含攻角动能块撞击带壳B炸药冲击起爆阈值研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:孙乔溪()男硕士研究生:.通信作者:陈利()女硕士副教授:.:./.含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究孙乔溪陈 利郭香华张庆明(北京理工大学 机电学院 北京)摘要:为研究动能块攻角对带壳 炸药冲击起爆阈值速度的影响规律使用 仿真软件和 点火与增长模型对钨合金动能块撞击带壳 炸药进行数值模拟得到了攻角 条件下撞击不同盖板厚度(、)装药的冲击起爆阈值速度在 冲击起爆判据模型中引入攻角修正项所得到的冲击起爆判据模型与数值模拟结果吻合较好 结果表明:壳体厚度在 范围内随着攻角的增大冲击起爆阈值速度先增大后减小关键词:冲击起爆动能块带壳 炸药起爆阈值速度数值模拟本文引用格式:孙乔溪陈利郭香华等.含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():().:引言战术弹道导弹是现代战争中的常规武器之一其弹头目标具有飞行速度快、突防能力强、摧毁难度大等特点 破片直接撞击引爆战斗部装药是较为高效的拦截方式之一其本质就是动能块对带壳装药的冲击起爆 因此确定动能块对带壳炸药冲击起爆阈值速度判据至关重要国内外学者针对破片冲击起爆带壳炸药开展了广泛的研究工作并建立起几种经典的冲击起爆判据如 判据 判据 判据 梁争峰等用数值模拟和实验验证相结合的方法给出小质量破片冲击起爆屏蔽 炸药的阈值速度 崔凯华等拟合得到钨合金破片冲击起爆的 判据公式 蓝肖颖等结合 判据得到不同材料的冲击起爆临界判据 王昕等以 判据为基础通过数值计算拟合建立结合入射角和柱壳装药曲率的修正判据 仝远等通过数值计算模拟 钨合金破片冲击起爆/屏蔽 炸药计算结果显示 判据比 判据符合度更高 高鹏等根据数值模拟结果分析了不同厚度盖板和动能块着角的影响规律 张广华等分析了壳体厚度对装药响应的规律 刘鹏飞等计算了破片在最大迎风面积下垂直侵彻冲击起爆的比动能阈值已有的研究多是考虑破片形状、速度、材料、入射角和盖板厚度等因素对带壳装药冲击起爆的影响规律并结合数值模拟对冲击起爆阈值速度判据公式进行拟合或添加修正项而对于壳体厚度和动能块攻角对带壳装药冲击起爆阈值速度影响规律有待研究依据导弹拦截时弹目交会的客观条件研究含攻角修正项的冲击起爆阈值速度判据非常必要因此本文运用数值模拟方法研究动能块攻角对冲击起爆阈值速度的影响规律 并结合 模型添加冲击起爆阈值速度判据修正项所得结果可以对反导战斗部优化设计提供支撑 数值模拟模型.数值建模采用 软件使用 算法建立了动能块在不同攻角条件下对带壳 炸药冲击起爆仿真模型 几何模型如图 所示 动能块为钨合金圆柱体 钨合金动能块已被应用于爱国者 中盖板为 厚度的 钢长宽尺寸为 盖板下为 炸药尺寸为 仿真模型采用全模型 粒子间距依据文献并结合本文弹靶参数设置为 能够同时保证精度和计算效率 盖板四周设置非反射边界为了记录炸药反应过程中的压力和反应度随时间的变化情况在炸药对称轴中心线上设置一系列观测点观测点间隔为 图 几何模型示意图.数值仿真中动能块攻角变化范围:间隔 盖板厚度:、.材料模型及相关参数本文基于已有小质量钨破片冲击起爆钢盖板 炸药试验结果验证所使用材料模型及相关参数的准确性试验中 的圆柱形钨合金破片撞击 的圆柱形带盖板 炸药盖板为厚 的钢 试验得到的冲击起爆阈值速度为./仿真结果起爆阈值速度为/仿真结果与试验结果吻合较好可以验证本文数值模拟模型 验证结果如图 所示图 验证结果图.