爆轰驱动陶瓷面背板碎裂行为研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:冲击环境材料技术重点实验室稳定支持基金项目()作者简介:洪晓文()男博士助理研究员:.通信作者:史安顺()男硕士副研究员:.:./.爆轰驱动陶瓷面背板碎裂行为研究洪晓文史安顺秦 超樊雪飞夏开朗尹 飞(.中国兵器工业第五二研究所 山东 烟台.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻烟台地区军事代表室 山东 烟台)摘要:为研究陶瓷平板在爆轰载荷下的碎裂行为采用 软件对其爆轰驱动过程进行了数值计算通过爆轰波与陶瓷平板的作用过程分析及陶瓷破片的特征尺寸统计得到了陶瓷平板的裂纹拓展规律及陶瓷破片尺度分布规律 结果表明:不同陶瓷平
2、板药室中爆轰波的传播及其与陶瓷平板的作用过程类似但陶瓷裂纹拓展及形态不同无拼接陶瓷平板形成网格化裂纹而拼接陶瓷平板则呈现环向裂纹及径向裂纹爆轰载荷下陶瓷平板药室形成的陶瓷破片尺度满足 分布模型不同尺度陶瓷破片质量分布的比重由幂指数系数 决定陶瓷平板的整体损伤程度可用平均特征尺寸系数 评判考虑到陶瓷平板药室的低附带损伤特性选择小尺寸的陶瓷片进行陶瓷平板拼接较合适研究结果可为陶瓷平板药室在轻型装甲车辆上的应用提供参考关键词:陶瓷平板爆轰驱动裂纹破片尺度特征尺寸本文引用格式:洪晓文史安顺秦超等.爆轰驱动陶瓷面背板碎裂行为研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()
3、(.):.:引言爆炸反应装甲中应用的平板装药其基本结构为面板 夹层装药 背板的三明治结构该结构最早由.提出由于其具有防护效益高、重量轻、安装方便等优点被广泛应用于坦克装甲车辆的防护 传统的爆炸反应装甲结构由 层对称或非对称的钢板和中间夹层炸药组成 当破甲射流高速侵彻一定倾角的爆炸反应装甲时会引爆中间炸药层钢板在爆轰产物作用下沿其法向高速运动对射流形成连续或断续切割使射流受到严重的干扰从而降低了射流对主装甲的侵彻能力 近年来随着非对称作战理念的发展城市作战形式越来越广泛在城市作战中坦克装甲车辆上的反应装甲模块被来袭弹丸击中爆炸后传统结构的钢制面背板在爆炸载荷作用下会产生大量 /的高速破片给坦克周
4、围的伴随步兵和城市居民带来严重的附带毁伤 为此用新的低密度材料(陶瓷、玻璃、铝)或复合材料(聚碳酸酯、聚乙烯、玻璃纤维增强塑料 等)替代原先反应装甲的面背板材料降低破片对人员等软目标的附带毁伤成为了研究的热点李如江等采用试验研究和数值模拟相结合的方法研究了面密度相同的氧化铝()和碳化硅()陶瓷平板装药防护性能并与钢制平板药室进行了对比证明了陶瓷平板药室的防护性能优于钢制平板药室初步获得了陶瓷平板药室对射流的干扰机理 宋思维等对 和 陶瓷反应装甲的附带损伤效应进行了试验研究结果表明:陶瓷反应装甲的附带损伤低于 陶瓷材料 等对比研究了使用轻质材料(、)面背板的平板药室与钢制平板药室的防护效能结果表
