射流斜侵彻薄层装药结构数值模拟和试验研究.pdf

火工品2023年0 8 月INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：10 0 3-148 0（2 0 2 3）0 4-0 0 43-0 72023年第4期射流斜侵彻薄层装药结构数值模拟和试验研究梁宇，李如江，张华申，王云鹏（中北大学环境与安全工程学院，山西太原，0 30 0 51）摘要：为揭示聚能射流以不同法线角侵彻时薄层装药反应装甲中夹层药的起爆和传爆规律，开展了聚能射流斜侵彻薄层装药反应装甲试验，并采用动态有限元软件ANSYS/LS-DYNA对侵彻过程进行了数值模拟，分析了夹药层单元反应情况。结果表明：聚能射流在引爆夹层药后，初始爆轰波传播方向与射流侵彻方向相同，且在起爆点周围形成半圆环状死区；随着爆轰增长，爆轰波绕过死区，在药层中继续稳定传播，波阵面呈椭圆形。拟合出某一时刻的爆轰波波阵面曲线公式，得到了法线角对爆轰波波阵面的影响规律：当法线角为0 时，爆轰波波阵面呈圆形；随着角度增大，波阵面变成椭圆形；法线角556 5时，爆轰绕射现象使椭圆形长短径位置发生互换，导致夹层药单元全部反应。关键词：反应装甲；薄层装药；侵彻角度；传爆机理；爆轰绕射中图分类号：TJ481+0.38Numerical Simulation and Experimental Study on Oblique Penetration of Thin Layer Charge by Jet(School of Environmental and Safety Engineering,North University of China,Taiyuan,030051)Abstract:In order to reveal the initiation and detonation propagation laws of sandwich charge in the thin layer chargereaction armor when the shaped charge jet penetrates at different normal angles,the oblique penetration tests of shaped charge jetinto the thin layer charge reactive armor were carried out.The penetration process was numerically simulated using the dynamicfinite element sofware ANSYS/LS-DYNA,and the reaction situation of the sandwich layer element was analyzed.The resultsshow that after the shaped charge jet initiates the sandwich charge,the initial detonation wave propagation direction is the same asthe jet penetration direction,and a semicircle annular dead zone is formed around the initiation point.With the growth ofdetonation,the detonation wave bypasses the dead zone,continues to propagate stably in the charge layer,and the wave front iselliptical.The curve formula of detonation wave front at a certain time is fitted,and the influence rule of angle on detonation wavefront is obtained:when the normal angle is O,the detonation wave front is circular;With the increase of the angle,the wave frontbecomes elliptical;When the normal angle is 55 65,the detonation diffraction phenomenon makes the positions of the ellipticallong and short diameters