含能破片对运动靶的侵爆行为

乔相信，洪晓文，乔　磊，徐赫阳，陈　闯

(1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110168； 2.南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)



含能破片对运动靶的侵爆行为

乔相信1，洪晓文2，乔磊1，徐赫阳1，陈闯1

(1.沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110168； 2.南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)

为研究含能破片对运动靶板的侵爆行为，运用AUTODYN-3D软件对其以不同着角侵彻运动靶进行数值模拟。结合试验结果和文献验证了模型的有效性，计算了含能破片对运动靶的侵爆行为。结果表明，与侵彻静止靶相比，含能破片侵彻运动靶时，破片发生明显偏斜，且穿孔直径变化明显;破片剩余速度随靶板运动速度的增加而降低，随着角的增大而下降，降幅范围56.25%～77.5%；破片侵彻运动靶时含能材料内部应力峰值较静止靶变化幅度不大，几乎为直线，着角不同，含能材料应力峰值差异显著，最大峰值差异达5.2GPa。非零着角下，靠近着靶点处的含能材料不易发生爆燃。

含能破片；侵彻；运动靶板；侵爆行为；含能材料；数值模拟

引　言

含能破片又称活性材料增强侵彻体，通常由含能材料作为内芯，外面多由强度较高的金属包覆[1-2]。由于其与目标撞击时，不但具有较强的侵彻能力，而且能释放出大量化学能起到“类爆轰”的毁伤效果，因此受到国内外学者的广泛关注。帅俊峰等[1]对含能破片侵彻钢靶进行了实验研究，结果表明PTFE/Ti反应材料爆燃效果优于PTFE/Al反应材料，破片毁伤能力随壳体厚度增大而增大，穿靶孔径比惰性破片提高40%。吴广等[3]研究了弹丸侵彻运动靶过程中的弹丸侵彻姿态及速度变化规律。蒋建伟等[4]研究了PTFE/Al含能材料的强度模型和状态方程，并运用AUTODYN软件模拟了PTFE/Al增强侵彻体侵彻616RHA钢靶，初步验证了模型的有效性。殷艺峰[5]分析了活性材料增强侵彻体对静止靶的作用力行为，从结构参数、弹靶材料和着靶条件等方面进行了详细研究。目前有关含能破片侵彻静止靶的作用过程研究较多，然而对含能破片侵彻运动靶的研究未见文献报道。

本研究运用AUTODYN-3D软件对含能破片侵彻运动靶进行数值模拟，分析了不同着角及靶板运动速度对含能破片的速度变化及含能材料内部应力的影响，以期为含能材料在终点毁伤领域的工程应用提供指导。

1　模型的建立

1.1物理模型

含能破片侵彻靶板有限元模型和几何模型示意图如图1所示。

破片壳体材料为35CrMnSiA,长度12mm，壳体壁厚2mm，底部厚2mm，内部材料为PTFE/A1(质量比为73.5∶26.5)，尺寸为Ф8mm×8mm。靶板材料为4340钢，是厚度为6mm的圆板。考虑到结构的对称性，用AUTODYN-3D软件建立1/2模型，对称面对称约束，在靶板边界限制Y和Z方向的位移，采用Trajectory三维轨迹侵蚀接触,单位mm-mg-ms。采用Language算法，并划分六面体网格，为了便于区分不同着角下破片侵彻靶板，同时给出破片与靶板作用几何模型示意图，v为破片侵彻速度，靶板沿X轴正向运动，α为含能破片的着角。

图1　含能破片侵彻靶板有限元模型和几何模型示意图Fig.1　The finite element model and geometrical model of energetic fragment penetrating target

1.2计算模型

破片壳体、PTFE/Al含能材料和靶板均采用Johnson-cook强度模型和Shock状态方程来描述以反映材料的高温、高压和高应变率。数值模拟所用的材料性能参数见表1[6]，为防止计算过程中的网格畸变，材料失效准则为主应力失效，各材料均增加了侵蚀算法。

