环形及线形聚能装药侵彻体对长杆式穿甲弹穿甲过程干扰的试验和数值模拟

张晋红， 李如江， 刘天生

(中北大学 环境与安全工程学院， 山西 太原 030051)

0 引言

爆炸反应装甲(ERA)自1970年问世以来，就以其防护性能优良、成本低廉、拆装简便等优点，在坦克装甲车辆上广泛应用。爆炸式反应装甲是一种披挂在主装甲外面的装甲，当受到破甲射流或穿甲弹高速撞击时，引爆中间炸药层，产生爆炸场对射流或动能穿甲弹连续或断续切割，使射流或穿甲弹受到干扰，从而降低射流或穿甲弹对主装甲的侵彻能力[1]。但是这种传统的爆炸反应装甲对长杆式穿甲弹(简称长杆弹)的防护能力并没有达到预期的防御效果。

目前具备三防功能(防破甲、防穿甲、防串联装药战斗部)的第4代爆炸式反应装甲以线性聚能装药为基础，靠主动引爆后形成的线性自锻破片或线性聚能射流拦截撞击弹杆，改变穿甲弹的飞行弹道和着靶姿态，从而降低其对主装甲的侵彻威力[2]。但是一直以来，国内外反坦克武器都在不停地改进提高，坦克面临的威胁不断加大[3]。因此，为了进一步提高爆炸反应装甲的防护性能，增强坦克在战场上的生存能力，提出了一种环形聚能装药结构的爆炸反应装甲。

目前国内外对环形聚能装药的理论研究与应用早已开展，并取得了丰硕的成果。例如，Gazonas等[4]运用环形聚能装药设计了一种具有圆形切割能力的环形切割器。Chick等[5]改进了环形聚能切割器的结构，能在3倍炸高下侵彻出0.75倍装药口径的环形孔洞。Konig等[6]通过将环形药型罩设计成变壁厚垫圈形状，获得了长度达1/3装药直径的环形爆炸成型弹丸。 Mcister等[7]将环形药型罩设计成镰刀形状，选用多种不同材料作为药型罩材料进行试验，得到了直径超过装药口径的环形爆炸成型弹丸。 贾伟等[8]应用非线性有限元软件研究了药型罩结构对环形爆炸成型弹丸形成的影响，发现环弧锥结合形爆炸成型弹丸比环锥形爆炸成型弹丸成型好、速度高、材料利用率高，比环球形爆炸成型弹丸密实度好、侵彻能力强。傅磊等[9]通过对环形聚能装药侵彻靶板过程进行数值模拟研究，发现对射流穿靶时间及剩余速度影响较大的因素为药型罩开口角度。裴红波等[10]采用有限元分析软件Autodyn对由梯恩梯炸药、水、塑料构成的特殊形状聚能装药结构进行了二维数值模拟，计算了不同炸药厚度下水射流形成过程，发现影响水射流形状的主要是炸药厚度，炸药厚度越厚，水射流的形状越细长，速度越大。

综上所述可知，以往对于环形聚能装药的研究仅局限于影响射流或爆炸成型弹丸性能或形态的因素，没有将其引入武器系统防护领域。因此，本文设计了一种以环形聚能装药为基础的爆炸反应装甲，依靠引爆环形聚能装药形成的环形自锻破片使长杆弹弯曲、偏转或断裂，从而降低侵彻能力。与线性聚能装药结构的爆炸成形侵彻体拦截长杆弹穿甲过程进行了对比研究，得出了长杆弹被爆炸成形侵彻体干扰后穿甲威力下降的原因，可为提高聚能型爆炸反应装甲的防护性能提供依据。

1 试验研究

1.1 试验装置及方案

试验所用模拟长杆弹选用25 mm口径钨合金半球头圆柱杆，其中弹芯材料为93 W，弹芯直径为7 mm，长度为210 mm，长径比为30，弹芯质量为153.4 g，弹体的速度控制在1 200 m/s左右。选取50 mm厚的603装甲钢作为主装甲，通过测定长杆弹在后效靶的穿深来检验聚能装药结构形成的爆炸成型侵彻体的干扰能力。图1为试验装置及环形药型罩结构示意图，包括聚能装药、钨杆、发射装置和后效靶。聚能装药药型罩由T2紫铜棒车制和旋压而成，壳体材料为Q235A钢，厚度10 mm，装填药为B炸药(40%梯恩梯和60%黑索今)， 密度1.68 g/cm3，装药高度45 mm. 试验时聚能装药固定至光滑的木板上，炸高120 mm. 为实现环形线起爆，在环形炸药上放置隔板，并加工一个与隔板同圆心的台阶孔，环形台阶孔内装入太安炸药，并与B炸药充分接触，通过太安炸药的起爆实现对B炸药的环形线起爆。为保证起爆时间的同时性，环形聚能装药及发射弹杆火药桶采用相同长度的导爆索连接8号电雷管起爆。试验中另装配1发线形聚能装药作为对比，为保证试验结果的可比性，两种装药结构中的药柱密度、高度均相同。药型罩和药柱相关参数如表1～表3所示。