exchange,leading to the reaction of the entire sandwich propellant unit.Key words:Reactive armor;Thin layer charge;Penetration angle;Explosion transmission mechanism;Detonationdiffraction文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1003-1480.2023.04.009LIANG Yu,LI Ru-jiang,ZHANG Hua-shen,WANG Yun-peng主装甲上附加爆炸反应装甲（ERA）防护技术被广泛应用于装甲车辆的防护。ERA的基本结构是“三明治”式平板装药结构，即2 层金属板之间夹有1层收稿日期：2 0 2 2-11-16作者简介：梁宇(1997-)，男，硕士研究生，从事装甲防护技术研究。通讯作者：李如江(197 8-)，男，副教授，从事装甲防护技术研究。基金项目：山西省自然科学基金（No.201901D221130）。钝感粘性混合炸药，药层典型厚度为2 3mml。当装甲车辆受到聚能射流攻击时，炸药被引爆，对射流进行干扰破坏。国内外对ERA与聚能射流的相互作44用进行了大量研究。M.Mayseless 等2-3 建立了卵石干扰物理模型，以质量流比为依据描述了射流与飞板的作用过程，并通过分析飞板材料厚度对聚能射流的破坏效率将质量通量模型扩展为分析模型。MickovicD等4 基于物理基础理论模型对 ERA进行了效能评估。朱定波等5 在Grazing模型的基础上建立了飞板与射流之间的间断、连续干扰分析模型。1I.F.Kobylkin 等6 分析了射流与飞板的静态和非稳态相互作用机制，确定了影响参数范围。毛东方等7 通过数值模拟分析了影响反应装甲性能的各项因素，对反应装甲结构进行了优化。Bianchi S8，王玲9，李如江等10 分别研究了陶瓷、纤维增强复合材料、氧化铝和碳化硅陶瓷作为反应装甲包覆板时的防护性能。前期研究均表明ERA发生爆炸可以有效降低聚能射流的毁伤效果,但同时也会对装甲车辆和周围环境造成附带损伤。而薄层装药ERA由于减少了药室药量，能够对ERA爆轰能量进行有效控制，限制射流反应区域，从而降低ERA爆炸时的附带损伤效应。但目前对于薄层装药ERA作用过程中的各种起爆、传爆细节及其结构内部物理现象的研究还未见报道。为探究薄层装药反应装甲中夹层药的起爆和传爆规律，试验研究了射流以不同法线角侵彻时反应装甲包覆板的毁伤及后效靶穿深情况，并对其作用过程进行了数值模拟，分析了不同时刻夹层药单元中的压力流场、反应度及夹层药爆轰波成长历程，拟合出某一时刻的爆轰波波阵面曲线公式，得到了法线角对爆轰波波阵面的影响规律，对薄层装药反应装甲的结构设计及防护机理的完善具有重要意义。1试验1.1试验装置采用36mm小口径聚能战斗部作为射流源，聚能装药为JH-2，密度为1.6 8 5gcm3；药型罩材料为紫铜、锥角为6 0、壁厚为1mm、炸高为110 mm。聚能战斗部水平放置，其口部与反应装甲表面、后效靶板的距离分别为110，2 7 5mm。反应装甲的包覆板采用2 0 0 mm200mm的45钢板，2 层包覆板之间用梁宇等：射流斜侵彻薄层装药结构数值模拟和试验研究验现场布置如图1所示。图1试验现场布置图Fig.1Layout of experimental site1.2试验结果与分析当法线角分别为50，55，6 5时进行射流侵彻反应装甲试验，试验后包覆板的毁伤情况如图2 所示，后效靶穿深结果如表1所示。背板(a）法线角为50 背板面板面板(b）法线角为55背板08-65(c）法线角为6 5图2 不同法线角下反应装甲包覆板的毁伤情况Fig.2The damage of reaction armor cladding plate underdifferent normal angles表1后效靶穿深试验结果Tab.1 Test results of aftereffect target penetration法线角/穿深/mm5030195510665713由图2 可知，3种法线角条件下，背板扩孔根部均存在大小相近的圆形烧蚀痕迹（由黑色箭头指出），这是射流头部作用在背板上的烧蚀痕迹，其面积大小与射流截面相当，并且随着法线角增大，烧蚀痕迹的位置逐渐远离扩孔。这是由于射流与背板的相互作用具有连续性，导致射流在横向方向上产生磨损和小角度偏转；并且法线角增大使射流穿过面板的路径变2023年第4期与包覆板等长、5mm宽的橡胶封边，中间填充B炸药，装药密度为1.7 2 gcm3，药层厚度为0.8 mm。