爆炸成型弹丸对装甲靶板的高速冲击效应研究

李传增，王树山，荣 竹

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.中国兵器工业集团公司 第5424厂，北京 101149;3.中国兵器工业集团公司 第524厂，吉林 132021)

爆炸成型弹丸，是近30年来发展起来的一项新技术。它利用聚能原理，通过装药的爆轰作用，使大锥角药型罩或球缺药型罩发生极大的塑性变形，而被压垮、闭合形成具有较高质心速度(1500 m/s～3000 m/s)和一定结构形状的弹丸，从而以动能冲击目标［1］。由于EFP在大炸高下能保持完整的弹丸特性来攻击装甲目标［2］，因此它已成为军事领域一种重要的战斗部，其威力可达到在1000倍装药口径的距离上穿透厚度相当于1倍装药口径的均质装甲［3］，所以抗EFP冲击是判断坦克装甲和混凝土工事防护能力的一个重要依据，研究EFP对装甲靶板的高速冲击效应，可为增强装甲的防护能力提供更全面的理论支持和技术指导。

由于EFP高速冲击装甲靶板过程涉及材料在高温高压、大变形、大应变率等条件下的强非线性和动力相互作用，仅靠理论分析和实验很难认识整个过程中所产生的冲击效应。为此，本文在实验呈现冲击现象的同时，结合 ANSYS/LS－DYNA动力学仿真软件，对EFP从形成到冲击完成的整个过程进行了数值模拟，并分析了冲击过程中产生各现象的原因，从机理上研究了EFP对装甲靶板的高速冲击效应。

1 冲击实验

1.1 EFP结构

加工并装配三发EFP战斗部进行实验，实验弹由工程塑料覆层、58SiMn钢壳体、JH－14扩爆药、8701主装药、紫铜药型罩及起爆部件(模拟引信和雷管)等组成。EFP结构如图1所示。

图1 EFP结构和照片Fig.1 Structure and photo of EFP

1.2 测试系统

本文选用603装甲靶板作为冲击对象，主要是因为国内外普遍采用此材料进行EFP的威力考核，具有普遍意义。测试系统中，603装甲靶板的尺寸为300mm×300mm，厚度为 50mm，由专用钢制靶板支架固定，距地面高度为 750mm。在靶板上垂直放置一个高为400mm的木支架，并将EFP战斗部放在木支架上，药型罩口部朝下，正对靶板。校准完成后，采用制式电雷管起爆。现场布置情况见图3。

图2 现场布置照片Fig.2 Photo of experimental arrangement

图3 典型实验结果照片Fig.3 Typical photos of experimental results

1.3 实验结果

实验时对三发实验弹进行编号，并记录每发弹丸冲击靶板的孔径、出入口直径、前后靶塑性变形区等数据。典型实验结果照片如图3所示，实验数据见表1。

表1 实验数据Tab.1 Experimental data

如图3和表1所示，三次实验均出现以下现象:靶板入口卷边花瓣状破坏;出口具有明显拉伸断裂特征的外翻花瓣形穿孔;入口直径大于出口直径;前靶出现塑性变形区等。

2 数值模拟

2.1 有限元模型的建立

有限元模型的建立按照实验弹结构参数和现场布置尺寸进行。靶板的材料模型选用能够描述装甲材料的加工硬化、应变率和温度软化效应的JOHNSON_COOK模型和EOS_GRUNEISEN 方程［4］。

JOHNSON和COOK将流动应力表示成:

式中:A、B、C、n和m为输入的材料常数;A为屈服应力;B和n代表应变硬化的影响;εp为等效塑性应变;ε*=εp/ε0为无量纲应变率;TH=(T－Troom)/(Tmeh－Troom)，其中:T为当前温度，Troom为室温，Tmeh为材料熔化温度(计算时假设单元间无热传递，为绝热条件)。

式(1)右边的第一个括号表示材料的基本屈服应力以及应变硬化对屈服应力的影响，表达式的第二个括号表示应变率的影响，第三个括号表示当前温度的影响，温度T必须大于室温Troom，由于这一部分的值总小于1，因此反映了试件材料在较高温度下的热软化效应。由式(1)可以看出，当温度T达到熔化温度Tmeh时屈服应力为零。

Gruneisen状态方程为:

式(2)中，当v为常数时，p随e成线性关系。pr(v)，er(v)可以看作 v的已知函数，根据其形式不同，Gruneisen状态方程有着不同的形式。

对于绝热压缩过程(the shock Hugoniot)，冲击状态方程(the shock equation of state)变成如下的形式:

式中:

其中，μ=ρ/ρ0－1，C0为 US－UP(冲击波速度 －质点速度)曲线的截距，S为US－UP曲线斜率的系数，γ为Gruneisen系数。

考虑问题的对称性和为减小计算量，建四分之一模型，计算中为控制网格的剧烈变形采用自适应手段进行控制，并在靶板边界处施加非反射边界。起爆方式为顶点中心起爆，设定计算终止时间为500 μs。

图4 EFP高速冲击装甲靶板的有限元模型(1/2模型)Fig.4 Finite element model of penetration experiment(1/2 model)