表1 环形药型罩参数

表2 线形药型罩参数

表3 药柱参数

1.2 试验结果及分析

根据1.1节的试验方案及装置进行试验，后效靶穿深情况及测量结果分别如图2和表4所示，其中L为侵彻开坑最大长度，W为开坑最大宽度，H为开坑最大深度。

从表4的侵彻试验结果可知，无论是采用线形聚能装药还是环形聚能装药，其成型的侵彻体均能对长杆弹钨杆造成很大的干扰，而在侵彻孔的长度、宽度和深度上，环形爆炸成型侵彻体干扰下的钨杆侵彻钢靶造成的损伤明显小于线形爆炸成型侵彻体干扰下的钨杆。

从图2(a)线形爆炸成型侵彻体干扰下的钨杆侵彻603装甲钢的结果可以看出，钨杆在装甲钢内穿深较大，坑道截面呈半个漏斗状，前部开口较大，中后部较小。这是因为钨杆在受到线形爆炸侵彻体干扰后弯曲，钨杆头部斜向上运动，在碰触到钢靶后受到的横向阻力突然增大，弯曲处应力集中而折断。其前半部分首先在钢靶上形成细长的弹坑，后半部分由于长度较大，钨杆偏离轴线的程度较小，只有头部的一段向下弯曲呈钩状，侵彻能力仍然较高，这部分钨杆在原来侵彻的基础上继续开坑，且形成较深的弹坑。

表4 两种爆炸成型侵彻体干扰长杆弹侵彻603装甲钢靶试验结果

从图2(b)环形爆炸成型侵彻体干扰下的钨杆侵彻603装甲钢的结果可以看出，钨杆在装甲钢内穿深相对于线形结构较小，坑道截面呈浅漏斗状，前部开口仍然较大，中后部较小。这是因为钨杆在受到环形爆炸侵彻体干扰后形成两处弯曲，以弯曲处为界限，钨杆可分成前部、中部和后部3部分。首先钨杆头部受到干扰朝斜向上运动，在碰触到钢靶后受到的横向阻力突然增大，弯曲处应力集中而严重弯曲甚至折断，在钢靶上形成细长的弹坑；中、后部分继续向前运动，在碰触到钢靶后弯曲部分断裂，中、后部分偏斜下运动，有效侵彻动能大幅度减小，在靶板上的开坑深度较小。

对比试验中两种爆炸成型侵彻体干扰下的钨杆侵彻603装甲钢弹孔长度L与弹孔深度H可知，环形聚能装药干扰下的钨杆侵彻弹孔长度同线形聚能装药干扰下的相比，弹坑长度增大了10.9%，但穿深仅为22 mm，降低了29%，在弹孔宽度上二者相近。由此可知环形聚能装药结构爆炸形成的侵彻体拦截钨杆，使钨杆的损伤更大，侵彻能力明显下降，在防御长杆弹上，性能要优于线形聚能装药结构。

2 仿真模型的建立

2.1 计算模型及网格划分

采用线性动力学有限元分析软件LS-DYNA 3D进行仿真数值建模。仿真模型主要包括爆炸成型侵彻体、长杆弹和靶板 3部分。采用等厚球缺罩爆炸成型侵彻体战斗部装药，装药结构为轴对称，药型罩厚度为2 mm，曲率半径为23 mm；装药为B炸药，装药直径为40 mm. 为了研究长杆弹干扰后的穿深，设置靶板尺寸12 mm×10 mm×10 mm，战斗部在靶板垂直上方70 mm处静爆，用多点起爆代替环形起爆。由于模型的对称性，故建立了1/2模型，并通过施加对称约束来减少计算量[11]。球缺罩、空气以及炸药使用欧拉网格建模，单元采用多物质任意拉格朗日- 欧拉算法[12]，长杆弹和装甲钢靶采用拉格朗日网格建模，长杆弹、炸药、药型罩以及靶板材料之间使用流体与固体耦合算法，长杆弹与侵彻体及后效靶均定义为面面侵蚀接触， 在空气边界处施加无反射边界条件以消除边界效应，有限元模型如图3所示。在计算中，计算模型选取厘米- 克- 微秒单位制，同时为了提高计算效率和精度，局部网格进行了加密处理，共计432 576个单元。

2.2 材料模型及参数

整个数值模型可分为以下6个部分：

1)聚能药柱。聚能药柱为B炸药压制而成，采用高能燃烧材料模型和JWL状态方程来描述[13]。其主要参数为：密度ρ=1.68 g/cm3，爆压pCJ=28.08 GPa，爆速D=8 200 m/s，A、B、R1、R2和ω为与状态方程有关的常数，A=807 GPa，B=12 GPa，R1=4.23，R2=1.21,ω=0.33.