试背板背板开坑尺寸/mm15.010.01.7背板2023 年0 8 月长，从而消耗射流头部更多能量，导致射流侵彻背板时的轴向穿透力减弱，因此射流与背板的接触点发生滑移。此外，扩孔周围存在不同面积的近似椭圆形印痕（由黑色虚线圈出），这是由于当射流以不同法线角侵彻时，起爆点产生爆轰波的传播情况不同，导致爆轰波引爆夹层药的面积不同，因此反应结束后背板上的痕迹不同。3种法线角下，夹层药残留量与包覆板烧蚀痕迹不同，表明薄层装药结构发生了不同程度的爆炸反应。法线角为50 时，背板上残留大量散布不均的夹层药，包覆板未出现明显形变，仅在射流侵彻面背板处即扩孔周围存在小面积烧蚀痕迹；法线角为55时，背板扩孔周围夹层药残留量有所减少，面板局部向外膨出，并且出现大面积的烧蚀痕迹（由红色箭头指出），表明薄层装药结构发生了局部爆炸。法线角为65时，包覆板上无残留的夹层药，背板两侧因爆轰产物的高压作用朝内弯曲，导致残余射流及射流杵体作用于背板，使背板弯曲程度严重，同时爆炸后的爆轰波印痕清晰，表明薄层装药结构完全爆炸，其后效靶穿孔深度较法线角为55的情况降低了8 3%2有限元建模2.1计算模型由于聚能射流侵彻薄层装药反应装甲过程为多物质相互作用的高应变、高应变率的大变形运动，因此采用ANSYS/LS-DYNA非线性动态有限元软件建立计算模型。由于该模型具有对称性，因此采用1/2计算模型。其中，空气和聚能装药采用欧拉算法，反应装甲面板、背板和夹层药采用拉格朗日算法，靶板、空气和药型罩之间采用流固耦合算法。建模过程中施加非反射边界条件，并对模型进行三维网格划分，计算区域网格为1mm1mm1mm。2.2材料模型聚能装药JH-2采用JWL状态方程描述：p=AwLleV+QEeVBRVJWL式（1）中：V=pdp，V为相对体积，p为爆轰产火工品物密度，po为炸药初始装药密度；E=poe，E为单位体积内装药的初始内能；AjWL、BW L、R 1、R 2、为炸药的材料参数。聚能装药主要参数如表2 所示。表2 聚能装药主要参数I2Tab.2Main parameters of shaped charge参数p/(g:cm3)ArwL/GPaBrwL/GPaR1R2D/(msl)紫铜药型罩、反应装甲面板、背板和后效靶采用Johnson-Cook模型及Grineison方程描述。Johnson-Cook模型的屈服强度为：,=Ae+B,e;式（2）中：,为流动应力；AJ-c为材料的初始屈服应力；BJ-c为应变硬化系数；n为应变硬化指数；C为应变率系数；m为热软化指数；为等效应变；：为无量纲化等效塑性应变率，：=e,/eo，e,为试验应变率，为参考应变率，常取1s；T*为无量纲化温度，T*-(T-Toom)(Tmelt-Toom)，T 为试验温度，Toom为室温，Tmelt为材料熔化温度。紫铜和钢的压力采用Grineisen方程描述：1+_Y2p=P.Cuu+1u+1式（3）中：C为sp曲线的截距，p为质点速度，us为冲击波速度；%为Grineisen常数；为%的一阶体积修正；Si、S2、S3为sp曲线斜率的系数。紫铜和45#钢材料主要参数如表3所示。表3紫铜和45*钢材料主要参数1314ITab.3Main parameters of copper and 45#steel materials参数p/g:cm)Ac-J/GPaBc.J/GPanCimCo/(kms-)S(1)反应装甲夹层药用Lee-Tarver三项式点火增长状R.VV45数据1.71524.237.684.21.10.340.8321+Cln 81-T*m(2)a245#钢7.853503000.250.0141.034.571.331.67态方程描述：(3)Cu8.960.0900.290.310.0251.093.941.491.99观测点46dFI(1-F)dtPo式（4）中：F为反应分数，在模拟爆轰过程中控制着炸药化学能的释放；t为时间；po为初始密度；p为当前密度；p为C-J爆轰压力；I、G i、G 2、b、x、a、c、d、y、e、g 和z均为常数。该模型假设一小部分炸药通过激波点燃，然后根据周围未反应炸药的压力和表面积调节反应增长和向爆轰的过渡。状态方程的第1项控制部分材料的点火，第2 项控制反应的增长，第3项有助于快速过渡到爆轰。夹层药主要参数如表4所示。表4夹层炸药主要参数4Tab.4Main parameters of sandwich explosive参数数值p/(g:cm-)1.717Pc-/GPa27/us-4.41011G/(us:GPar)310G2/(s:GParl)4104D/(cm:usl)6930Gimin0数值模拟结果与分析33.1后效靶穿深模拟结果3种法线角下的后效靶穿深模拟结果如图3所示。由图3可见，法线角分别为50，55，6 5时的穿深结果分别为12.1，10.2，2.0 mm，与试验结果符合较好。