危险破甲弹爆炸防护的数值模拟分析

刘 鹏， 侯秀成， 刘振宇， 李创新， 田红英

(1. 武汉军械士官学校弹药与仓储系， 湖北 武汉 430075；2. 中北大学机电工程学院， 山西 太原 030051； 3. 中国华阴兵器试验中心， 陕西 华阴 714200)

危险破甲弹爆炸防护的数值模拟分析

刘 鹏1， 侯秀成2， 刘振宇1， 李创新1， 田红英3

(1. 武汉军械士官学校弹药与仓储系， 湖北 武汉 430075；2. 中北大学机电工程学院， 山西 太原 030051； 3. 中国华阴兵器试验中心， 陕西 华阴 714200)

针对危险破甲弹药运输系统的防护问题，采用爆炸式反应装甲作为防爆车厢体内防护射流侵彻的结构。以某制式破甲弹为例，应用非线性有限元程序LS-DYNA研究了反应装甲在不同斜置角时对射流的防护效果。结果表明：增大反应装甲的放置角度，在保证安全的情况下可以大幅减小危险弹药运输系统厢体装甲钢的厚度； 当放置角度为60°时，运输系统厢体对装甲钢的厚度要求可以降低70%以上。

危险弹药运输；射流防护；反应装甲；数值模拟

在弹药运输、射击、试验等过程中会产生部分未爆弹药，该类弹药可能已解除保险，危险性相当大。在对该类弹药进行运输时，如何安全运输成为长期困扰人们的一大技术难题[1]。危险品运输系统又名防爆罐，是爆炸物异地转移过程中的重要防护装备，它可以有效地抑制爆炸效应，最大限度地降低运输过程中因意外爆炸而造成的损害[2]。

防爆罐在国外已成套化、系列化研制生产,国内常见的圆桶式实体防爆罐(可抗TNT当量2 kg)在应急、排爆和反恐等事件中也得到了广泛应用。但这些防爆罐只能进行常见爆炸物的运输防护，而聚能装药破甲弹在爆炸时会产生高速金属射流，其穿透能力远大于现有普通防爆罐的防护性能，因此常规防爆罐不适用于该类弹药的运输。

基于此，笔者以某型制式破甲弹的运输为背景，在危险品运输系统厢体防护板的基础上加装反应装甲，并应用显式非线性动力学有限元程序LS-DYNA对其抗射流性能进行数值模拟，以期为危险破甲弹药运输系统的厢体设计提供参考。

1 弹药运输系统防射流分析

危险品弹药运输系统拟在PD850型牵挂平板拖车上安装防护厢体而成，系统外形如图1所示。

图1 危险品弹药运输系统外形

在防爆车系统厢体结构设计中，由于隔爆吸能材料用于其他弹药及炸药运输的防爆技术已较为成熟，可直接借鉴。而破甲弹药发生爆炸时，产生的破片、金属射流、冲击波等会对厢体产生破坏，其中金属射流更容易穿透厢体防护层，因此本文主要对金属射流的防护进行研究。

从聚能装药的作用机理角度分析，射流侵彻靶板在相当程度上是由于在高速射流微元的撞击下靶板材料朝径向挤出，且侵彻孔容积与有效射流的能量大致呈线性关系。当破甲弹形成的射流不是轴对称时，射流对靶板侵彻孔直径通常较大，这是因为与对称轴线呈一定倾斜角的射流微元会撞击到侵彻孔壁上，不能增加侵彻孔的深度，只会破坏其对称性[3]。此外，是否有更多的药型罩材料以接近于射流尾部微元的速度参与对靶板的穿孔过程，也取决于侵彻孔直径是否允许其无破坏地进入。

如果从抵抗射流侵彻方面来考虑，改变或破坏射流侵彻靶板时的对称性，将有利于靶板对射流的防护。当反应装甲表面的炸药受到强烈冲击时，反应装甲盒内设置的高能炸药发生爆炸，会驱动爆炸盒的前、后飞板以一定的速度运动，扰动金属射流的轴对称性，并且消耗金属射流高速部分的能量，从而失去对目标的侵彻能力。当反应装甲盒与破甲弹轴线呈一定角度放置时，对射流的干扰效果会更佳[4-6]。