表1　材料性能参数

注：A为初始屈服强度；B为应变硬化系数；N为硬化指数；C为应变率强化参数；θm为融化温度；θr为室温；ρ为材料密度；E为弹性模量；m为热软化指数。

1.3模型有效性验证

为验证数值计算模型的有效性，对含能破片进行了试验研究和数值模拟。试验前，首先制备PTFE/Al含能材料，将Al粉和PTFE按质量比26.5∶73.5混合，用压力机压制成Ф8mm×8mm的圆柱体，然后在真空炉中烧结，烧结温度为365～385℃，升温速率约1℃/min ，得到的材料密度为2.4g/cm3。最后将含能材料装入35CrMnSiA壳体并用端盖密封成复合反应破片。试验时，采用14.5mm口径弹道枪发射带弹托的含能破片，如图2所示，发射药采用5/7石，通过改变装药量调节发射速度，试验靶板材料为厚6mm的4340钢板。试验消耗10发弹丸，弹丸发射速度为600～1500m/s,每发弹丸速度间隔100m/s。

图2　含能破片及发射药筒Fig.2　Energetic fragment and propelling charge cartridge

含能破片部分实验结果如图3所示。由图3可知，含能破片速度在912m/s以上时，均发生了爆燃，低于此速度的含能破片均未发生爆燃。

图3　典型含能破片侵彻靶板过程图Fig.3　Process of typical fragment penetrating the target

数值模拟时，含能破片以600～1500m/s、每发弹丸速度间隔100m/s的速度侵彻10mm厚LY12铝合金靶板，由于含能材料中后部应变率较小，文献[5]通过理论计算和数值模拟表明含能破片中后部材料内部应力峰值与理论计算吻合良好，因此计算前在含能材料中后部设置观测点，计算完成后将观测点处的应力值绘制成线，并与文献[7]的试验结果和临界起爆阈值σc[8]相对照。含能破片侵彻速度对含能材料内部应力分布的影响如图4所示。

图4　侵彻速度对含能材料内部应力分布的影响Fig.4　Effect of penetration rate on the internal stress distribution of energetic materials

由图4(a)可以看出，含能破片侵彻速度低于700m/s时，含能材料内部应力峰值低于其临界起爆阈值，含能材料不能发生爆燃，此结果符合试验现象。从图4(b)可以看出，含能材料内部应力峰值随破片侵彻速度增加而升高，由于本研究中含能材料使用了壳体包覆，含能材料承受了较大的内部挤压应力，所以应力值较文献[7]要高，但是本研究计算结果与文献[7]的实验结果变化趋势一致，结合含能破片发生爆燃的试验结果都可以证明该材料模型的有效性。

2　结果与讨论

2.1含能破片对静止靶板的侵爆行为分析

为观察含能材料内部应力峰值变化，在含能材料上均匀设置9个观测点，如图5所示。

图5　含能材料内部观测点示意图Fig.5　Schematic diagram describing the internal observation points of energetic materials

PTFE/Al含能材料经碰撞后能点火发生化学反应并产生爆燃，而含能材料的化学反应程度与其碰撞行为密切相关，碰撞后材料内部产生的超压若达到或超过含能材料发生爆燃的临界阈值应力σc=3.6GPa[8]，则含能材料发生爆燃。对于含能破片的侵爆行为，即侵彻能力和爆燃性能，下面分析破片以800m/s的速度侵彻6mm厚4340钢靶的速度衰减及含能材料的内部应力情况，判断含能材料是否发生爆燃。图6为含能破片以不同着角(α)侵彻靶板速度衰减曲线及含能材料内部应力峰值分布图。

图6　不同着角侵彻时破片速度衰减曲线及含能材料内部应力峰值分布Fig.6　Fragment velocity attenuation curves when penetrating target at different impact angles and internal stress peak distribution of energetic materials

从图6(a)可以看出，含能破片以0°、5°、10°、15°、20°和25°对靶板侵彻时，破片均有效穿透了靶板，因为其最终速度趋于一定值。在0°、5°、10°着角下速度曲线波动明显，在0～15μs内反应破片速度下降明显，在15μs后速度变化幅度减小并趋于平缓，最后破片的剩余速度都在3000m/s以上。在0～18μs内，15°、20°、25°着角下的速度曲线波动较0°、5°、10°着角情况下并不明显，这是由于侵彻初始阶段，破片侵彻深度较小，着角的变化对其侵彻阻力影响不大，破片减速度基本恒定，破片的速度曲线