5、明:层对称的、和 平板装药防护性能较钢制面板低但附带损伤较小 等讨论了陶瓷、纤维增强塑料和铝作为面板材料的非对称平板药室的防护性能结果表明:使用陶瓷材料的非对称平板药室其防护性能较钢制平板药室显著提高 等对铝、陶瓷、玻璃钢等材料的平板药室进行了试验研究发现这些材料具有和钢相同的防护效能且附带损伤明显降低 等运用闪光 射线拍摄了陶瓷和硼硅玻璃等面背板材料与射流的相互作用过程发现其在爆炸载荷作用下会迅速破碎成粉末能够有效降低对周围环境的附带损伤 以上研究大多只是针对不同轻质材料平板药室的防护性能进行了定性和定量比较而对陶瓷平板药室的碎裂行为并未进行深入研究但是陶瓷平板的破碎程度对其附带毁伤能力有较
6、大的影响因此对爆炸冲击后陶瓷的破片尺度及粒径分布规律分析变得尤为重要本文中首先采用 有限元软件对陶瓷平板药室的爆轰驱动过程进行分析获得不同陶瓷平板的裂纹拓展规律然后分析探讨了陶瓷破片尺度和粒径分布的关系获得陶瓷面板的破片尺度分布规律从而为陶瓷平板药室在反应装甲上的应用提供技术参考 陶瓷平板药室模型建立.计算模型数值模拟使用的陶瓷平板分为无拼接陶瓷板和拼接陶瓷板其中拼接陶瓷板使用的陶瓷片为标准 六边形抗弹陶瓷片以及、尺寸的六边形陶瓷片无拼接陶瓷板和拼接陶瓷板的尺寸为 炸药厚度为 数值模拟时首先将炸药和陶瓷面背板都采用拉格朗日()单元进行建模然后划分六面体网格计算采用三维轴对称算法单位制为 为了避
7、免采用 单元后在计算中发生炸药和陶瓷面板的网格畸变引起数值计算的困难将炸药和陶瓷面背板进行无网格化处理即对拉格朗日单元进行 粒子进行填充无拼接陶瓷平板直接在 中进行前后处理拼接陶瓷在 中进行建模在 的 模块中进行几何建模然后在 模块中划分网格网格采用自动划分方法网格尺寸为 几何模型及有限元模型如图 所示 陶瓷片之间的接触采用 设置以模拟陶瓷片之间的相互作用图 几何模型及有限元模型.洪晓文等:爆轰驱动陶瓷面背板碎裂行为研究 将建好的模型导入 后复制移动面板建立背板模型然后建立炸药模型将建好的面背板、炸药模型进行无网格化处理设置 粒子的大小为.粒子填充后的无拼接和拼接陶瓷平板药室模型分别如图 和图
8、 所示图 粒子化后的无拼接陶瓷平板药室.图 粒子化后的拼接陶瓷平板药室.对炸药和陶瓷面背板之间设置自动接触算法在模型的坐标原点设置起爆点计算时间设置为.材料模型平板药室中炸药选取密度为./的 炸药 炸药的材料参数取自 材料库炸药采用 程序中的高能炸药材料模型炸药爆轰产物的膨胀采用 状态方程描述具体参数见表 表 炸药的材料参数 /()/./()/().由于陶瓷作为典型的脆性材料具有破坏应变小、破坏过程时间短、初始材料缺陷敏感性强、压力敏感性强等特点因此陶瓷面背板材料采用 材料库中描述脆性材料的 本构模型数值模拟中所用的陶瓷板主要参数如表 所示表 陶瓷板的材料参数 陶瓷类型/()/屈服强度/压缩强
9、度/.模拟时在夹层炸药中设置起爆点模拟反应装甲夹层装药被射流或动能弹冲击引爆起爆点设置在夹层装药的中心位置观察起爆后陶瓷面板和背板的膨胀破碎过程.模型有效性验证为了对数值模拟的有效性进行说明根据文献中射流冲击陶瓷面板反应装甲的 光成像的试验结构(图)进行建模对射流冲击后的陶瓷板膨胀飞散过程进行数值模拟模拟完成后将相同时刻的数值模拟结果和 光照片的陶瓷破片云进行对比图 试验布置图.文献 中的试验其所用的反应装甲夹层装药为的 标准爆速为 /密度./该试验的聚能装药战斗部采用 火箭弹的战斗部陶瓷药室面背板尺寸为 炸药厚度 聚能装药战斗部到陶瓷面板的炸高为 陶瓷平板药室与战斗部轴线的法线角为 本文中采