材料模型参数如表 中所示 表中:为密度 为剪切模量 为静态屈服强度 为硬化系数 为硬化指数为应变率系数 为温度软化指数 为熔化温度表 模型参数 材料/()/.孙乔溪等:含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究 动能块为 钨合金靶板为 钢材料模型使用 模型状态方程选择 状态方程 炸药为 炸药材料模型使用弹塑性流体材料模型反应物和未反应物使用 状态方程描述 反应过程及反应速率使用 三项点火状态方程在 中使用关键字控制其表达式为/()(/)()()()式()中:为反应质量分数、为方程参数方程右边第 项是点火项描述反应过程中热点燃烧阶段第 项是成长项描述热点燃烧过程中的生长阶段第 项是快反应项描述燃烧快速转换成爆轰的阶段具体参数如表 所示 状态方程中未反应和已反应表达式分别如下 /()/()式()、式()中:为压力 为相对体积 为温度 对应参数的选取参考文献中 炸药参数 状态方程相关参数如表 所示表 炸药 模型参数 参数数值参数数值/()./().表 炸药 状态方程参数 参数数值参数数值/././././()./().数值模拟结果及分析.冲击起爆判定运用速度升降法获得钨合金动能块冲击起爆带壳 炸药的阈值速度 数值模拟判定冲击起爆阈值速度的标准包括 个方面第一是炸药内部压力时程曲线及其压力峰值第二是炸药的反应分数 代表未反应 代表完全反应本文中以 /为跨度进行计算当观测点压力达到 炸药 压力.形成稳定爆轰波且反应度达到 时即可确定该速度下发生冲击起爆反应图 给出了在钨合金动能块以攻角冲击 钢盖板炸药时 时炸药中心面上的反应度云图对比在速度为 /时炸药部分完全反应反应度云图达到 在速度为 /时炸药并未完全反应可以明显看出两者反应度云图的区别图 反应度对比图.图 图 分别给出 种工况下炸药内部中心线上观测点的压力时程曲线和反应度时程曲线 在速度为 /时炸药并未发生起爆入射到炸药中的冲击波压力远小于 压力冲击波没有形成稳定的爆轰波基本上没有发生反应 在速度为 /时炸药发生稳定的爆轰现象初始入射到炸药中的冲击波压力逐渐增长达到约.超过炸药的 压力值随后形成稳定的爆轰波发生完全爆轰观察压力时程曲线与反应度云图可以得到炸药中爆轰波在高速碰撞后形成稳定的爆轰波在炸药中传播同时随着爆轰波扫过炸药完全反应 因此判定此种工况下阈值速度介于 /之间取阈值速度为 /.结果分析按照上节方法获得不同情况下钨合金动能块撞击带壳 炸药的冲击起爆阈值速度具体结果见表 和图 表 兵 器 装 备 工 程 学 报:/./中给出冲击起爆速度阈值范围由表 计算结果可知在相同攻角条件下冲击起爆阈值速度随着盖板厚度的增大而增大冲击起爆阈值速度随着攻角的增大而先增大再减小存在极大值点在 攻角附近冲击起爆阈值速度达到最大 在 攻角条件下随着攻角的增大冲击起爆阈值速度单调增大 在 攻角条件下随着攻角的增大冲击起爆阈值速度单调减小且最小值低于 攻角冲击起爆阈值速度图 /压力时程曲线./图 /反应度时程曲线./图 /压力时程曲线./图 /反应度时程曲线./表 仿真计算结果 攻角/()盖板厚度/图 冲击起爆速度随攻角变化曲线.动能块撞击带壳 炸药后产生冲击波分别向动能块和盖板内传播经衰减后的冲击波传播到盖板 炸药界面并达到炸药临界起爆能量时炸药将被起爆 通过对冲击波传播孙乔溪等:含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究过程的划分可以在动能块 盖板界面和盖板 炸药界面根据碰撞时动量守恒方程、界面连续性条件列出如下方程组()()()()()()式()式()中:为作用在动能块上的冲击波压力为动能块材料密度为动能块内冲击波速度为动能块内粒子速度为作用在盖板上的冲击波压力为盖板材料密度为盖板内冲击波速度为盖板内粒子速度、为冲击雨贡系数 .