战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:北京理工大学青年教师学术启动计划国家自然科学基金项目()作者简介:周睿达()男硕士研究生:.通信作者:吴艳青()女 博士教授博士生导师:.:./.战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究周睿达吴艳青杨 昆薛海蛟(北京理工大学 北京)摘要:针对战斗部侵彻过程中 装药损伤及安定性预测问题应用 炸药微裂纹 微孔洞损伤点火细观模型研究了战斗部装药损伤演化及热点生成机理分析了战斗部侵彻过程中不同温升机制对热点生成的影响对比研究了战斗部前端有无缓冲材料对侵彻过程中装药力学损伤与点火响应的影响规律 结果表明侵彻混凝土厚靶时战斗部内部装药经历多次压缩 反弹过程反复加卸载环境使得装药内部的微缺陷损伤加剧累积包括微裂纹的扩展和孔洞塌缩进而导致装药头部和尾部的热点产生微裂纹的摩擦生热为 装药主导的温升机制添加缓冲材料可有效减少装药损伤、热点温升幅值及裂纹热点密度并能有效降低装药头部的孔洞坍塌温升及宏观体温升关键词:战斗部装药侵彻安定性微缺陷损伤热点生成本构模型本文引用格式:周睿达吴艳青杨昆等.战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引言侵彻战斗部服役环境随战略要求变得愈发苛刻弹体内装药的损伤程度与位置密切相关同时主装药的力学损伤会促进热点形成导致意外点火从而影响战斗部侵彻安定性与毁伤能力 因此研究战斗部装药侵彻过程中的装药细观损伤演化、热点形成规律对侵彻安定性具有重要意义近年来相关学者开展了弹药侵彻安定性的试验研究对薄壁含装药弹体的撞击变形进行研究发现侵彻后装药头部和尾部的密度变化很大尾部变形严重 陈文的研究表明在侵彻过程中装药前端、尾端会产生较多裂纹并且损伤装药的感度显著提高 高金霞等进行了钻地弹侵彻单层靶和多层靶的实验分析钻地弹在侵彻多层靶板时由于损伤的不断累积及攻角变化导致装药发生点火与爆燃但由于侵彻实验成本高、危险性较大且无法准确反映侵彻过程中装药的动态损伤过程随着人们对于侵彻过程中多种点火机制理解的逐步加深为弥补实验手段的局限性有限元数值仿真方法已成为学者研究侵彻过程中弹体内部装药的损伤机制和安定性的重要手段 王佳乐等通过构建不同装药方式的弹丸模型对比研究了装药方式对侵彻安定性的影响 李媛媛、王政等对含装药斜侵彻问题进行三维数值计算指出在侵彻前期阶段由于压缩应力波传播装药的头部压实使得尾部与金属壳体之间出现空隙 但传统的冲击点火判据 将压力、撞击速度及作用时间的乘积作为判断点火的标准但实际结构中由于材料、结构等的差异装药的力学响应参数、存在差异 值存在不确定性不能很好地判断侵彻过程装药安定性侵彻过程中装药处于复杂应力载荷下 材料内部应力状态呈不均匀分布 从而引起能量局域化而产生热点 可通过装药的力学损伤 点火行为来构建细观本构模型来模拟炸药内微缺陷演化及热点形成过程从而分析一种或者多种热点机制依次或同时影响炸药的点火行为发展的各向异性统计裂纹模型()成丽蓉等通过孔洞周围添加裂纹构建了包含 种热点生成机制的细观模型并给出了战斗部在侵彻单层和多层靶板时导致点火的温升主导因素及机理但大部分学者关注不同侵彻条件下的装药安定性但战斗部结构不同导致其损伤演化和对应的非弹性功累积及热点形成有所差异目前考虑此方面对装药点火响应的影响研究较少本文中立足前期发展的 炸药微裂纹 微孔洞力热化学耦合细观模型并基于结构装药进行修正通过分析战斗部侵彻过程中装药的力学 损伤 点火响应特性利用数值模拟方法研究侵彻过程中装药的动态响应对炸药损伤 热点形成的影响对比并研究了有无缓冲层战斗部侵彻过程中的温升机理为战斗部优化防护提供参考 本构模型.