复合壳体对炸药抗破片冲击起爆影响研究_赵宇峰.pdf

 振动与冲击 第 38 卷第 20 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol．38 No．20 2019 基金项目 国家自然科学基金 11472053 收稿日期 2018 －04 －04修改稿收到日期 2018 －07 －13 第一作者 赵宇峰 男， 博士生， 1987 年生 通信作者 董永香 女， 副研究员， 博士生导师， 1973 年生 复合壳体对炸药抗破片冲击起爆影响研究 赵宇峰，路志超，董永香，安二峰，冯顺山 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081 摘 要 主要针对复合壳体对炸药抗破片冲击起爆的防护问题， 基于仿真和实验结果可行性校验基础上， 开展了 不同复合壳体对炸药层内压力峰值、 能量变化等影响特性研究。通过不同中间层复合壳体方案的对比可知， 低波阻抗复 合壳体 钢 － 聚脲树脂 － 钢 可使炸药层压力峰值大幅下降为单一钢壳体的 36; 结果同时表明中间层材料比强度越高， 抗破片侵彻和吸能性能越强; 改变复合壳体排列顺序， 将聚脲树脂作为壳体内衬时， 炸药层峰值压力仅为单一钢壳体的 30， 传入炸药层的能量比单一钢壳体降低近一个数量级; 当复合壳体厚度与单一钢壳体相同时， 钢 － 聚脲树脂复合壳体 中炸药的峰值压力降为单一钢壳体的 64， 传入炸药层的能量减少约一半。由此可见复合壳体显著降低了破片作用下 炸药层的峰值压力和传入炸药的能量， 可有效提高炸药抗破片冲击起爆的能力。研究结果可为复合壳体用于炸药抗冲击 起爆的设计与分析提供重要参考。 关键词 复合壳体; 炸药; 冲击起爆; 压力峰值; 吸能性能 中图分类号 TJ410． 1 3文献标志码 ADOI10． 13465/j． cnki． jvs． 2019． 20． 019 Influence on shock initiation of composite shell charges underthe impact of fragments ZHAO Yufeng，LU Zhichao，DONG Yongxiang，AN Erfeng，FENG Shunshan State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China AbstractThe shock initiation of composite shell charges under the impact of fragments was studied． Simulations were compared with experimental results． The research on the pressure peak and energy change of the explosive in the protection of the different composite shell was carried out． By comparing different configurations，it was obtained that the pressure peak of the explosive in the protection of the composite shell with low wave impedance of the interlayer material reduce to 36 of that obtained from single steel shell． And the result also shows the higher strength and modulus of the interlayer material， the better perance of against penetration of fragments and energy absorption of the composite shell． By changing the arrangement of composite shell，placing the SPUA near the explosive，the pressure peak of explosive is 30 of the single steel shell，and the absorption of energy is a magnitude lower than that of the single steel shell． With a certain thickness of the composite shell，it is found that the pressure peak of the explosive of the steel- SPUA shell is 64 of the single steel shell， and the energy transmitted into explosive is half of the single steel shell． Therefore， the composite shell reduces pressure peak and the energy transmitted into composition B significantly，and improves the ability of explosives against shock initiation of fragments． Key words composite shell; explosive; shock initiation; peak pressure; energy absorption 破片或子弹撞击炸药层的安定性一直是弹药安全 性研究的重点， 目前国内外学者对这方面进行了大量 的研究。