为动能块速度 可以解得、经衰减后到达盖板 炸药界面的冲击波压力表达式为()式()中:为经盖板衰减后到达盖板与炸药交界面处冲击波压力 为钢盖板冲击波衰减系数.为盖板厚度与盖板 炸药界面方程联立()()()()()式()式()中:为入射炸药冲击波压力为炸药内粒子速度为盖板与炸药交界面上粒子速度为炸药内冲击波速度 可以解得、等提出了考虑盖板厚度、动能块头部形状系数和稀疏波效应后等效直径的临界能量计算公式()()()式()式()中:为动能块形状系数平头圆柱体取 为 为炸药受冲击压缩后声速为炸药所受冲击波压力为炸药内粒子速度为经盖板作用后动能块等效直径为动能块初始直径为盖板冲击压缩声速 对于 炸药因为在制备过程中孔隙的存在其冲击起爆临界能量阈值范围为./文献中为./()()/()()当攻角变化时假设侵彻深度一定均为 则动能块攻角的变化会导致临界能量中等效直径的变化 在攻角为 时此时初始接触面为圆柱体动能块底面积的投影初始等效直径为 在攻角继续增大后由于动能块底面与盖板夹角变大导致动能块底边与盖板接触的影响不能简单等效此时的接触面积为穿过尖点的斜截面面积 以动能块底边与盖板接触尖点为原点建立坐标系则根据已知条件盖板平面方程为()()()()()()()等效直径计算公式中/或 当 种条件下初始直径相等时则可求出解得约为 如图 所示其中等效直径在 单调递减 单调递增则在约 时等效直径存在极小值此时动能块冲击起爆速度存在极大值才能在临界能量范围内起爆装药图 等效直径随攻角变化.如表 所示 炸药临界起爆能量为./不同攻角条件下均达到或接近临界起爆能量但为达到临界起爆能量阈值攻角条件下入射到炸药中的冲击波压力最大动能块的冲击起爆速度最高 在攻角超过 时入射到炸药中压力仿真值与理论值误差较大因为攻角较大时等效接触面积变化较大因此存在误差兵 器 装 备 工 程 学 报:/./表 临界能量对比 攻角/()阈值速度/()压力仿真值/压力理论值/临界能量/().如图 所示为动能块动能在起爆时刻的减少量随攻角变化曲线动能块 攻角时动能减少量最大说明在 攻角时应具有冲击起爆速度极大值才能达到临界起爆能量初始动能块的动能作为输入量在侵彻过程中动能块能量逐渐降低盖板首先吸收能量转化为其动能和内能造成动能块的总能量降低在侵彻过程中动能减少 在炸药发生起爆之前即炸药内能尚未发生变化时动能块初始动能的减少可以转化动能块内能和盖板结构的总能量 综上所述可以认为单层盖板结构主要作用是减少并吸收动能块的动能使得动能块入射炸药能量减小 根据动能块动能减少量曲线和冲击起爆临界能量及压力仿真值与理论值对比结果表明仿真值与理论分析吻合良好所得到的结论如下:在攻角条件一定的情况下壳体厚度在一定范围内增加时动能块对炸药的冲击起爆主要因素是传入炸药的透射冲击波引爆装药而随着壳体厚度的增加冲击波在壳体传播过程中受到侧向稀疏波的作用使得高压区域减小冲击波压力衰减作用到炸药接触面上压力降低高压区域作用时间下降 因此需要更高的冲击速度才能起爆带有更厚壳体的炸药图 动能块动能减少量.随着攻角的增加不同厚度壳体装药的冲击起爆阈值速度差值在 攻角以上时逐渐减小同时在大攻角时冲击起爆速度均低 攻角时阈值速度说明在攻角变大的过程中等效接触面积不断变大动能块撞击的机械约束与冲击波共同作用联合提升冲击起爆能力降低了冲击起爆阈值速度在 攻角条件下随着攻角的增加作用于盖板接触面的等效面积不断减少接触面等效直径降低冲击波传播过程中受侧向稀疏波影响高压区域变小攻角条件左右等效直径最小动能块接触盖板瞬间等效接触面积最小此时动能块与盖板和装药形成夹角动能块无法持续侵彻动能块碎裂导致部分能量被耗散板后冲击波无法持续地压缩炸药产生热点此时最难起爆带壳装药所以冲击起爆阈值速度存在极大值点总体可见在 厚度盖板条件下动能块带有攻角冲击起爆带壳装药速度影响规律比较一致由图 可知冲击起爆阈值速度随攻角增大而先增大后减小同时冲击起爆速度变化比值与初始 攻角冲击起爆速度存在明显的函数关系可以结合 判据对带攻角的冲击起爆阈值速度模型进行修正.