强爆轰环境下测试仪器防护技术仿真研究＊

闻利群，鲁建霞，张同来

（1中北大学化工与环境学院，太原 030051；2北京理工大学宇航学院，北京 100081）

0 引言

弹载测试仪器是搭载在导弹武器系统上的数据采集和记录设备，能实时存储记录导弹的飞行试验数据并可靠回收数据，为导弹系统的设计改进提供技术依据，是产品研制阶段主要的测试手段之一［1］。弹体在打击目标的同时，自身的测试仪器也面临强过载作用［2－3］。目前国内外弹载测试仪的发展只停留在对混凝土靶、钢靶的侵彻模拟试验环节。真正在强爆轰场中心部位的测试及其生存技术研究才刚刚起步。文中以某导弹结构框架为基本模型，采用仿真手段对这一环境及其防护技术做了较为深入的研究，为进一步实物仿真下的仪器防护提供了重要的参考信息。

1 弹载环境几何模型

如图1所示，文中以某小型战术导弹为仿真研究的几何模型，并作了一定简化。计算弹体长为3m，弹径为0.4m，装药30kg的TNT。采用ANSYS软件来进行仿真计算。由于模型结构是关于xoy和yoz平面对称（y为轴向），因此为减少计算量，建立四分之一模型进行计算，在对称边界上施加对称约束。

图1 弹体与测试装置模型示意图

测试仪器材料选择45号钢，弹体选用LS－DYNA中能描述金属材料的加工硬化、应变率和温度软化效应的JOHNSON－COOK模型和GRUNEISEN状态方程。国内外众多文献给出了JOHNSON－COOK模型基本参数的确定方法。根据文献［4］确定弹体GRUNEISEN模型基本参数如表1。

表1 弹体材料模型参数

文中采用JWL状态方程和MAT＿HIGH＿EXPLOSIVE＿BURN材料模型来描述炸药。以典型的TNT炸药进行计算，材料参数见表2。

表2 TNT炸药的JWL状态方程参数

2 缓冲材料的选用

爆轰环境下仪器的防护主要依赖于缓冲材料的使用。缓冲材料的应力 应变曲线与横坐标之间的面积越大，则其积蓄或吸收的能量就越大，缓冲效率也就越高。经过对多种缓冲材料的比较，本研究选用了泡沫铝。与其它材料相比，泡沫铝具有许多优点，可通过改变密度调节弹性模量，具有较高的抗弯刚度，是一种各向同性的金属材料，重量轻，具有较高的冲击能量吸收能力［5］。

泡沫铝采用 LS－DYNA 中的63号 CRUSHABLE－FOAM［6］材料模型，所出现的物理量量纲为g-cm μs。所以泡沫铝的材料参数设置为：密度ρ＝0.37g／cm3，泊松比ν＝0.3；杨氏模量E＝1.2GPa，拉伸失效截止应力Pcut＝10MPa。

3 测试仪器受力情况仿真

3.1 无防护情况仿真

为了比较爆炸荷载作用下弹体仪器舱内的动力响应，文中选择了A、B、C三点进行分析，分别位于仪器舱前端、中部、尾部，如图1所示，C点不带缓冲防护材料。

炸药爆炸后，所产生的冲击波经过一段时间传播到仪器舱并与测试仪器发生相互作用，图2～图4给出了爆炸冲击波作用时不同位置仪器舱上的压力时程曲线，而图5～图7给出了加速度曲线。

图2 A点压力时程曲线

图3 B点压力时程曲线

图4 C点压力时程曲线

图5 A点加速度曲线

图6 B点加速度曲线

图7 C点加速度曲线

在爆炸中，装药压力随着距起爆点不同距离而在不同时间到达峰值，但作用时间基本相同。从图2～图4可以看出，冲击波首先与距离爆心最近的A点（爆心投影点）相遇并发生反射，爆炸荷载大都在A点附近，其它部位此时的作用荷载几乎为零。随着时间的推迟，应力作用范围逐渐扩展，且幅值不断增大。在100～200μs时A点压力达到最大，然后冲击波向弹壁及仪器舱尾端传播，并且仪器舱前端A点的应力迅速下降，随之影响相邻范围内的应力分布，在这些区域形成高压区。从图的压力时程曲线可以看出：由于没有任何缓冲，三点的瞬变压力量级基本变化不大，但能量却衰减迅速，导致到达C点时，设备产生的加速度仅为A点的十分之一。

3.2 全包裹防护情况仿真

文中从最佳防护位置考虑，选择C点增加缓冲防护材料进行仿真。弹体与测试装置的模型如图1所示，缓冲材料把设备全部包裹起来。图8是C点带防护时受到的压力时程曲线，图9是C点带防护时产生的加速度曲线。

图8 防护测试仪器压力时程曲线

图9 防护测试仪器加速度曲线

与图4、图7相比可以看出，受缓冲结构影响，加速度曲线的峰值明显衰减，同时冲击波在传播过程中形状发生了变化。由于泡沫铝的塑性形变吸收了大量的能量，C点产生的加速度表现为单向受力，且高频部分被完全衰减了，低频幅值仅达到原来的百分之一。从压力曲线可以看出，C点原来受到的压力被衰减为幅度仅为原来二十分之一的随机振动。从量值上来分析，经过加固处理的测试仪器完全有能力承受，因此，采用全包裹型缓冲结构可以达到测试仪器防护目的。

4 结论

强爆轰场中测试仪器的防护技术对真实获取武器毁伤性能具有重要意义。文中用计算机模拟方法，以某小型战术导弹为模型，分析了在弹头爆炸过程中测试仪器在不同安装位置的受力情况，对比分析了采用泡沫铝材料作为缓冲材料时对测试仪器动态响应情况的影响。结果表明，无防护情况下，仪器舱的测试仪器至少将承受－6E－5～5E－5cm／μs2的加速度和－5.7E－3～5E－3Mbar的压力量值，这明显超出一般测试仪器的抗冲击能力。而采用全包裹方式进行防护时，加速度量值被降低到原来的百分之一，压力降低到原来的二十分之一。如果采取灌封、强化结构等措施以后，测试仪器完全可以承受这一量值的冲击。所以在强爆轰场中，采用全包裹型缓站结构可以达到测试仪器防护目的。其数值仿真结果对进一步的实物仿真中防护材料的选用和防护结构的设计具有重要指导意义。

［1］张文栋.存储侧试系统的设计理论及其应用［M］.北京：北京高等教育出版社，2002.

［2］杨平.电子信息设备抗振动冲击防护理论与技术研究现状和展望［J］.中国机械工程，2002，13（13）：356－359.

［3］杨秀敏.数值模拟在防护工程中的作用［C］／／中国土木工程学会防护工程分会第九次学术年会论文集，2004：616－624.

［4］Meyers M A.Dynamic behavior of materials［M］.New－York：John Wiley ＆Sons，1994.

［5］王永刚，胡时胜，王礼立.爆炸荷载下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2003，23（6）：33－35.

［6］王代华，刘殿书，杜玉兰，等.泡沫吸能层防护结构爆炸能量分布的数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2006，26（6）：563－566.