Chen 等 ［1 ］利用 AUTODYN 软件对高速碰撞下 炸药的冲击起爆进行了数值模拟， 结果显示 PBXN- 110 炸药的起爆速度阀值要远远低于 LX- 17; 李小笠等 ［2 ］研 究了球形、 平头圆柱和立方块三种形状的破片对带壳 装药的冲击起爆能力， 表明除了破片几何尺寸和质量 外， 破片的着靶姿态对冲击起爆速度阀值有明显影响; 梁争锋等 ［3 ］通过工程理论计算、 数值模拟和实验得出 了适用于小质量规则破片对屏蔽 B 炸药起爆速度阀值 的工程理论计算公式; 孙宝平等 ［4 ］提出在数值仿真中 采用节点约束 － 分离方法、 热弹塑性材料本构方程和 化学动力学方程可以有效地描述炸药层在破片撞击作 用下的破坏行为和点火反应; 贾宪振等 ［5 ］探讨了 B 炸 药在钨球撞击下的起爆机理。 ChaoXing 在提高抗冲击性能方面， 由于新型防护材料拥有 较高的比强度、 比模量， 其抗震疲劳性和减震性大大超 过金属材料， 并且具有较好的动能吸收性， 在人体防护 和军事仪器设备的防护上已经得到广泛的应用。目前 许多学者对复合壳体的抗冲击性能开展了大量的研 究 ［6 －8 ］， 陈薇［9 ］研究了玻璃纤维和凯夫拉复合材料及 其组合靶板的抗破片机理及弹道性能研究; 黄拱武 ［10 ］ 对弹体撞击带纤维软防护明胶靶标进行了数值模拟， 得出超高分子量聚乙烯纤维软防护前部纤维层的破坏 主要源于剪切作用， 而后部纤维层主要是拉伸破坏; 陆 晓等 ［11 ］则对碳纤维层合板抗高速碎片撞击进行数值仿 真， 发现纤维增强复合材料层合板在弹体横向高速撞 击下主要的失效形式为纤维剪切、 纤维和基体分离、 分 层破坏以及拉伸失效。 本文拟采用低波阻抗中间层的复合壳体来提高炸 药抗冲击起爆的性能， 在等面密度条件下， 开展不同中 间层材料、 不同排列顺序和等厚度复合壳体对破片冲 击起爆炸药的影响特性研究， 分析相同破片冲击速度 下， 炸药层压力和传入能量等动态响应， 进一步获得复 合壳体对炸药抗破片冲击起爆的影响特性。 1冲击复合壳体仿真模型可行性验证 1． 1仿真模型 为校验复合壳体对炸药冲击起爆模型的可行性， 基于 ANSYS/LS- DYNA 软件进行仿真， 采用与实验 ［12 ］ 相同的破片和组合靶建模， 仿真模型与实验靶标如图 1 所示。根据结构的对称性建立 1 /4 三维有限元模型。 图 1仿真模型与实验靶图片 Fig． 1Simulation model and experimental target 破片速度为 1 270 m/s， 质量为10 g， 材料为45 钢， 带壳 装药由钢圈、 顶板、 B 炸药、 鉴证靶和支撑板组成， 除炸 药其它均为 A3 钢。破片、 炸药及各靶板之间采用* CONTARCT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE 接触 算法。为描述防护靶和鉴证靶结构在冲击下的动态响 应， 引入涉及应变率和温度效应的 JC 模型， 材料参数 如表 1 所示， 由于鉴证靶尺寸远大于破片直径， 为便于 建模， 将方形鉴证靶和支撑板简化为柱形靶。本文重 点分析破片冲击下炸药的动态响应， 选用临界起爆压 力为判据判断炸药是否起爆， 为便于研究炸药层的压 力变化情况， 炸药选用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 模 型， 主要材料参数如表 2 所示。 表 1钢的主要材料参数［13 ］ Tab． 1Primary material parameters of the steel［13 ］ 材料ρ/ gcm －3 E/GPaμCPEPSOTR/K 45 钢 7． 82000． 34691e －6300 A3 钢 7． 82000． 34691e －6300 材料TM/KA/MPaB/MPaNCM 45 钢 17955063200． 280． 0641． 06 A3 钢 1795410200． 080． 1000． 55 材料D1D2D3D4D5 45 钢 0． 10． 761． 570． 005－0． 84 A3 钢 0． 30． 902． 8000 表 2炸药的主要材料参数［14 ］ Tab． 2Primary material parameters of the explosive［14 ］ 材料ρ/ gcm －3 E/GPaμσ/MPa B 炸药 1． 684． 10． 38200 1． 2仿真结果 通过计算得出 B 炸药在破片冲击下的峰值压力为 1． 99 GPa， 小于章冠人等 ［15 ］给出的 B 炸药临界起爆压 力 5． 