炸药微裂纹 微孔洞力热耦合细观模型 本构模型的总应力、应变由微裂纹相关偏量部分和微孔洞相关体量部分共同构成并通过 模型进行耦合总体偏应变又由粘弹性应变、塑性应变及微裂纹应变组成即:()炸药材料的塑性变形由 塑性理论以及屈服函数进行描述 塑性偏应变率可表示为:()()通过 模型来描述微裂纹张开/剪切扩展引起的裂纹应变 材料的偏量本构关系为 ()()()(/)(/)/(/)()/()(/)/()式()、式()中:为剪切模量 为微裂纹初始特征尺寸 为松弛时间炸药材料的体量本构关系可由 状态方程表示即()()()()()式()中:为材料密度 为 的孔隙率 和 分别为 的密度与比内能 为 炸药的材料参数 为 系数 主裂纹方向及演化由 能量释放率裂纹扩展准则确定.热点温升机制模型考虑了包括拉伸张开、剪切张开、纯剪切、剪切摩擦、摩擦自锁在内的 种微裂纹演化模式以及微孔洞坍塌与扭曲变形 种孔洞演化模式分别求取 类热点的温升及非弹性功导致的整体温升周睿达等:战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究当微裂纹处于剪切摩擦状态下且裂纹面的摩擦力小于受到的剪切力(非自锁状态)裂纹面上摩擦生热可能导致晶体熔化、传热、点火通过一维热传导方程描述温度的升高与传递()/()式()中:为沿微裂纹法向的坐标轴等式右端 项分别表示热传导项、化学反应释放热量、以及熔化区域()液相粘性流动生热、分别表示微裂纹热点温度、定容比热、热传导系数及单位质量化学反应放热 和 为反应速率方程参数 ()为熔化百分数为熔化区域粘性系数为熔化区域剪切应变率为微裂纹滑动速度 为熔化区域宽度微孔洞周围材料温度()分布情况由一维球形热传导方程进行描述即:/()炸药材料的整体温升()速率由粘性功、塑性功、微裂纹扩展对应的非弹性功 共同计算得到有 ()()式()中:第一项为热传导项为绝热压缩加热功率最后一项为整体化学反应生热速率为拉普拉斯符号 为非弹性功生热转化百分比程序结构框架如图 所示图 程序结构框架示意图.战斗部装药损伤及热点生成研究.有限元模型及其验证利用用户自定义材料子程序 将炸药微裂纹 微孔洞力热耦合细观模型()嵌入商用软件 中并加以验证模型能够较好的表征 在不同应变率下的变形与损伤在战斗部侵彻多层靶板时随着损伤和变形的累积最终点火发生在侵彻第 层靶板 模型标定与验证如图 所示图 模型标定与验证.本次侵彻安定性的仿真计算中采用/模型计算壳体与装药之间的摩擦系数设为.根据各部件的结构参数建立有限元模型如图 所示 材料参数如表 所示表 材料参数 参数单位.()().兵 器 装 备 工 程 学 报:/./续表(表)参数单位././.战斗部直径为 长度为 弹头为尖卵形引信部分简化为和壳体采用共节点连接的后端盖 钻地弹侵彻初速度为/混凝土靶体厚度为.采用塑性损伤模型弹体方向垂直于混凝土表面如图()所示其中砖红色部分为主装药材料为压装 主要参数如表 所示淡黄色部分为缓冲材料材料为聚四氟乙烯()银色部分为壳体材料为 钢缓冲材料与壳体均采用 模型图 含 装药的战斗部侵彻有限元模型.