危险弹药在运输时为减少其发火概率，其弹药轴线要垂直于车体轴线。如果危险弹药运输系统厢体结构面对药型罩口部的一端加装爆炸反应装甲进行防护，而其余部分采用较为成熟的防护方式，则可以减小厢体因防护射流而要求的防护装甲钢厚度。

2 数值模拟

2.1 装药结构

为满足危险品弹药运输系统的防护与重量设计要求，选用某典型制式破甲弹进行数值模拟，该破甲弹的静破甲深度超过300 mm，其中：装药为B炸药，药型罩材料为紫铜，带有锥型隔板，装药顶部中心点起爆，计算过程中不考虑铝制壳体及头螺。聚能装药结构主要参数如表1所示。

表1 聚能装药结构主要参数

注：D0为装药直径；H为罩顶装药高度；2α为罩锥角；δ为罩平均壁厚；R为罩顶半径；Ha为炸高。

考虑到反应装甲的放置要求，炸高大于原制式弹设计炸高的1倍装药直径，用于射流拉伸所需的空间区域,当研究射流只对厢体钢板侵彻时，厢体钢板厚度预先设为400 mm。反应装甲的前、后飞板均为4 mm钢板，炸药采用B炸药进行等效。采用反应装甲结构的危险弹药运输系统厢体与聚能装药结构如图2所示。

图2 采用反应装甲结构的危险弹药运输系统厢体与聚能装药结构

2.2 算法及材料模型

以往的经验[7-12]表明：采用1/4轴对称三维网格模型、多物质Van Leer ALE算法及由高能炸药燃烧模型和JWL状态方程共同描述的炸药材料模型，对射流形成过程进行模拟，具有与实验结果较好的一致性。其中，JWL状态方程为

p=Fpeos(V,E0)，

(1)

peos=A[1-ω/(R1V)]e-R1V+B[1-ω/(R2V)]×

e-R2V+ωE0/V,

(2)

式中：p为任意时刻炸药单元所释放的压力；F为炸药燃烧质量分数；peos为来自于JWL状态方程的炸药爆轰产物压力；V为相对体积；E0为单位体积炸药的初始内能密度；A、B、R1、R2和ω为与炸药性能相关的输入系数。

计算所采用的B炸药主要参数为：密度ρ=1.717 g/cm3；爆速D=7.98 km/s；C-J压力PCJ=29.5 GPa。B炸药JWL状态方程参数如表2所示。

表2 B炸药JWL状态方程参数

药型罩材料为紫铜，采用Steinberg模型和Gruneisen状态方程[7]来描述，表3为紫铜Gruneisen模型材料主要参数。隔板材料为酚醛树脂，靶板及反应装甲前、后飞板为装甲钢，选用塑性硬化材料作为模型进行分析[10-12]，表4为靶板及隔板材料主要性能参数。反应装甲中的炸药采用弹塑性模型( ELAST IC_PLASTIC_HYDRO) 和点火与增长状态方程( IGNITION_GROWTH_OF_REACT ION _IN_HE)来共同描述[7]，所涉及材料参数均源于文献[4]。

表3 紫铜Gruneisen模型材料主要参数

注：G为剪切模量；σy为屈服强度；C为材料声速；S1、S2、γ0为与材料相关的系数。

表4 靶板及隔板材料主要性能参数

注：E为弹性模量；μ为泊松比；

3 反应装甲对射流防护的结果分析

3.1 数值模拟与实验结果对比

本文先应用数值模拟方法对制式破甲弹的极限穿深进行摸底及对射流引爆反应装甲的过程进行复现，然后参考聚能装药作用过程的相似性原理与文献[13]的实验结果进行对比。

定义起爆时刻t=0 μs，图3为在无反应装甲的条件下，均质装甲对破甲弹所产生金属射流的防护结果。可见：在理想情况下，射流及侵彻孔都相对轴对称。通过数值模拟得到射流对均质装甲侵彻深度为313 mm，与该制式破甲弹所对应的实验结果较为相符,表明上述模拟方法及参数选择是合理的。