63 GPa， 故炸药未起爆， 这也与实验结果 ［12 ］鉴证 靶上无爆轰痕迹一致; 仿真计算得到的顶板和鉴证靶 上的孔径和成坑直径分别为 17． 5 mm 和 13． 0 mm， 而 实验测得顶板和鉴证靶上的孔径和成坑直径分别为 17． 3 mm 和 13． 4 mm， 两者误差分别为 1． 16 和 2． 99， 仿真与实验结果图片见图 2 和图 3。通过对破 片冲击炸药复合壳体的仿真结果分析， 说明该仿真模 型得出的结果与实验相吻合， 用该模型进行后续研究 是可行的。 2不同复合壳体对炸药防护特性仿真 分别研究等面密度条件下不同中间层材料的复合 壳体、 不同材料排列顺序的复合壳体， 以及与单一钢壳 体同等厚度的复合壳体对炸药的防护能力。模拟时取 721第 20 期赵宇峰等 复合壳体对炸药抗破片冲击起爆影响研究 ChaoXing 图 2顶板仿真与试验结果对比 Fig． 2Comparison of simulation and experimental results of apical plate 图 3鉴证靶仿真与试验结果对比 Fig． 3Comparison of simulation and experimental results of identification target 破片速度1 000 m/s， 分析复合壳体和炸药的动态响应， 对比方案如表 3 所示。 表 3复合壳体仿真方案 Tab． 3Simulation schemes of composite targets 方案名称面靶中间层背靶 1Single Steel－Steel－ 2St － GF － StSteelGF SW210Steel 3St － Kevlar － StSteelKevlar 20796Steel 4St － SPUA － StSteelSPUASteel 5St － St － SPUASteelSteelSPUA 6St － St － SPUA 6 mmSteelSteelSPUA 2． 1计算模型 仿真基于上述校验模型， 如图 4 所示。复合壳体 和炸药均为柱形， 直径为 100 mm， 柱形破片材质为 45 钢， 尺寸为 12 mm 12 mm， 复合壳体中间层选用的材 图 4 1/4 有限元模型 Fig． 41/4 finite element model 料分别为 30CrMnSiNi2A 钢 St 、 SW210 牌号的玻璃纤 维布 GF 、 20796 牌号的凯夫拉纤维布 Kevlar 、 聚脲 树脂 SPUA ， 并建立厚度为 6 mm 的单一钢壳体 30CrMnSiNi2A 作为对比。 2． 2材料模型 破片和 B 炸药选用的材料参数和模型与校验方案 相同， 钢壳体采用随动硬化模型; 由于纤维增强复合材 料具有非均值和正交各向异性的特性， 在不同的方向 材料的性能参数有很大的区别， 选用 MAT_COMPOSITE _DAMAGE 材料模型， 聚脲树脂采用多线性弹塑性材料 模型 MAT_PIECEWISE _LINEAR_PLASTICITY， 各材料 的主要参数， 如表 4 ～ 表 6 所示。 表 4钢壳体的主要材料参数 Tab． 4Primary material parameters of protection steel 材料ρ/ gcm －3 E/GPaμσ/MPa 30CrMnSiNi2A7． 82100． 301 600 表 5聚脲的主要材料参数［16 ］ Tab． 5Primary material parameters of the SPUA［16 ］ ρ/ gcm －3 E/GPaμσ/MPaFALL 1． 020． 230． 415． 70． 85 表 6纤维复合材料的主要参数 Tab． 6Primary material parameters of the fiber composites 材料ρ/ gcm －3 E1/GPaE2/GPaE3/GPa G12/GPa GF1． 9320． 696． 896． 892． 5 Kevlar1． 4423． 28991． 65 材料G23/GPaG13/GPa μ12 μ23 μ13 GF1． 252． 50． 100． 100． 30 Kevlar3． 021． 650． 310． 310． 39 材料SC/GPaXT/GPa YT/GPa YC/GPa GF0． 0690． 2070． 0480． 103 Kevlar0． 391． 3050． 0480． 103 2． 3结果分析 2． 3． 1不同中间层材料复合壳体对炸药防护能力 研究 对比方案 2 ～ 方案 4， 观察在终点时刻不同复合壳 体中背靶的应力状态和变形情况， 以及最低点在 Y 方 向的位移， 可以得到不同复合壳体的抗破片侵彻性能， 如图 5 和图 6 所示。 图 5 依次给出了方案 2 ～ 方案 4 中背靶的应力状 态和变形情况， 可以看出 St- GF- St 和 St- SPUA- St 复合 壳体的抗侵彻能力最小， 变形最大， 而 St- Kevlar- St 复合 壳体的抗侵彻性能最好， 说明这种比强度和比模量大 的复合壳体可以更加有效地衰减冲击波， 进而提高炸 药抗破片侵彻性能。 821振 动 与 冲 击2019 年第 38 卷 ChaoXing 图 5背靶终点时刻受力变形状态图 Fig． 