主装药变形及压缩波传播情况侵彻过程中主装药载弹体中的压力分布云图和变形如图 所示侵彻初期弹体头部受到强烈的压缩波作用与此同时药柱在惯性作用下向弹头方向压缩药柱尾部与弹体尾端脱开入射压缩波于.到达弹体尾部.时头部达到压力峰值此时药柱尾部行程最大随后药柱在弹性应变能和拉伸波的作用下恢复变形.时由于弹体前端穿出靶体此时装药尾部与弹体内壁碰撞最为剧烈 为进一步研究药柱内应力状态对损伤演化及热点温升的影响如图 所示沿中轴线在药柱头部、中部前端、尾部依次取 个位置输出其 应力、裂纹损伤变量、孔洞内径等变量的时间历程曲线图由图 可知从压力演化来看相较无缓冲材料添加缓冲材料后侵入初期位置 处应力峰值减弱并不明显但从图 中可以看出添加缓冲材料后应力峰值由原来的 降低至 表明缓冲材料能够起减弱战斗部前端输入应力的作用图 侵彻过程典型时刻压力演化情况.图 主装药不同位置 应力时程曲线.不同时刻主装药塑性变形如图 所示 在整个侵彻过程中无缓冲 结 构 战 斗 部 尾 端 分 离 最 大 距 离 为.缓冲结构战斗部由于头部缓冲层压缩程度更大分离距离 .表明此时药柱压缩到极限此时装药前端位置 处应力达到极值分别为 和 随后开始药柱开始回弹随后主装药的压缩与反弹交替发生在最后一次回弹时弹头穿出靶体时尾部碰撞最为严重应力迅速升高峰值均在 左右周睿达等:战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究图 不同时刻主装药塑性变形.添加缓冲材料后主装药头部的应力集中得到了明显改善应力集中会导致能量的聚积从而导致主装药发生不可逆的塑性变形 从图 中可以明显看出添加缓冲材料后主装药的塑性变形在整个空间中分布的更加均匀说明缓冲材料可以从减少结构内部的能量局部化进而影响战斗部在侵彻过程中的安定性.微缺陷损伤情况侵彻过程中装药头部最先出现微裂纹损伤和孔洞坍塌并不断扩展损伤演化情况与压缩波传播路径一致同时装药侧面由于摩擦作用也出现了相应的微裂纹损伤装药尾部裂纹和孔洞损伤出现在穿出靶体阶段 弹体不同时刻裂纹损伤及孔洞内径分布对比如图 所示 由于裂纹扩展损伤主要受拉伸和剪切状态影响由图 可得入射压缩波刚到达位置 直至.时刻位置 处并未发生明显的微裂纹损伤原因是对于位置 处该区域在侵彻初期一直处于压缩状态此区域为三向受压的应力集中状态对应区域中微裂纹处于摩擦自锁状态故而微裂纹不会发生扩展损伤而头部与中部的裂纹处于剪切状态微裂纹能量释放达到临界值导致微裂纹的扩展与损伤累积微孔洞随着压缩波传播而发生坍塌如图 中孔洞内径云图所示由于在位置 处产生应力集中故而位置 处的孔洞压塌情况最为严重并经历了多次损伤.时刻尾部由于弹性碰撞导致孔洞压塌.时刻后未添加缓冲材料与添加缓冲材料时整个弹体区域内孔洞内径最小分别为.和.图 不同时刻主装药中微裂纹损伤与孔洞内径分布.主装药不同位置裂纹损伤时程曲线如图 所示添加缓冲材料后整体裂纹损伤区域减少由图()、图()对比可得装药前端位置 处裂纹损伤起始时间由原来的.后延至.添加缓冲材料后位置 处无明显裂纹损伤表明添加缓冲材料能有效地降低微裂纹的产生与扩展图 主装药不同位置裂纹损伤时程曲线.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./主装药不同位置孔洞内径时程曲线如图 所示 由图()、图()可得添加缓冲材料后微孔洞的损伤起始时间并未发生明显改变但有效地降低了主装药前端位置 处孔洞坍塌损伤最终该位置处孔洞内径为.