚度的改變對(duì)爆炸空氣沖擊波傳播特性的影響,結(jié)果表明空氣沖擊波峰值超壓衰減指數(shù)隨殼體厚度的增加而增大。隨著戰(zhàn)斗部殼體厚度增加,炸藥釋放出的能量主要消耗于殼體的變形、破碎和破片的飛散,因此,消耗于爆炸產(chǎn)物的膨脹和形成空氣沖擊波的能量減小。因此,帶殼裝藥爆炸時(shí),殼體厚度會(huì)對(duì)空氣沖擊波參數(shù)產(chǎn)生影響[9]。目前,關(guān)于殼體厚度對(duì)裝藥空爆性能影響研究的可見公開報(bào)道較少。

2A12鋁合金為可熱處理的強(qiáng)化鋁合金,具有良好的塑性成形能力和機(jī)械加工性能,是航天、航空、軍工領(lǐng)域常用材料[10]。本文選取3種典型厚度的2A12鋁合金殼體裝藥為研究對(duì)象,基于數(shù)值模擬方法重點(diǎn)關(guān)注殼體厚度對(duì)裝藥空氣沖擊波峰值超壓、壓力沖量等問題,分析不同距離處空氣沖擊波超壓的衰減規(guī)律,為評(píng)價(jià)不同厚度殼體裝藥空爆毀傷威力提供參考。

1 不同厚度殼體裝藥爆炸沖擊波特性數(shù)值模擬

1.1 模型建立及參數(shù)選取

采用AUTODYN軟件模擬裝藥結(jié)構(gòu)空氣中爆炸沖擊波傳播特性,考慮邊界條件、載荷及結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,建立裝藥結(jié)構(gòu)的1/2模型,建立的仿真模型與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)[11]保持一致,仿真模型如圖1所示。

圖1 不同厚度殼體裝藥爆炸仿真模型Fig.1 Numerical model of HE with different thickness case

仿真模擬采用Lagrange/Euler耦合算法,裝藥和空氣采用Euler網(wǎng)格,雷管座、殼體、底端蓋采用Lagrange網(wǎng)格。

JH-2炸藥采用JWL狀態(tài)方程,雷管座、殼體、底端蓋材料均為2A12鋁合金,2A12鋁合金采用Shock狀態(tài)方程及JC本構(gòu)模型描述,空氣采用AUTODYN材料庫(kù)自帶狀態(tài)方程?；谖墨I(xiàn)[12-13]材料參數(shù)及仿真模型所得的仿真結(jié)果,可以較好地預(yù)測(cè)空氣沖擊波峰值超壓等參數(shù)。數(shù)值模擬中炸藥JWL狀態(tài)方程材料參數(shù)、2A12鋁合金JC本構(gòu)參數(shù)見表1和表2。表中,ρ為材料密度;v為炸藥爆炸速度;A,B,R1,R2,ω為常數(shù);a為材料初始屈服應(yīng)力;b為材料塑性應(yīng)變模量;n為材料塑性硬化指數(shù);C為材料應(yīng)變強(qiáng)化參數(shù);m為材料熱軟化參數(shù)。

表1 JH-2炸藥JWL狀態(tài)方程參數(shù)[12]Table 1 Parameters of the JH-2 explosive JWL equation of state[12]

表2 2A12鋁合金JC本構(gòu)參數(shù)[13]Table 2 Parameters of 2A12 aluminum-alloy JC constitutive-model[13]

1.2 仿真結(jié)果

圖2給出了JH-2炸藥爆炸典型時(shí)刻空氣沖擊波壓力波形;不同距離(d)處裸裝藥、2A12鋁合金殼體裝藥爆炸空氣沖擊波超壓隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。圖中,η為殼體與裝藥質(zhì)量比;T-1,T-2,T-3分別表示殼體單邊壁厚2.68 mm,4.06 mm,5.46 mm。由圖2可以看出,JH-2裝藥在自由場(chǎng)中發(fā)生爆炸后,波陣面隨著時(shí)間的增加而被拉寬,波陣面上的壓力也隨之衰減,0.7 ms時(shí)波陣面最大壓力為0.65 MPa,1 ms時(shí)波陣面最大壓力衰減至0.45 MPa。由圖3可以看出,2.5 m處空氣沖擊波峰值超壓最大,隨著傳播距離的增加,空氣沖擊波峰值超壓不斷減小,正壓區(qū)被不斷拉寬。2.5 m處空氣沖擊波超壓衰減較快,隨著距離的增加,空氣沖擊波超壓衰減較緩慢。壓力衰減是因?yàn)榭諝鉀_擊波的壓力隨傳播距離的增加而增加,波陣面上的單位面積能量迅速減小,又由于受壓縮的空氣量不斷增加,使得單位質(zhì)量空氣的平均能量不斷下降造成的。

