侵彻战斗部头部惰性体结构设计研究

张丁山，周 涛，屈可鹏，高金霞，赵向军



侵彻战斗部头部惰性体结构设计研究

张丁山，周 涛，屈可鹏，高金霞，赵向军

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

为了研究侵彻战斗部头部惰性体结构设计原则，应用应力波理论，分析了侵彻战斗部撞击靶标过程中应力波从壳体到头部惰性体再到主装药的传播过程，建立了应力波传播的数学计算模型；应用大落锤试验平台，针对不同厚度、不同结构的惰性体开展了应力波传播试验研究，对比分析了试验结果和计算结果，验证了模型的合理性。依据数学计算模型，总结得出惰性体两端面的结构尺寸对应力波强度的变化影响较大，且按照e-2(D-d)/D的规律进行变化，而惰性体的厚度在10～50mm范围内变化时对应力波强度没有直接影响。

战斗部；侵彻；传播特性；应力波；结构设计

侵彻战斗部的装药安定性是决定其整体性能的核心技术之一，为了实现侵彻战斗部的作战目标，在各种侵彻条件下，均需确保战斗部装药的安定性。战斗部侵彻靶标过程中产生的应力波对装药安定性可产生重大影响。该应力波传播到装药结构内部将引起装药内应力变化，应力波的强度决定了装药内应力的大小，当装药内应力达到安全阈值时，将引起装药早燃早炸。为此，在装药自身性能确定的前提下，在战斗部内腔头部装配惰性体，即惰性体位于战斗部壳体和装药前端之间，通过应力波从壳体传播到惰性体再传播到主装药过程中的衰减，降低传播到装药内部的应力波强度，改善装药的受力条件。

诸多研究者对于侵彻战斗部的整弹过载[1]、装药抗过载技术[2]、抗过载的火药装药结构[3]及撞击应力波产生及在杆件中的传播[4]等多方面均开展了研究工作，但关于应力波在侵彻战斗部头部惰性体中的传播及惰性体的结构设计研究相对较少。目前随着作战需求的变化，对侵彻战斗部的侵彻性能、毁伤威力等提出了更高要求，即侵彻速度、装药量等在战斗部总质量、结构尺寸固定的条件下需进一步提高，因而需深入研究抗过载装药结构设计技术，寻求惰性体最佳结构即合理的惰性体厚度，在战斗部内腔空间固定并满足战斗部侵彻装药安定性需求的条件下，设计出最大装药空间。基于此，本文应用应力波理论[5]，以一维纵波波动理论和谐波分析法为基础，建立计算应力波在惰性体中的传播模型，结合大落锤试验结果，研究应力波在惰性体内传播时的强度变化情况，得出惰性体不同结构对应力波的衰减规律，为开展侵彻战斗部装药结构的优化设计提供参考依据。

1 模型建立

侵彻战斗部撞击靶标产生应力波，该应力波从壳体头部通过惰性体向主装药的传播过程为：首先应力波在壳体与惰性体接触面（直径为）位置发生透射和反射，透射进入惰性体的应力波继续在惰性体内传播，到达惰性体与主装药接触面（直径为）位置时再次发生透射和反射，其中透射波进入主装药。惰性体装配示意图及建立应力波传播模型用惰性体结构参数如图1所示。

图1 惰性体装配示意图

建立应力波传播模型时作出如下基本假设：

（1）战斗部结构强度满足侵彻要求的条件下，试验后回收战斗部除头部有局部侵蚀变形外，其余壳体结构基本无变形，另外对回收战斗部解剖后观察测量惰性体结构基本完好，无变形破碎现象，因此假设战斗部壳体和惰性体内部传播的应力波均为弹性波；（2）接触面位置应力分布均匀；（3）壳体与惰性体间应力波的传播只存在于壳体与惰性体接触面（直径为的部位），暂不考虑其余部位的相互传播。