735318(1.04373)737210(b）法线角为55图3数值模拟穿深结果Fig.3 Results of numerical simulation penetration3.2夹层药单元的压力及反应度时间曲线为了进一步分析夹层药内部的爆炸情况，以与药型罩同一轴向上的药层单元为起点，在夹层药内设置9个观测点，每个观测点相距5mm，如图4所示。梁宇等：射流斜侵彻薄层装药结构数值模拟和试验研究-1-+G(1-F)Fp+G,(1-F)Fsp(4)参数G2minCdgb735298(1.20925)736459(a）法线角为50(c)法线角为6 52023年第4期模拟得到9个观测点的炸药压力值和反应度，用以判断夹层药的爆轰反应程度：当观测点炸药反应度小于1时，判定该区域内未发生爆轰反应；当炸药反应度达到1，并且出现压力突跃时，判定该区域内发生爆轰反应15。不同法线角下观测点的压力和反应度时间曲线如图5所示。a区区b区背板数值0.50.6670.1112.01.01.00.667(0.200528)735298736853聚能射流面板9图4射流斜侵彻薄层装药结构模拟效果图Fig.4Simulation effect diagram of jet oblique penetrationinto thin layer charge structure102834656edod748920263034384246t/s(a)法线角为 50 301.02522045156710950263034,384246t/s(b)法线角为55201.0r20.815341056789S0263034384246t/us(c）法线角为6 5图5观测点的压力和反应度时间曲线Fig.5 Pressure vs time curve and reactivity vs time curve ofobservation point由图5可知，当0=50 时，夹层药先受到射流侵彻面板的前驱冲击波间接加载，前驱冲击波强度在纵向传播过程中逐渐减弱，因此夹层药所受压力沿药厚1.00.80.60.40.20263034384246t/s0.8230.660.4890.20263034384246t/us20.660.4890.20263034384246t/s245682023 年0 8 月方向递减、以碰撞区域为中心径向递减，同时夹层药还受到加速面板的压缩，观测点5在此阶段的压力为1.86GPa；之后射流穿透面板直接作用炸药，观测点6的压力峰值达到9.6 8 GPa，超过夹层炸药的起爆压力，但反应度未达到1，这是由于高压的持续时间过短，其冲击能量不能支撑热点燃烧转爆轰的整个过程。当0-55时，观测点6 的压力为11.0 3GPa，超过夹层药起爆压力，且反应度达到1，燃烧转爆轰后爆轰波传播至各个观测点，此时出现一个特殊现象，与射流相反方向的观测点在十几微秒后开始发生反应，高压使受冲击的炸药发生激烈反应，观测点2 的压力值达到2 7.0 8 GPa。当0-6 5时，观测点2 的压力在43s时为2 0.50 GPa，随着法线角增大，观测点2 的压力峰值下降，但仍远高于相对位置观测点8 的压力峰值，表明结构的不对称性在夹层药反应时会引起爆轰火工品药单元反应产生的初始爆轰波和射流在背板上溅射时对炸药的剪切共同作用下，b区炸药先发生爆炸。当t=34s时，法线角为50 时的爆轰波压力峰值为0.18 GPa，弱冲击作用未能使爆心周围的炸药发生反应；而法线角为55和6 5时部分炸药单元发生反应，爆轰波阵面的曲率半径变大。其中，法线角为55时波阵面绕过y轴；法线角为6 5时波阵面在xy面，在y轴靠近起爆点的夹层药未发生反应，且云图上出现了“漩涡”。这是由于在爆轰波形成的同时，由界面向爆心反射回一个稀疏波，使爆轰产物发生膨胀，此稀疏波在爆心汇聚后又向外传播一个压缩波，稀疏波和压缩波相互作用，因传播方向、速度、压力差异而形成漩涡。1.607e-021.405e-02Pressure1.203e-02472.475e-012.755e-01Pressur2.196e-012.218e-012.469e-01Pressure5.958e-03_7.981e-031.000e-02波的传播方式发生改变。3.935-03-1.117e-041.912e-033.3夹层药中爆轰波成长历程-2.135e-03-4.158e-03法线角为50 爆轰波是一种伴随有快速化学反应区的冲击波，其波阵面压力高，因此模拟中可以用夹层药在不同时刻的压力云图来描述爆轰波的传播问题。为方便描述爆轰波的传爆方向，以夹层药中心单元作为原点，在药层上建立二维坐标系。当射流初碰反应装甲时，经面板传人夹层药的冲击波会对药层起到预压缩作用，并且由于射流有超声速、压力高的特点，所以它将穿透面板对药层进行绝热压缩，在接触部位产生热点16-1。