未添加缓冲材料装药头部孔洞内径为.表明缓冲材料在材料的反复加卸载中能起到较好的防护作用图 主装药不同位置孔洞内径时程曲线.温升情况分析取侵彻过程中装药头部与尾部危险点、对比研究 多类能量耗散机制的材料宏观温升特性及微缺陷附近非均匀局部温升特性可得到不同温升机制在战斗部侵彻安定性的贡献及该热点形成受到缓冲材料的影响 主装药前后段温度分布如图 所示图、图 为侵彻过程中单元内部 种生热机制引起的温升图 主装药前后段温度分布云图.由图 可知添加缓冲材料后在整个侵彻过程中相较未添加缓冲材料的战斗部结构装药前端达到危险温度()的单元数目由原来的 个降低至 个图 无缓冲主装药危险点微缺陷损伤及温升曲线.周睿达等:战斗部装药侵彻损伤及热点生成研究图 缓冲主装药危险点微缺陷损伤及温升曲线.裂纹温升主要集中在头部和尾部中部裂纹处于剪切张开状态虽然裂纹扩展但并不会引起摩擦温升由图()可得头部裂纹的扩展几乎与温升同时进行主要发生在侵彻初期的第一次压缩阶段 尾部裂纹的扩展发生在弹体穿出阶段且扩展速率和温升速率都要高于头部裂纹尺寸的增长加快了裂纹表面滑移速率进一步导致裂纹摩擦热的产生二者峰值都达到了 图()中孔洞温升主要来自于主装药中的孔洞坍塌总体影响较低其头部和尾部峰值分别为 和 同时由于热点密度较小产生的湮灭现象其热量以热传导的方式流向周围区域导致温升曲线的降低宏观体温升曲线与侵彻过程中的有效塑性功密切相关呈单调上升状头部宏观体温升较高峰值达到了 而尾部体温升仅为 可忽略不计 由图 可知添加缓冲材料后头部孔洞温升峰值由原来的 降低至 尾部孔洞温升峰值不变并且有效降低了侵彻过程中的孔洞坍塌与温升由于添加缓冲材料有效的减少了主装药头部的塑性变形及应力集中头单元的宏观体温升下降幅度最大由 降低至 结论)仿真结果表明侵彻过程中压力与应力极值均出现在装药头部整个侵彻过程中装药经历了多次压缩 反弹过程多次碰撞使得装药头部和尾部的能量聚集进而形成热点在战斗部设计时应加以防护)缓冲材料能明显改善装药在侵彻过程中的能量分布与应力集中情况使得主装药上的应力峰值由 降低至 降低约 能有效降低装药侵彻过程中危险点的塑性变形从而降低发生意外点火的可能)在添加缓冲材料后装药前端的损伤减少与缓冲材料直接接触位置初始损伤时间由.延至.定常侵彻阶段的裂纹损伤与孔洞损伤范围也明显减少说明添加缓冲材料能有效降低由于反复加卸载对装药造成的损伤)通过计算可知/速度侵彻混凝土靶板条件下裂纹摩擦温升为战斗部装药主导的温升机制添加缓冲材料后虽然对裂纹摩擦温升无明显影响但降低了裂纹的扩展与危险热点密度(危险热点单元数)同时由于减少了装药头部的应力集中与、塑性变形装药头部的孔洞坍塌温升由 降低至 宏观体温升由 降低至 参考文献:李媛媛南海.国外浇注 炸药在硬目标侵彻武器中的应用.飞航导弹():.():.():.:.陈文张庆明胡晓东等.侵彻过程冲击载荷对装药损伤实验研究.含能材料():.():.高金霞赵卫刚郑腾.侵彻战斗部装药抗过载技术研究.火工品():.():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.:.():.张琪林段卓平孟凡星等.浇注炸药 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