5Stress and deation of the back target at the final moment 图 6背靶最低点位移时程曲线 Fig． 6Displacement history of the lowest point on the back target 图 6 描述了方案 2 ～ 方案 4 中复合壳体最低点的 位移时程曲线， 可以看出不同复合壳体抗侵彻能力最 好的为 St- Kevlar- St 复合壳体， 最差的为 St- GF- St。 在装药中心轴线上选取 0 mm， 10 mm， 20 mm 和 30 mm即 A， B， C， D 不同位置 如图 4 所示 ， 分析它们 在破片以 1 000 m/s 的速度撞击下， 各种方案下的压力 变化情况， 以及炸药内部的压力峰值。 图 7 给出了不同方案下炸药层不同位置处的压 力随时间的变化趋势， 表 7 列出了不同方案下炸药 层的压力峰值， 均低于文献［ 15］中给出的炸药的临 界起爆压力， 可以看出这些方案下炸药均未起爆， 分 析对比方案结果可知复合壳体防护下炸药层的压力 峰值均低于单一钢壳体。其中 St- SPUA- St 复合壳体 下炸 药 层 的 压 力 峰 值 最 小， 仅 为 单 一 钢 壳 体 的 36 ， 炸药层中压力峰值从小到大依次为 St- Kevlar- St、 St- GF- St， 而中间层材料波阻抗由小到大依次为聚脲树 脂、 凯夫拉、 玻璃纤维。由此可知复合壳体中间层的材 料波阻抗越小， 炸药层受到破片冲击后的压力峰值通 常越小。 图 8 为不同方案下炸药层的能量随时间的变化， 由图可知传入炸药层能量最高的是单一钢壳体， 然后 依次为 St- SPUA- St、 St- GF- St， 传入炸药层能量最少的是 St- Kevlar- St 复合壳体。因此在分析炸药抗冲击起爆特 性时， 应基于炸药压力峰值与能量等临界判据进行综 合分析。 图 7炸药不同位置压力时程曲线 Fig． 7 Pressure history of the different locations on the explosive 表 7不同复合壳体防护下炸药的最大压力值 Tab． 7Max pressure of the explosive in the protection of the different composite targets 方案名称压力峰值/GPa 1Single Steel1． 88 2St － GF － St1． 30 3St － Kevlar － St1． 26 4St － SPUA － St0． 67 5St － St － SPUA0． 56 6St － St － SPUA 6mm1． 20 图 8炸药的能量时程曲线 Fig． 8Energy history of the explosive 2． 3． 2不同排列顺序复合壳体对炸药防护能力研究 改变 St- SPUA- St 复合壳体的排列顺序， 方案 4 和 921第 20 期赵宇峰等 复合壳体对炸药抗破片冲击起爆影响研究 ChaoXing 方案 5 对比可以看出， 将聚脲树脂作为炸药内衬放置 时， 炸药层的压力峰值为 0． 56 GPa， 仅为单一钢壳体的 30， 并由压力变化曲线可知改变复合壳体排列顺序 后， 炸药层较大压力持续时间较短。图 8 中炸药的能 量变化曲线可以看出改变 St- SPUA- St 复合壳体的排列 顺序后， 传入炸药层的能量与单一钢壳体相比降低了 将近一个数量级。 2． 3． 3等厚度复合壳体对炸药防护能力研究 当保持复合壳体总厚度不变， 由方案 1 和方案 6 对比可以看出， 破片以 1 000 m/s 的速度冲击下， 钢 － 钢 － 聚脲树脂复合壳体防护下炸药层内部受到的压力 峰值为 1． 20 GPa， 仅为单一钢壳体的64; 从图8 中炸 药的能量变化曲线可以看出保持靶板厚度不变， 传入 复合壳体防护下炸药的能量约为单一钢壳体的一半。 3结论 通过对破片撞击 A3 钢壳体防护下炸药层的试验 结果和数值仿真对比， 验证了该仿真计算的可行性; 分 别研究等面密度条件下不同中间层材料的复合壳体、 不同材料排列顺序的复合壳体， 以及与单一钢壳体同 等厚度的复合壳体对炸药的防护能力。对炸药层防护 能力的数值模拟研究， 得出的主要结论如下 1 低波阻抗中间层复合壳体可有效降低炸药层 的峰值压力， 钢 － 聚脲树脂 － 钢复合壳体炸药层内压 力峰值仅为单一钢壳体的 36， 而中间层材料比强度 越高时炸药抗破片侵彻能力越强， 传入炸药的能量也 越少。 2 改变复合壳体的排列顺序， 将聚脲树脂作为 炸药内衬放置时， 炸药层的峰值压力仅为单一钢壳体 的 30， 传入炸药层的能量比单一壳体低了将近一个 数量级， 可有效提高炸药抗破片冲击起爆的能力。 3 当复合壳体厚度与单一钢壳体厚度相同时， 钢 － 钢 － 聚脲树脂复合壳体防护下炸药层内的峰值压 力仅为单一钢壳体的 64， 传入炸药层的能量约减少 一半。 由此可知， 通过采用不同中间层材料的复合壳体， 改变复合壳体层的组合排列等措施， 可提高复合壳体 对炸药抗破片冲击起爆的性能。 参 考 文 献 ［1］ CHEN J K，CHING H 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