2.2 计算过程及仿真结果分析

为直观反映EFP冲击靶板的整个过程以及弹丸和靶板的应力变化情况，选取具有代表性的各阶段的Von mises stress云图如图5所示。

图5 冲击过程Fig.5 Impact process

见图5，由数值模拟结果可以看出，冲击过程大致可分为五个阶段:第一阶段为EFP形成阶段，紫铜药型罩由于受到爆轰产物的作用，顶部首先沿轴线向前运动，经挤压汇聚，形成一个带有较大裙状尾翼的弹丸，200 μs左右时EFP的形状和速度梯度变化已不大，可认为EFP已完全成型，在226 μs时EFP与靶板接触，此时头部速度达到1824m/s。第二阶段为开坑阶段，冲击开始时，EFP头部与靶板高速撞击，在碰撞点周围迅速形成塑性变形区和高温区，并自碰撞点向靶板中传入较强的球形冲击波，同时在靶板表面产生反射波和拉伸波，由于头部相对较尖，接触界面形成小面积凹陷，该阶段持续时间非常短暂，约4 μs左右;第三阶段为稳定侵彻阶段，在开坑阶段完成之后，EFP继续冲击靶板，冲击速度明显低于EFP速度，在此过程中EFP不断缩短，质点向侧向流动扩孔，使侵彻孔径明显大于EFP杵体直径。同时，杵体由于受到高温和磨蚀的作用，发生塑性变形，使其质量不断减少，动能降低，截面积增大，靶板内部孔径也随之增大;第四阶段为尾翼侵彻，在242 μs时尾翼开始撞击靶板，此时，EFP加速度增至最大，速度衰减最快，靶板孔径也增至最大，由于尾翼对入口的撞击作用，造成入口直径的进一步增大。约252 μs时，靶板背面出现明显隆起，该现象对冲击过程将产生一定的影响，但由于材料没有出现破坏，又在一定程度上限制了该影响。因此，整个冲击过程中，靶板背面对侵彻的影响都很小，近似分析中可以不予考虑;第五阶段为冲塞贯穿阶段，随着冲击深度的增加，EFP的磨蚀量增大，其截面积不断减小，孔径也随之减小，在贯穿时，由于靶板抗剪切性能的下降，在出口处出现剪切撕裂的冲塞现象，并有碎屑向周围飞溅。

图6 装甲靶板的破坏特征Fig.6 The failure characteristics of armor target

如图6所示，冲击结束时装甲靶板的破坏特征主要有以下三种:一是入口呈现卷边花瓣状破坏，造成该现象主要是由于冲击过程中靶板和EFP均呈明显的流体动力特性，在高速冲击时质点流动产生的离心力和应力波反射产生的强拉伸应力共同作用，推动入口边缘外翻，使入口呈现花瓣状卷边破坏，这与实验现象基本一致;二是出口呈现外翻花瓣形穿孔且具有明显的拉伸断裂特征，主要是因为EFP在靶板内运动推动靶板背面出现隆起，隆起部分在冲击过程后期受到EFP的推动进一步变形，最后拉伸应力超过材料的拉伸强度，在EFP四周产生星形裂缝，EFP贯穿靶板后，靶板的拉伸应力会把已产生裂缝的边缘拉住，并在强度较弱的地方断裂，形成出口处的外翻花瓣形破坏;三是靶板入口直径明显大于出口直径，且出现两头直径大中间孔径小的现象。分析冲击过程可知，EFP尾翼对入口的扩孔作用是造成入口直径较大的主要原因，而冲击过程中因磨蚀使得EFP直径和质量减少造成了靶板孔径缩小，随着EFP速度的降低，材料的主要变形破坏机制虽然仍是流体动力特征，但其塑性逐渐呈现，EFP出现一定的蘑菇头形状，造成侵彻孔径又有一定的扩大。

参照实验现象和数据，数值模拟再现了整个冲击过程，且吻合较好。但侵彻能力略小于实验情况，在经历第一层靶板后，侵彻第二层靶板的能力已经很小，且在模拟中出现了冲塞现象。分析其主要原因是:建模时没有加模拟引信，只考虑了周向对炸药的约束，没有考虑轴向的约束，使EFP相对直径增大成为钝头弹，冲击时产生剪切，所以出现冲塞现象。如果加上轴向的约束作用，则能增加爆轰压力，延长爆轰波的作用时间，使EFP头部更加密实，初速也将得到进一步提高。

3 结论

采用冲击实验和ANSYS/LS－DYNA数值模拟两种方法，从机理上研究了爆炸成型弹丸对装甲靶板的高速冲击效应，两种方法获得的结果吻合较好，且再现了EFP形成、开坑、稳定侵彻、尾翼侵彻和冲塞贯穿的物理过程，并从原理上给出了靶板出入口呈现不同花瓣状破坏、冲塞和入口直径明显大于出口直径等现象的物理原因。分析整个冲击过程，可以得到一些提高装甲防护能力的措施，主要有采用爆炸反应装甲(ERA)和表面附特殊陶瓷(如Al2O3陶瓷等)来破坏或防止EFP开坑，或采用带空腔的多层靶板来降低EFP速度和削弱其再次开坑的能力等。同时也可以发现EFP冲击靶板除了需要较高的速度外，还需有足够的长度消耗在冲击过程中，为此可通过适当方法(如改变药型罩结构)来增加EFP的长径比，从而提高其冲击能力。可见，本文的研究结果不但认识了EFP冲击装甲靶板的机理，也可为增强装甲防护能力和优化EFP设计提供理论参考，具有重要的现实意义和较高的工程应用价值。

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