也就近似于一条直线，而在20μs后速度曲线变化幅度减小并趋于平缓，破片的剩余速度与0°、5°、10°着角情况下相比要小，速度范围在200～260m/s，说明着角越大，破片侵彻靶板消耗的能量越多，动能就越小，速度也就越低。从图6(b)可以看出，除5°着角侵彻靶板时，含能材料内部应力值有个别突跃点，其他情况下，变化趋势基本一致，反应破片以0°、5°和10°侵彻靶板时，都能达到含能材料的临界起爆阈值，发生爆燃；而以15°、20°和25°侵彻时，含能材料内部应力值都处于临界起爆阈值线下方，不能发生爆燃。

2.2靶板运动对含能破片剩余速度的影响

运用AUTODYN-3D软件模拟含能破片以不同着角侵彻6mm厚4340钢靶。给靶板X方向赋予速度，分别为0、40、80、120、160、200和240m/s，含能破片以800m/s进行侵彻,破片以0°着角侵彻靶板的应力云图如图7所示。

图7　0°着角靶板以不同速度运动时含能破片侵彻应力云图Fig.7　The stress clouds of fragment penetrating with the angle of zero when the target plate motives at different velocities

从图7可以看出，靶板的运动对反应破片的侵彻有明显影响。在靶板运动时，靶板的穿孔大小随靶板运动速度的增大而增大。靶板与含能破片接触的一侧鼓包也越来越明显。在侵彻过程中，不仅反应破片的弹道发生偏移，其运动姿态也发生了明显的偏斜，冲塞下来的靶板材料也同样发生偏斜。由于靶板是X轴正向运动，穿孔整体向X轴负向倾斜。靶板运动的速度越大，反应破片的偏斜越大。为了说明靶板运动对含能破片剩余速度的影响，将不同着角下破片侵彻静止靶板的剩余速度与破片侵彻运动靶板的剩余速度进行对比，如图8所示。

图8　不同着角下破片剩余速度随靶板运动速度变化曲线Fig.8　Curves of change in residual velocity of fragment with target plate moving velocity with different impact angle

由图8可知，除0°着角和5°着角，反应破片剩余速度随靶板运动速度的增加而降低，反应破片着角越小，反应破片的剩余速度越大，反之，情形相反。由图8还可分析得出，反应破片着角越大，反应破片的剩余速度随靶板运动速度的增加下降趋势更加明显。

2.3靶板运动对含能材料内部应力的影响

为简化分析，研究不同着角下含能材料在观测点1、2、3处的应力值随靶板运动速度变化的情况，不同着角侵彻运动靶时含能材料内部应力峰值的变化如图9所示。

图9　不同着角侵彻运动靶时含能材料内部应力的变化曲线Fig.9　Curves of change in internal stress of energetic materials when penetrating moving target with different impact angles

从图9可以看出，与破片侵彻静止靶相比，靶板的运动速度对含能材料内部应力的影响不大，同一着角下各观测点含能材料内部应力的峰值几乎不变，不同着角下，含能材料应力值差异显著，随反应破片着角的增大，观测点1、2处的应力峰值随破片着角的增大依次减小，但观测点3处的应力值并不呈线性下降，而是出现5°着角大于0°、10°、15°着角的现象。靶板运动时，在0°着角情况下，各观测点的应力值均达到了含能材料的起爆阈值；其他着角的情况下，靠近破片着靶点的含能材料，内部应力峰值偏离起爆阈值线越远，含能材料越不易发生起爆。

3　结　论

(1)含能破片侵彻静止靶板时，随着角增大，破片的侵彻能力降低，含能材料越不易发生起爆。含能破片侵彻运动靶时，破片发生了明显偏斜，且穿孔直径变大；反应破片剩余速度随靶板运动速度的增加而降低且着角越大破片剩余速度下降越明显。

(2)破片以800m/s速度侵彻运动靶时,含能材料的内部应力与侵彻静止靶相比变化幅度不大；含能材料应力值随破片着角不同而差异显著，非零着角下，靠近破片着靶点处的含能材料，不易发生起爆。

(3)本研究符合实际情况下破片侵彻的终点弹道与毁伤效应，可为含能材料战斗部打击运动目标提供参考。

[1]帅俊峰，蒋建伟，王树有，等.复合反应破片对钢靶侵彻的实验研究[J].含能材料,2009,17(06):722-725.