2)空气。空气视为理想气体，选用空气介质，采用空物质料模型和线性多项式Liner Polynomial状态方程描述，密度ρ=1.25 g/cm3.

3)药型罩。药型罩为紫铜罩。采用Steinberg强度模型和Grüneisen状态方程表示[13]，相关参数为：密度ρ=8.93 g/cm3，剪切模量G=28.08 GPa，初始屈服应力Y0=120 MPa，最大屈服应力Ymax=640 MPa，β=36，应变硬化指数n=0.45，冲击波速度- 质点速度曲线的截距c=3 940 m/s，Grüneisen常数γ0=1.99，冲击波速度- 质点速度曲线斜率的系数S1=1.49.

4)外壳。外壳材质为Q235钢,采用Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程进行描述[13]。具体材料参数为：密度ρ=7.83 g/cm3，剪切模量G=81.8 GPa，A、B、n、C为与状态方程有关的常数，A=792 MPa，B=510 MPa，n=0.26，C=0.014， 温度相关因数m=1.03，Grüneisen常数γ0=1.99.

5)靶板。靶板为603装甲钢靶，采用Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程进行描述[13]。具体材料参数为：密度ρ=7.85 g/cm3，剪切模量G=77 GPa，A、B、n、C为与状态方程有关的常数，A=1 350 MPa，B=362 MPa，n=0.58，C=0.087，温度相关因数m=1.13，Grüneisen常数γ0=2.17.

6)长杆弹。长杆弹材质为93 W，采用Johnson-Cook模型和Grüneisen状态方程进行描述[13]。具体材料参数为：密度ρ=17.6 g/cm3，剪切模量G=136 GPa，A、B、n、C为与状态方程有关的常数，A=1 506 MPa，B=177 MPa，n=0.12，C=0.016，温度相关因数m=1.00，Grüneisen常数γ0=2.1.

3 模拟两种聚能装药结构干扰长杆弹侵彻603装甲钢靶的过程及分析

利用LS-DYNA 3D模拟两种爆炸成型侵彻体干扰长杆弹侵彻603装甲钢的过程。通过模拟发现，两种聚能装药结构形成爆炸成型侵彻体的机理基本相同，都是在炸药强爆轰波压力下，药型罩沿其轴线向下对称压合翻转，而后经历拉伸变形，最终形成高速稳定运动的侵彻体。表5给出了两种爆炸成型侵彻体干扰长杆弹侵彻603装甲钢靶的具体过程。由表5分析可知，装药起爆后，爆轰波以球面波的形式沿装药向下传播：当t=6 μs时，到达球缺药型罩顶端；当t=10 μs时，球缺药型罩在强爆轰波作用下沿药型罩轴线向下压合翻转，此时这两种装药结构下的药型罩变化情况基本一致；当t=22 μs时，药型罩压合翻转基本完成，线性聚能装药形成线形爆炸成型侵彻体，环形聚能装药逐渐形成环形爆炸成型侵彻体，此时的侵彻体头尾速度梯度最大；当t=36 μs时，线形侵彻体基本已经形成并继续向下运动，整体速度基本保持在2 057 m/s，环形侵彻体速度基本保持在2 308 m/s.