圖2 JH-2炸藥爆炸典型時(shí)刻的空氣沖擊波壓力Fig.2 Air shock wave pressure of JH-2 explosive at typical time

圖3 空氣沖擊波仿真結(jié)果Fig.3 Overpressure simulation results of shock wave

2 分析與討論

2.1 空氣沖擊波峰值超壓

空氣沖擊波峰值超壓是沖擊波對(duì)目標(biāo)破壞作用的重要參數(shù)之一,空氣沖擊波峰值超壓的試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 空氣沖擊波超壓Table 3 Overpressure of shock wave in air

由文獻(xiàn)[11]及圖3可知,不同厚度2A12鋁合金殼體裝藥與裸裝藥壓力隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同。由表3中空氣沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果可知,η值由0增至0.66時(shí),2A12鋁合金裝藥近區(qū)(2.5 m處)爆炸驅(qū)動(dòng)下空氣沖擊波峰值超壓下降幅度較大,為23.7 kPa(即(97.2-73.5) kPa),而遠(yuǎn)區(qū)(6 m)爆炸驅(qū)動(dòng)下空氣沖擊波峰值超壓下降幅度較小,為5.6 kPa(即(19.6-14) kPa),3.5 m和4.5 m處空氣沖擊波峰值超壓下降幅度分別為11.8 kPa和8.3 kPa。由表3中空氣沖擊波超壓仿真結(jié)果可知,η值由0增至0.66時(shí),2.5 m,3.5 m,4.5 m,6 m處空氣沖擊波峰值超壓下降幅度分別為30.6 kPa,15.4 kPa,9.6 kPa,5.5 kPa。隨著殼體厚度增加,不同距離處空氣沖擊波峰值超壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差e較小,在18.1%以內(nèi)?？傮w而言,空氣沖擊波峰值超壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。增加2A12鋁合金殼體厚度,空氣沖擊波峰值超壓逐漸降低,隨著距離的增加,空氣沖擊波峰值超壓下降幅度減小。此外,通過數(shù)值模擬方法及參數(shù)可以較準(zhǔn)確計(jì)算空氣沖擊波峰值超壓。

2.2 沖擊波的壓力沖量隨距離變化

空氣沖擊波的壓力沖量也是沖擊波對(duì)目標(biāo)破壞作用的重要參數(shù)之一,壓力沖量的大小直接決定了沖擊波破壞作用的程度[14]。從能量守恒角度分析,假設(shè)炸藥能量均轉(zhuǎn)化成殼體變形、破碎、向四周飛散以及爆轟產(chǎn)物膨脹。其中LLOYD[15]對(duì)Gurney公式進(jìn)行改進(jìn)得到向四周飛散的初速v0為

(1)

由式(1)可得殼體動(dòng)能與裝藥格尼能的比值為

(2)

由上式可計(jì)算出,η為0.3,0.48,0.66時(shí),Eks/Ee約為24.6%,31.5%,36.6%。η值由0.3增至0.66時(shí),殼體質(zhì)量增加了約1.2倍,Eks/Ee提升了48.8%。對(duì)于惰性帶殼裝藥,爆炸形成的空氣沖擊波的壓力沖量I與無殼同等裝藥量形成的沖擊波壓力沖量I0比值可用下式近似計(jì)算[16]：

(3)