冲击起爆模型 模型方程是目前常用于计算破片冲击起爆带壳装药的理论判据之一方程见式()()()()利用文献中给出的确定公式参数的方法对方程系数进行拟合其中需要特别指出的是因为阈值速度与炸药、盖板、动能块等多种因素相关本文中 模型方程中经验参数仅适用于特定给出的弹靶条件即钨合金动能块冲击起爆 钢盖板 炸药条件下式()中.为炸药敏感性系数与裸装起爆速度有关 为平头圆柱体形状系数.为盖板防护系数 为盖板厚度单位为 为破片尺寸单位为 为冲击起爆阈值速度单位为/所得到的 模型方程作为基础式用于后续含攻角修正项公式的计算中 模型中引入攻角修正项后模型能够预测攻角变化对冲击起爆阈值速度的影响 其中正侵彻冲击起爆阈值速度 由 模型方程计算得到带攻角的冲击起爆阈值速度根据数值模拟得到带有修正项的 模型如下/()(/)()()()/()/)根据上文计算结果得到含攻角修正 模型中.拟合攻角修正项与上文中均值计算结果吻合较好见图 含攻角的冲击起爆模型可以预测攻角变化引起的冲击起爆速度阈值变化孙乔溪等:含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究图 模型攻角修正项.结论本文中利用 软件开展了动能块对带壳 炸药在不同攻角、盖板厚度条件下的冲击起爆阈值研究得到结论如下:)冲击起爆阈值速度随着盖板厚度的增大而增大、厚度下冲击起爆阈值速度随攻角变化规律趋势相同)冲击起爆阈值速度随着攻角的增大而先增大再减小速度极大值点在攻角 附近此时动能块冲击起爆带壳装药能力最弱)冲击起爆速度判据中引入含攻角的修正项建立了适用于钨合金动能块冲击起爆带壳 炸药的冲击起爆速度修正模型 并给出冲击起爆速度修正模型相关参数 后续工作中考虑更多因素对冲击起爆判据模型进行修正参考文献:任新联李刚.战术弹道导弹拦截技术研究现状及趋势.飞航导弹():.():./.:.:.:.:.梁争峰袁宝慧.破片撞击起爆屏蔽 炸药的数值模拟和实验.火炸药学报():.():.崔凯华洪滔曹结东.射弹冲击带盖板 装药起爆过程数值模拟.含能材料():.():.蓝肖颖.破片冲击起爆屏蔽装药的临界判据.兵工自动化():.():.王昕蒋建伟王树有等.破片撞击起爆柱面带壳装药的临界速度修正判据.爆炸与冲击():.():.仝远李德贵聂源等.钨合金破片对屏蔽 炸药撞击起爆数值模拟.空天防御():.():.高鹏徐豫新赵春龙等.动能块对屏蔽 炸药冲击引爆效应研究.弹箭与制导学报():.():.杜宁赵梓淇熊玮等.壳体厚度对装药爆炸冲击波特性影响研究.弹道学报():.():.刘鹏飞智小琦杨宝良等.破片冲击起爆屏蔽 炸药兵 器 装 备 工 程 学 报:/./比动能阈值研究.火炸药学报():.():.郭锡监高桂清.反导系统作战效能研究.现代防御技术():.():.周宵灯崔村燕赵蓓蕾等.破片飞散仿真 方法中的初始粒子间距.兵器装备工程学报():.():.王树山李朝君马晓飞等.钨合金破片对屏蔽装药撞击起爆的实验研究.兵工学报():.():.():./.辛春亮.有限元分析常用材料参数手册.北京:机械工业出版社:.:.:.():.科学编辑 王光宇 博士(南京理工大学)责任编辑 胡君德孙乔溪等:含攻角动能块撞击带壳 炸药冲击起爆阈值研究