1.1 应力波在两介质间的透射与反射

应用应力波传播理论，得出应力波在壳体与惰性体间的透射和反射及应力波在惰性体与主装药间的透射和反射计算公式为：

式（1）中：1为入射波强度，MPa；σ为反射波强度，MPa；σ为透射波强度，MPa；1为第1种介质密度，kg/m3；2为第2种介质密度，kg/m3；1为第1种介质中弹性波速，m/s；2为第2种介质中弹性波速，m/s。

1.2 应力波在惰性体内部的传播计算

取惰性体中心轴为Ｘ轴向上，原点=0取为惰性体直径为的端面，截面积变化规律为()，(0)=0=1/4π2。传播一维应力平面波，以、和分别表示惰性体中的质点速度、轴向应力和轴向应变，0和分别表示材料密度和时间，为Lagrange坐标。则惰性体中的轴向运动方程和轴向位移连续条件分别为：

（2）

（3）

依据假设（1），=，为弹性模量，代入得修正的波动方程：

以谐波解

将式（5）代入（4）得：

于是可得：

惰性体截面积：

将式（9）代入式（8）得：

当=时，即惰性体高度固定为，由式（10）可得：

2 试验研究

应用大落锤试验平台，开展了惰性体不同结构对应力波传播影响规律的研究。试验中，通过落锤撞击提供初始入射应力波，每次落锤高度相同，以提供相同的入射应力波强度，应力波通过惰性体后经压力传感器测量，获取此时应力波强度，对比入射应力波强度和传感器测量强度，得出应力波经惰性体后的衰减情况。落锤重量为400kg，落锤高度固定为2m，惰性体由聚碳酸酯棒加工而成，上击柱、固定装置、下击柱材料相同，均为35CrMnSiA，材料力学性能与落锤材料性能基本相同，压力传感器金属材料力学性能与下击柱材料性能也基本相同，因此，暂不考虑应力波在落锤与上击柱、下击柱与传感器间传播的反射与透射现象，近似认为应力波在相同材料中传播。试验装配示意图如图2所示。试验中惰性体结构情况汇总见表1，共包含6组，每组3件，即试验时相同组共进行3次测试，相关材料特性参数见表2。

图2 试验装配示意图

表1 惰性体结构汇总

表2 相关材料特性参数

Tab.2 Material characteristic parameters

3 结果分析

3.1 试验结果

通过大落锤试验，共进行18次试验测试，获取了试验测试结果，测试结果见表3，相同组选取1条测试曲线，如图3所示。

表3 试验结果

Tab.3 The summary of test results

图3 惰性体试验测试曲线

从图3（a）中可得，在没有惰性体的情况下，落锤提供的初始应力波峰值约为1 033MPa。从图3（b）~（d）中可得，在惰性体直径不变，厚度依次为10mm、30mm、50mm时，落锤提供的初始应力波通过惰性体后，应力波峰值分别约为410MPa、398MPa、422MPa。另外，对比图3（b）~（d）可得，随着惰性体厚度的增加，应力波的波长逐渐增长。

从图3（e）中可得，在惰性体厚度为50mm、应力波输入端直径为20mm、应力波输出端直径为40mm的情况下，落锤提供的初始应力波通过惰性体后，应力波峰值约为193MPa。从图3（f）中可得，在惰性体厚度为50mm、应力波输入端直径为30mm、应力波输出端直径为40mm的情况下，落锤提供的初始应力波通过惰性体后，应力波峰值约为288MPa。

通过表3可得，由于传感器测试误差，相同组3次试验测试结果存在较小偏差；通过第2、3、4组试验测试结果对比，3组应力波峰值测试结果基本相当，即惰性体直径不变的情况下，小幅度变化厚度对应力波峰值影响较小。

3.2 模型校核及分析

应用公式（1）、（11）计算初始峰值为1 033MPa的应力波分别通过组号4、组号5、组号6惰性体后的输出应力波峰值，计算结果分别为345MPa、128MPa、209MPa。计算结果与试验结果相比均偏小，是由于计算时只考虑了应力波通过惰性体的传播，未考虑应力波通过固定装置及其余连接部件的传播，但计算结果与试验结果变化趋势相同，应力波传播计算模型仍可作为分析惰性体结构对应力波传播影响规律的依据。