10、用 软件进行建模首先建立/轴对称模型进行射流成型计算破甲战斗部根据 的几何结构建模算法使用纯欧拉算法空气、炸药、药型罩材料均选自 材料库射流成型稳定后保存成映射文件 然后新建陶瓷面背板和夹层炸药的三维二分之一模型在 材料库中选择 陶瓷材料材料模型为 强度及破坏模型 夹层装药兵 器 装 备 工 程 学 报:/./选择与试验中爆速及爆压相近的 炸药状态方程为 点火增长模型 最后将成型后的二维映射文件映射成三维拉格朗日网格然后对射流和炸药拉格朗日网格进行 粒子填充接触设置为自动接触方式单位制为计算时间为 图 是数值计算结果与 光试验结果的比较图 相同时刻 光试验结果与数值模拟结果对比.数值模拟与 光
11、试验显示的 次曝光(均叠加在同一胶片上)结果表明陶瓷面背板偏离了爆炸中心 当 时在射流穿透陶瓷平板药室后可以看出 陶瓷板在爆炸载荷下仍能保持整体结构 当 时陶瓷平板被分解成更小的碎片 图 显示数值模拟和 光试验结果存在一些差别这是由于数值模拟使用的炸药属性、材料属性和实际存在一定的差别但模拟结果和 光试验结果的整体一致性较好 因此可以认为本文中采用的数值模拟方法和材料模型具有较高的精度 陶瓷平板药室的爆轰驱动过程分析.陶瓷平板内爆轰波的传播及平板膨胀过程计算开始时无拼接陶瓷面板下的钝感炸药被引爆 不同时刻无拼接陶瓷面背板的爆轰波传播过程如图 所示由于在装药的中心引爆在 时刻爆轰波以球形向装药四
12、周传播已反应的装药和未反应的装药交界面上是爆轰压力峰值面 在 时刻爆轰波已超出陶瓷面板边界此时可看出爆轰压力波传到边界后发生反射反射的稀疏波已开始向内传播 在 时刻陶瓷板边缘的炸药已超出边界向外继续扩散同时稀疏波在装药内部分布也逐渐变得均匀 拼接陶瓷平板内的爆轰波传播过程与无拼接陶瓷平板的类似在此不再赘述图 显示了陶瓷面背板内爆轰波与无拼接陶瓷平板的相互作用过程图 爆轰波的传播过程.图 爆轰波与无拼接陶瓷平板的作用过程.在炸药起爆后 时段内爆轰波以球形向装药四周传播在陶瓷平板上也相应显现出球形轮廓无拼接陶瓷板在压力作用下也开始发生膨胀 在 时段当爆轰压力波及后续的反射稀疏波作用时可以看出陶瓷平
13、板边缘的压力轮廓以及压力分布逐渐趋于均匀无拼接陶瓷平板也凸起到一定程度此刻无拼接陶瓷平板整体尚保持完整 拼接陶瓷平板的过程与之类似单从图 并不能有效区分无拼接和拼接陶瓷平板的作用过程下面对拼接和无拼接陶瓷平板的破碎过程进行分析无网格的 方法不能清晰显示陶瓷平板的裂纹及其拓展过程而拉格朗日方法可以实现 因此同时使用拉格朗日方法计算前 的陶瓷洪晓文等:爆轰驱动陶瓷面背板碎裂行为研究平板的破碎过程.陶瓷平板的破碎及裂纹拓展过程爆炸载荷下陶瓷破碎不同于陶瓷板受弹丸冲击后的破碎形态陶瓷板受弹丸冲击后一般会形成陶瓷锥陶瓷会以弹着点为中心以呈经纬交错的方式形成径向裂纹和环向裂纹向外拓展 由弹着点边缘出现的锥
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