表5 两种聚能装药干扰长杆弹侵彻603装甲钢过程

在t为22～36 μs时间内，通过对比同一截面上两种爆炸成型侵彻体的形态，并结合表5图中颜色变化可知，环形爆炸成型侵彻体在压力和速度参数的分布上并不沿其中心线呈规律性对称关系，其原因是药型罩内外两侧炸药层厚度不同而导致内外罩压垮的不同步；环形侵彻体在t=40 μs时开始毁伤长杆弹，线形侵彻体在t=42 μs时开始毁伤长杆弹；在t=49 μs时，毁伤过程基本完成，这时长杆弹由于受到爆炸成型侵彻体的干扰，在弹杆径向发生严重变形，爆炸侵彻体中间部位发生断裂，线形爆炸成型侵彻体干扰下的长杆弹整体速度从原来的1 200 m/s降到1 190 m/s，降低了10 m/s，环形爆炸侵彻体干扰的长杆弹速度由1 200 m/s降到1 185 m/s，降幅为15 m/s，环形侵彻体使弹杆径向速度降至135.1 m/s，受到干扰后的弹杆在径向上都损耗一部分能量，损耗了弹杆的侵彻动能，通过对比发现，环形爆炸成型侵彻体干扰的长杆弹损耗效果更佳；在t=68 μs时，弹杆均开始侵彻靶板，弹杆受到的阻力突然增大，原来弯曲的部位应力集中发生断裂；在t为122～182 μs时，后段弹杆入靶，环形爆炸侵彻体干扰的长杆弹弹杆在弯曲的部位发生断裂。对比后效靶板上的弹坑，环形爆炸侵彻体干扰的长杆弹开坑浅、坑径大。另外，观察长杆弹后段弹杆的侵彻，发现二者的后段弹杆均存在翻转过程，线形爆炸侵彻体干扰的后段弹杆按顺时针翻转，而环形爆炸侵彻体干扰的后段弹杆，以弯曲处为界前段部分为顺时针翻转、后段部分为逆时针翻转。这种翻转将导致后段弹杆的入射方向与轴向方向偏离程度逐渐增大，作用于603装甲钢靶的有效侵彻动能减小。

表6 两种爆炸成型侵彻体干扰长杆弹侵彻603钢靶模拟结果

表6为两种爆炸侵彻体干扰长杆弹侵彻603装甲钢靶模拟结果，与试验所得数据基本吻合，靶板损伤模拟效果(见图4)也与试验结果(见图2)基本相符。将装甲结构单元的抗弹性能及其质量均以标准均质装甲钢板作为基准进行对比，得出评价装甲结构单元的防护系数[14]，计算公式为

(1)

式中：Th为标准弹射击标准靶时的穿甲深度；ρh为标准均质装甲钢靶密度，ρh=7.85 g/cm3；Ts为标准弹射击特种钢装甲时的穿甲深度；ρs为特种装甲的密度。

通过计算可知，装配有环形与线形聚能装药结构的防护系统同标准均质装甲钢性能相比，防护系数均显著提高，在环形爆炸侵彻体防护系统中，靶板对长杆弹的防护系数比线形爆炸侵彻体高出了48%. 因此，装配环形聚能装药结构防护系统性能远优于线形聚能装药结构。

图5为两种聚能装药结构爆炸侵彻体飞行速度对比曲线。从图5中可以看出，环形爆炸成型侵彻体飞行速度大于线形的，这是因为同等质量侵彻体，环形爆炸成型侵彻体顶部壁厚较小，但线形爆炸成型侵彻体速度衰减远小于环形的。通过分析外观气动性可知，线形爆炸成型侵彻体迎风面积小，飞行过程中受到的空气阻力较小，但是近距离飞行，环形爆炸成型侵彻体的速度仍远大于线形的，毁伤动能优于线形爆炸成型侵彻体。

图6为两种聚能装药侵彻体干扰下长杆弹飞行速度对比曲线。由图6可知，环形爆炸成型侵彻体会使长杆弹形态破坏更加严重，导致长杆弹有效侵彻速度衰减更快。线形爆炸成型侵彻体使长杆弹有效侵彻速度降低了58%，而环形爆炸成型侵彻体则降低了69%，比线形的高11%，由此可知，环形爆炸成型侵彻体拦截长杆弹的效果优于线形，防御性能更佳。

4 结论

本文通过对线形聚能装药结构和环形聚能装药结构干扰长杆弹的整个过程进行数值模拟及试验验证，得到结论如下：

1) 环形爆炸成型侵彻体在成型过程中，药型罩顶端受到爆轰波压力的作用，向下翻转成环形侵彻体的头部，药型罩底部向对立面闭合，形成环形侵彻体的尾部。由于存在速度梯度，在此过程中侵彻体不断被拉伸，头部速度和尾部速度的梯度不断减小，最后二者一致、达到稳定状态。另外，爆轰波滑移并在接触面对撞，压力突变，侵彻体局部速度出现陡增现象，整体速度提高。因此，环形装药结构合理设置多点起爆，不仅能使爆炸侵彻体成型形态良好，而且速度更高，干扰长杆弹效果更好。

2) 长杆弹受到两种爆炸成型侵彻体干扰后，穿甲威力均有不同程度的下降。但受到环形爆炸成型侵彻体干扰后，穿甲威力大幅度下降，使长杆弹弹杆出现两次不同方向的翻转，增大了入射方向与自身轴向方向的偏离程度。