式中:裝填系數(shù)a=me/(me+ms)。

由式(3)可計(jì)算出,η為0.3,0.48,0.66時(shí),I/I0約為79.1%,71.4%,65.7%,隨著殼體厚度的增加,I/I0逐漸下降。對(duì)沖擊波超壓曲線進(jìn)行積分,獲得2A12鋁合金裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)下空氣沖擊波的壓力沖量試驗(yàn)值及仿真值,如表4所示。由表4可知,2.5 m處I/I0分別為64.8%,74.7%;6 m處I/I0分別為77.9%,40.4%,65.7%。η由0.30增至0.66時(shí),2.5 m處計(jì)算值與試驗(yàn)值的差異約為18.1%,4.6%;6 m處計(jì)算值與試驗(yàn)值的差異約為1.5%,42.4%,0.9%?？傮w而言,計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小,因此可以判定2A12鋁合金殼體在爆炸驅(qū)動(dòng)下對(duì)空氣沖擊波的壓力沖量無明顯的貢獻(xiàn)。

表4 空氣沖擊波的壓力沖量Table 4 Impulse of air shock wave

由表4中試驗(yàn)結(jié)果可知,η=0.30與裸裝藥相比,在2.5 m處,空氣沖擊波的壓力沖量降低約35.2%;在6 m處,空氣沖擊波的壓力沖量降低約22.1%。η=0.48與裸裝藥相比,在2.5 m處,空氣沖擊波的壓力沖量降低約25.3%;在6 m處,空氣沖擊波的壓力沖量降低約40.6%。η=0.66與裸裝藥相比,在6 m處,空氣沖擊波的壓力沖量降低約34.9%。η=0.66與η=0.48相比,在6 m處,空氣沖擊波的壓力沖量增加約9.5%。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知,空氣沖擊波的壓力沖量仿真結(jié)果相對(duì)誤差較大。相同距離處仿真與試驗(yàn)獲得的空氣沖擊波的壓力沖量有波動(dòng)但整體呈下降趨勢(shì),整體變化規(guī)律一致,總體而言,空氣沖擊波的壓力沖量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明了數(shù)值模擬方法的可靠性。增加殼體厚度對(duì)空氣沖擊波的壓力沖量無明顯的貢獻(xiàn)。數(shù)值模擬方法及參數(shù)可以較準(zhǔn)確計(jì)算空氣沖擊波的壓力沖量。

2.3 沖擊波的壓力沖量隨殼體厚度變化規(guī)律數(shù)值模擬

在驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法可靠性的基礎(chǔ)上,研究沖擊波的壓力沖量隨殼體厚度變化規(guī)律。分別建立了2A12鋁合金殼體與裝藥質(zhì)量比η分別為1.05,1.34,1.64,1.87的仿真模型,獲得的空氣沖擊波峰值超壓及空氣沖擊波的壓力沖量結(jié)果如表5所示。

表5 空氣沖擊波的壓力沖量Table 5 Impulse of air shock wave

空氣沖擊波的壓力沖量和η的關(guān)系如圖4所示。由圖可知,隨著殼體厚度的增加,相同距離處空氣沖擊波的壓力沖量逐漸衰減。

圖4 空氣沖擊波壓力沖量與η的關(guān)系Fig.4 Relation between impulse of air shock wave and η

3 結(jié)束語

以3種典型厚度2A12鋁合金殼體為研究對(duì)象,分析了殼體厚度對(duì)裝藥空爆性能的影響規(guī)律,同時(shí)結(jié)合AUTODYN軟件建立了不同厚度殼體裝藥仿真模型?；跀?shù)值模擬方法所得結(jié)論如下:

①隨著2A12鋁合金殼體厚度的增加,空氣沖擊波峰值超壓降低;隨著距離的增加,空氣沖擊峰值超壓下降幅度減小,相同距離處,殼體越厚,空氣沖擊峰值超壓下降幅度越大。

②增加殼體厚度對(duì)空氣沖擊波的壓力沖量無明顯貢獻(xiàn),隨著殼體厚度的增加,相同距離處空氣沖擊波的壓力沖量逐漸衰減。

③2A12鋁合金殼體裝藥空氣沖擊波峰值超壓仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,沖擊波的壓力沖量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大,但整體變化規(guī)律一致,證明了數(shù)值模擬方法及參數(shù)的有效性與可靠性。