结合试验测试结果、应用应力波在惰性体中的传播计算模型，可分析得出：（1）应力波从壳体透射进入惰性体时，应力波强度的变化主要与惰性体自身的材料性能有关，值越小，透射进入惰性体的应力波强度也越小，而与惰性体和壳体的接触面结构关系较小；同样，应力波从惰性体透射进入主装药时，应力波强度的变化主要与惰性体、主装药的材料性能有关，与两者接触面结构的关系较小；（2）应力波在惰性体内传播时，应力波强度的变化主要与惰性体两端面的结构有关，即与（-）/的比值有关，且应力波强度按照e-2(D-)/D的规律进行变化，而与惰性体的厚度没有直接的关系；（3）惰性体厚度可影响应力波传播的波长变化，即惰性体厚度越大，应力波波长越大。

综上所述，侵彻战斗部头部惰性体结构设计时，若在截面积不发生变化，即（-）/的比值不变时，单独增加惰性体厚度对应力波的衰减效果较小，甚至没有影响，因此，在满足惰性体自身强度的前提下，结合弹体内腔结构，在一定厚度的条件，尽可能设计（-）/比值较大的惰性体结构，可达到较优的应力波衰减效果。

4 结束语

本研究应用应力波理论，初步建立了应力波在侵彻战斗部壳体和惰性体间传播的数学计算模型，通过试验研究，验证了模型的合理性，得出应力波在侵彻战斗部壳体与惰性体间传播时强度的变化规律，对侵彻战斗部内腔头部惰性体的结构设计具有指导意义。但实际侵彻过程中，应力波在战斗部壳体和惰性体间的传播过程将非常复杂，存在应力波通过多个接触面透射进入惰性体、应力波在壳体与惰性体间的反复传播、多个应力波在惰性体内的叠加等问题，将在后续工作中逐一深入研究，另外，对于试验测试结果与计算结果存在偏差问题，拟通过优化试验装置，降低试验环境对测试结果的干扰，进一步提高测试精度。

参考文献：

[1] 王成华,陈佩银,徐孝诚.侵彻过载实测数据的滤波及弹体侵彻刚体过载的确定[J].爆炸与冲击,2007,27(5):416-419．

[2] 高金霞,赵卫刚,郑腾.侵彻战斗部装药抗过载技术研究[J].火工品,2008(4):4-7.

[3] 宁慧君,张丁山,阮文俊,等.火药颗粒床装药结构设计及其抗侵彻过载的数值模拟与实验研究[J].火炸药学报,2014,37 (5):70-75.

[4] 姚磊,李永池.应力波在变截面体中的传播特性[J].爆炸与冲击,2007,27(4):345-350.

[5] 王礼立.应力波基础[M].北京:国防工业出版社,2010.

The Research on Structure Design of Inert Material in the Penetration Warhead

ZHANG Ding-shan，ZHOU Tao，QU Ke-peng，GAO Jin-xia，ZHAO Xiang-jun

（Xi´an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an，710065）

In order to research the principle of structure design of inert material in the penetration warhead, the propagation process of stress waves from shell to inert material and then to the charge was analyzed with stress wave theory in the penetration process of warhead, and the mathematical model was set up. The research on propagation process of stress waves was developed by big drop test equipment, when it pass through different thickness or different structure inert material, as well as the rationality of mathematical model was proved by comparing the test results with the calculation results. It is concluded that the structure size of inert material two ends surface impact on strength of stress wave much more according to the mathematical model, and accord the change rule of e-2(D-d)/D, while the thickness of inert material impact on strength of stress wave very little when it changes between 10mm and 50mm.

Warhead；Penetration；Propagation characters；Stress waves；Structure design

1003-1480（2016）04-0025-04

TJ760.3+1

A

2016-05-04

张丁山（1984 -），男，副研究员，主要从事战斗部结构设计及性能研究。