由于侵彻角度的改变使射流加载面积变得不对称，因此将夹层药分为a、b、c 3个区域，如图4所示。典型时刻下夹层药中的爆轰波波形如图6 所示，图6 中压力单位为Mbar。由图6 可见，t=31s时，射流头部穿透背板，此时夹层药区的某一单元被引爆，从起爆点形成的球形爆轰波由中心向四周扩展。3种法线角下的夹层药中均出现沿xy方向传播的爆轰波阵面，这是由于射流在扩孔阶段产生的高压使面板发生塑性形变持续挤压a区炸药，使a区炸药结构紧密、感度降低，而b区炸药紧贴着的面板在扩孔时朝射流相反方向卷边，使b区炸药受挤压程度较a区小，因此在c区炸1.357e-011.636e-011.916e-011.077e-015.176e-027.9730-024.177e-032.379e-02法线角为55(a)31 sPressurePressure4.826e-033.283e-013.762e-032.949e-012.699e-032.616e-011.636e-032.283e-015.721e-041.949e-01-4.914e-041.6160-01-1.555-031.283e-01-2.618-03-3.682e-034.745e-03-5.809e-03法线角为50 Pressure2.267e-031.769e-031.270e-037.715e-042.729e-04,-2.256-04-7.242e-04-1.223e-03-1.721e-03-2.220e-03-2.718e-03法线角为50 Pressure1.207e-035.194e-04-1.678e-04-8.549e-04-1.542e-03-2.229e-03-2.96-03-3.604e-03-4.291e-03-4.978e-03-5.665e-03法线角为50 图6 典型时刻下夹层药中爆轰波波形Fig.6 Detonation waveform in sandwich charge at typicaltime当t-37s 时，随着爆轰反应的快速进行，稀疏波和压缩波持续互相干涉，导致“漩涡”面积变大，1.967e-011.716e-01_1.465e-011.213e-019.623e-027.111e-024.5990-022.08e-024.240e-03法线角为6 5Pressure2.948e-012.650-012.3520-012.054e-01_1.756e-011.458e-011.160e-019.495e-028.622e-026.162e-025.642e-022.829e-022.6626-02-5.042e-03-3.184e-03法线角为55法线角为6 5(b)34 usPressure3.404e-0.061e-012.718e-012.374e-012.031e-011.688e-011.345e-011.001e-016.581e-023.148e-02-2.845e-03法线角为55(c)37 usPressure3.381e-012.690e-013.035e-012.345e-012.00e-011.654e-011.309e-019.638e-026.186e-022.733e-02-7.197e-03法线角为55(d)41 sPressure3.348e-013.010e-012.672e-012.334e-011.995e-011.657e-011.319e-019.804e-026.421e-023.038e-02-3.4e-03法线角为6 5Pressure3.435e-013.084e-012.733e-012.3820-012.031e-011.680e-011.329e-019.780e-026.271e-022.762e-02-7.473e-03法线角为6 548成半圆状。同时爆轰的增长使弧形爆轰波曲率不断变大汇聚于-x轴方向，爆轰波碰撞的聚能效应18 使碰撞点处的压力比波阵面其他位置压力高出十几吉帕，最终引爆-x轴方向药层单元。当t=41us时，法线角为50 时炸药单元未发生反应。法线角为55,6 5时夹层药已反应区域中，“漩涡”部分仍然存在，表明漩涡即为死区。药层上爆轰波阵面形状较上一个时刻无较大变化，表明爆轰波从非定常传播转人定常传播阶段。综上所述，夹层药中爆轰波的成长历程如图7 所示。a区c区31初始爆轰波波阵面34us非定常爆轰波波阵面6区定常爆轰波波阵面图7 夹层药中爆轰波的成长历程Fig.7Growth process of detonation wave in sandwichpropellant3.4爆轰波波阵面曲线公式法线角为6 5时的夹层药单元压力云图、背板单元应力云图及试验背板照片如图8 所示。