SHUAI Jun-feng，JIANG Jian-wei，WANG Shu-you,et al. Experimental study of energetic fragments penetrating steel target[J].Chinese Journal of Energetic Materials, 2009,17(06):722-725.

[2]何源，何勇，潘绪超.含能破片冲击薄靶的释能时间[J].火炸药学报，2010，33(2)：25-28.

HE Yuan, HE Yong,PAN Xu-chao.Release time of energetic fragments impact thin target[J].Chinese Journal of Explosives & propellants(Huozhayao Xuebao),2010,33(2):25-28.

[3]吴广，陈赟，冯顺山，等.钢靶运动对弹丸侵彻效应影响的仿真研究[J].系统仿真学报,2012,24(2):498-503.

WU Guang，CHEN Yun，FENG Shun-shan，et al. Simulation study of projectile normal penetration lateral movement target[J].Journal of System Simulation, 2012,24(2):498-503.

[4]JIANG Jian-wei，WANG Shu-you，ZHANG Mou,et al. Modeling and simulation of JWL equation of state for reactive Al / PTFE mixture[J]. Journal of Beijing Institute of Technology,2012,21(2):143-149,150-155.

[5]殷艺峰.活性材料增强侵彻体终点侵爆效应研究[D].北京:北京理工大学,2015.

YIN Yi-feng. Research on terminal penetration-induced initiation and damage effect of reactive material enhanced penetrator[D].Beijing: Beijing Institute of Technology,2015.

[6]Raftenberg M N,Willis M J,Kirby G C.Modeling the impact deformation of rods of a pressed PTFE/Al composite mixture [J].International Journal of Impact Engineering,2008,35:1735-1744.

[7]WANG Hai-fu，ZHENG Yuan-feng，YU Qing-bo，et al. Impact-induced initiation and energy release behavior of reactive materials[J].Journal of Applied Physics,2011,110(7):074904.

[8]Richard G Ames. Energy release characteristics of impact-initiated energetic materials[J].Mrs Online Proceeding Library,2004,896(3):321-333.

Penetration-induced Initiation Behavior of Energetic Fragment for Moving Target

QIAO Xiang-xin1,HONG Xiao-wen2, QIAO Lei1, XU He-yang1, CHEN Chuang1

(1.Shenyang Ligong University, Shenyang 110168,China;2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

To study the penetration-induced initiation behavior of energetic fragment penetrating moving target, the numerical simulation to penetrating moving target with different impact angles was conducted by AUTODYN-3D software. The validity of the model was verified by a combination of experimental results and literature ones.The penetration-induced initiation behavior of energetic fragment penetrating moving target was calculated. The results show that compared with a stationary target, when energetic fragment penetrates moving target, the fragment occurs significant deviation, and the perforation diameter gives large change. The residual velocity of fragment decreases with increasing the velocity of the target and the impact angle of the fragment, and decline range is from 56.25% to 77.5%. The internal stress peaks of energetic materials change slightly, almost as a straight line, when fragment penetrating moving target compared with a stationary target, the stress peak of energetic materials differs significantly with different impact angles, and the difference of the maximum peak can be up to 5.2GPa. Under non zero impact angle, the deflagration of energetic materials to be close to the target point does not easily take place.

energetic fragment; penetration;moving target;penetration-induced initiation behavior;energetic materials; numerical simulationner

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.010

2016-03-15；

2016-07-05

中国兵器科学研究院基金资助项目(62253063554)

乔相信(1959-)，男，教授，从事弹药工程研究。E-mail：xxq2002@163.com

TJ55;O385

A

1007-7812(2016)04-0051-05