如果参考该制式破甲弹的极限穿深值340 mm来设计运输系统的厢体，则所采用均质装甲钢的厚度难以满足运输系统对机动性的要求。

图3 无反应装甲条件下射流对防护板的侵彻

图4为射流引爆反应装甲数值模拟结果与文献[4]实验结果的对比，可见两者具有较好的一致性，表明上述算法及材料参数设置合理，验证了用数值模拟手段研究弹药运输系统防护侧厢体加装反应装甲的可行性。

图4 射流引爆反应装甲数值模拟结果与实验结果对比

3.2 不同斜置角对射流防护的影响

图5为斜置30°的反应装甲对射流的防护过程，可见：1)射流能有效地引爆反应装甲，反应装甲爆炸后，其前、后飞板在爆炸产物的驱动下能对射流产生明显的横向扰动作用；2)射流在穿过反应装甲后,侵彻进入厢体钢板初期时(t=100 μs)就发生扭曲；3)由于轴对称性被破坏，后续射流在进入侵彻孔的过程中不断与侵彻孔侧壁发生摩擦(t=200 μs)，并体现出较明显的横向扩孔效应；4)射流对靶板最大侵彻深度的变化提前结束，其对厢体钢板的侵彻深度最终停在228 mm的位置(t=300 μs)。该结果验证了反应装甲与射流轴线呈一定倾斜角度放置时，可以显著扰动射流的轴对称性，并大幅降低其理想穿深。

图5 斜置反应装甲靶板对射流的防护结果

表5为将反应装甲以不同角度放置时的厢体钢板防护结果。可以看出：装甲防护能力随着放置角度的增加而增大，当放置角为45°时，厢体钢板厚度可降低为不放反应装甲的1/2左右；当放置角为60°时，厢体钢板厚度约为不放反应甲的1/4左右即可对射流进行有效防护。

表5 反应装甲以不同角度放置时的厢体钢板防护结果

4 结论

危险破甲弹药的销毁运输是弹药维护过程中的一个难题。由以上研究分析可知:反应装甲作为危险破甲弹运输车辆内防护系统的结构设计，在原理上总体是可行的。然而，反应装甲通常用于军用车辆的外防护系统，当作为车辆的内防护系统时，可能出现由爆炸引发的反应装甲之间及多发破甲弹药之间互为殉爆等问题，可以通过详细的结构设计来解决，如采用互为隔离的包装模块来优化其总体结构，更为深入的工作有待进一步开展。

[1] 刘鹏, 张怀智, 金昌根, 等. 废旧弹药爆破销毁技术综述[J]. 工程爆破, 2011, 17(1):86-89.

[2] 任新见, 李广新, 张胜民. 泡沫铝夹心排爆罐抗爆性能试验研究[J]. 振动与冲击, 2011, 30(5):213-217.

[3] 奥尔连科 Л П. 爆炸物理学：下册[M]. 孙承纬, 译. 3版. 北京: 科学出版社, 2011.

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(责任编辑: 尚彩娟)

Numerical Simulation Analysis on Explosion Protection inDangerous Shaped Charge Warhead

LIU Peng1, HOU Xiu-Cheng2, LIU Zhen-yu1, LI Chuang-xing1, TIAN Hong-ying3

(1. Department of Ammunition and Storage, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School, Wuhan 430075, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;3. China Huayin Ordnance Test Center, Huayin 714200, China)

In order to meet the protection demand of dangerous ammunition transport system, Explosive Reactive Armor (ERA) is used as structure of explosion-proof transport system to prevent penetration of jet from dangerous shaped charge warhead. Based on a typical rocket bomb with shaped charge warhead, a nonlinear finite element program LS-DYNA is used to study protection effect of ERA at different inclination angle. The result indicates that with increase of inclination angle of the ERA, on the basis of security, the thickness of structure of dangerous ammunition transport system can be reduced greatly; when ERA is placed at 60° and tank of transport system is made of RHA, the thickness of tank can be decreased 70%.

dangerous ammunition transportation; jet protection; reactive armor; numerical simulation

1672-1497(2015)05-0059-04

2015-07-23

刘 鹏(1979-)，男，讲师，硕士。

TJ410.89

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.013