由图8 可见，在同一时刻夹层药爆轰波波阵面与背板应力云图中的范围边界形状吻合，并且与试验背板上得到的爆轰波印痕轮廓相似（红色实线圈出）。因此试验中爆轰波传播规律可以通过模拟分析夹层药爆轰波波阵面形状得出。0（a）夹层药单元压力云图（b）背板单元应力云图（c）试验背板图8 法线角6 5时模拟效果及试验背板对照图Fig.8 Comparison diagram of simulation effect andexperimental backplane at 65normal angle为拟合得出爆轰波波阵面曲线公式，补充了法线角分别为0，30，45，6 0，7 0，8 0 时夹层药中爆轰波的传播情况，选择固定时间节点=37 us，整合仿真中梁宇等：射流斜侵彻薄层装药结构数值模拟和试验研究/37us41us0X2023年第4期夹层药单元坐标点，使用MATLAB软件中的机械臂算法对数据进行处理，将三维空间中的爆轰波阵面转成二维，用非线性最小二乘法拟合出该时刻的爆轰波波阵面曲线公式：(5)(0)+B(0)式（5）中：()、()分别为=37 s 时不同法线角下的夹层药中爆轰波波形的长径、短径，cm，计算结果如表5所示。法线角的改变会影响夹层药中爆轰波波阵面发生变化，从而导致薄层装药结构发生不同程度的爆炸。采用图8 中的二维坐标系描述爆轰波长短径位置，结合表5可知，斜侵彻薄层炸药起爆时产生的爆轰效应具有不对称性，如图9所示。表5不同法线角下的特征参数Tab.5Characteristic parameters of different normal angles法线角0/03045505560657080(a)0(d)60图9t-37s不同法线角时夹层药的爆轰波波阵面Fig.9 Detonation wave front of sandwich charge at differentangles at t=37 s8由图9可知，当法线角为0，波阵面呈圆形；随着法线角增大，波阵面形状变为长径在x轴、短径在y轴的椭圆形；当法线角增大至50 后，爆轰波波阵面的长短径位置互换，这是因为夹层药中爆轰绕射现象的出现引爆y轴方向的药层单元后爆轰反应快速成长，最终导致整个夹层药单元全部反应。当法线角进一步增大至7 0 后，法线角的增大导致射流侵彻面板的路径变长，此时射流刚穿过面板接触到夹层药，药=1(0)/cm3.45013.700 43.50263.277 24.25084.318 43.94172.10131.309 1(b)30(e)70(0)/cm3.450 13.60523.418 83.341 94.715 65.26034.573 11.49771.069 1(c)45(f)8052023年0 8 月层单元还未反应，因此爆轰波波阵面的长轴在x轴。由表5数据拟合得到的()、()分别为：(057.54)2-(0-6.073)2()=1.061ee3.002+3.166e32.13(0-57.33)2(0+0.208 3)2()=1.513e(2.227）+2.609e(15.03公式（6）（7）是以36mm小口径聚能战斗部作为射流源，薄层装药反应装甲结构为3mm-0.8mm-6mm，法线角在0 90 范围内的爆轰波波阵面曲线公式，当射流直径、速度、薄层装药和包覆板厚度等因素发生变化时，需对公式进行修正。4结论（1）聚能射流斜侵彻薄层装药结构试验中回收的包覆板上存在波状印痕，且法线角不同时印痕的形状也不同。结合数值模拟中观测点的压力及反应度时间曲线，得出法线角为50，55，6 5时的薄层装药结构内部均发生了爆轰反应，薄层装药结构对射流能否起到干扰作用的关键在于起爆区域能否更好传爆。（2）数值模拟结果显示射流用倾斜侵彻方式起爆薄层装药，初始爆轰波阵面在夹层药中朝射流相同方向传播，之后发生爆轰绕射现象，爆轰波在绕过死区后波阵面成椭圆形在药层稳定传播。（3）拟合出t-37us时的爆轰波波阵面曲线公式，得出角度对爆轰波波阵面的影响规律：当法线角为0，爆轰波波阵面呈圆形在药层中传播；随着角度的增大，波阵面变为椭圆形，法线角556 5时，爆轰绕射现象使椭圆形长短径位置发生互换，最终导致夹层药单元全部反应。参考文献：1黄正祥.聚能装药理论与实践M.北京:北京理工大学出版社,2 0 14.2Mayseless M,Ehrlich Y,Falcovitz Y,et al.Interaction ofshaped-charge jets with reactive armorCJ/Proceedings of the8th Int.Sym.on Ballistics.1984.火工品3 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