DU合金破片冲击起爆B炸药研究

朱福林，陈 阳，崔卫超，马宝成，陈天荣

(1.四川航天电子设备研究所， 成都 610000； 2.晋西集团江阳化工有限公司， 太原 030051)

钨合金破片由于其密度大、穿甲能力强而被广泛应用作杀伤弹药的毁伤元素，但随着弹药战术要求的提高，希望杀伤元素不仅要满足穿甲威力，还要具备引燃或者纵火能力，因此铀合金被广为关注。贫铀合金在穿甲领域已经表现出良好的侵彻性能，比如在海湾战争中，美军的贫铀穿甲弹就大放异彩，致使T-72坦克黯然失色[1]。

近年来，国内外开展了很多关于DU(贫铀)合金的研究，Eckmeyer[2]研究了热处理对铀钛合金性能的影响，发现铀合金的形成过程以及溶液中合金元素的固溶体增强效应，可以使合金的强度比其他非铀合金高两倍。Johnson和Cook通过大量实验得到数据并进行拟合，提出了J-C本构模型，给出了铀钛合金的本构参数[3]。何立峰等[4]利用材料试验机和霍普金森杆实验装置研究了U-Ti合金在室温下的压缩力学行为，并根据实验数据拟合修正了Johnson-Cook模型。岳明凯等[5]通过研究穿甲弹芯材料发现DU合金在侵彻过程中更易发生绝热剪切产生自发锐性，更有利于侵彻。石杰等[6]通过霍普金森杆实验研究了不同温度人工时效的铀铌合金在冲击载荷作用下的绝热剪切带成型机理。

虽然国内外已有很多DU材料的研究论文，但在破片式起爆带壳B炸药方面使用DU合金材料的研究鲜有公开。对于防空反导方面来讲，拦截并起爆(引燃)来袭导弹的战斗部装药是理想的毁伤方式之一，因此对于铀合金撞击起爆带壳炸药的性能，需要进一步研究，以分析其起爆带壳B炸药的能力。本研究运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，采用“升-降”法研究DU合金破片形状和长径比对带壳B炸药阈值速度的影响，这对研究带壳B炸药在DU破片撞击下的起爆问题具有重要意义。

1 计算方案和主要参数

利用LS-DYNA非线性显式动力学软件对破片冲击起爆带壳装药进行三维数值仿真[7]。为提高网格划分效率并得到高质量的有限元网格,利用TrueGrid软件完成计算的前处理工作。其中，破片、壳体和炸药选用拉格朗日网格。为减小计算规模，建立1/4模型，同时为了保证计算精度，整体网格为0.5 mm，破片、壳体和炸药中心区域进行加密处理来保证仿真的准确性。其中圆柱形破片为Φ8 mm×8 mm，壳体为Φ100 mm×6 mm，B炸药为Φ92 mm×60 mm，其中选取在B炸药上每间隔10 mm选取一个单元作为压力-时间和反应度-时间的观测点。简化模型及网格如图1所示。

图1 简化模型及网格

本研究仿真所用到的材料为DU合金、45#钢和B炸药，其中DU合金、45#钢两种材料的本构模型均选择Johnson_Cook本构模型，而B炸药的材料模型为弹塑性模型(ELASTIC_PLASTIC_HYDRO)，状态方程为点火与增长方程(IGNITION_AND_GROWTH_OF_REACTION_IN_HE)。其参数来自文献[8-10]，如表1～表3所示。

表1 材料的基本参数

表2 材料的本构参数

表3 B炸药参数

2 仿真结果及分析

仿真计算采用升降法调整破片着靶速度，其中速度间隔5 m/s。图2为圆柱形破片以680 m/s和685 m/s的速度撞击带壳B装药的反应度云图，图3为圆柱形破片以685 m/s的速度撞击带壳B装药的压力-时间和反应度-时间曲线。

图2 680 m/s和685 m/s起爆带壳B炸药反应度云图

图3 685 m/s时起爆带壳B炸药压力、反应度曲线

分析图2可知，速度680 m/s时，反应度最大值为0.625 9，未达到1，说明速度在680 m/s时未能起爆带壳B炸药；而从图3中可以看出，在29.99 μs时，C点炸药压力突变到9.8 GPa，且此时刻反应度达到1，在随后几个观测点压力都逐渐变大，最大达到35.5 GPa，且剩余观测点反应度均达到1，这充分说明速度在685 m/s时带壳B炸药被起爆，并且点火点发生在观测点B和C之间。

由上述可知，利用LS-DYNA计算Φ8 mm×8 mm圆柱形破片冲击起爆带壳B炸药的临界速度为685 m/s。

只考虑破片正侵彻(理想情况)的情况下，圆柱形破片正侵彻情况下冲击起爆的比动能公式为

代入本文数据,可得e=34.91 MJ/m2。

3 破片特性对冲击起爆带壳B炸药影响的仿真研究

3.1 破片长径比对冲击起爆阈值速度的影响

圆柱形破片和长方体破片在质量均为7.48 g的条件下，分别对不同长径比λ=L/D(L为破片长度，D为破片横截面边长度或圆直径)进行建模与冲击起爆仿真，其中λ分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0。

两种破片同质量条件下不同长径比冲击起爆的阈值速度结果如图4所示。

图4 两种破片阈值速度与长径比关系

由图4分析可知，在同质量条件下，破片正侵彻时，随着长径比的增加，冲击起爆的阈值速度也不断增加，成抛物线趋势增加；长径比相同时，圆柱形破片的阈值速度始终大于长方体，同时破片由“扁平”形向“长杆”变化，破片截面积减少。这是由于同一长径比的长方体的方形面面积大于圆柱形破片圆面积，这使得同等脉冲强度下传入炸药的能量更多，因此长方体破片的阈值速度小于圆柱形破片。

3.2 破片形状对冲击起爆的影响

为研究不同形状DU合金破片对带壳B炸药的临界起爆速度和比动能，在原仿真的基础上，增加了长方体和正方体两种形态。其中，圆柱形、长方体、正方体破片的质量均为7.48 g，圆柱形破片为Φ8 mm×8 mm、长方体为7.09 mm×7.09 mm×8 mm、正方体为7.38 mm×7.38 mm×7.38 mm。

由图5(a)、图5(b)可知，长方体DU合金破片在速度为610 m/s时，在18.99 μs时，压力最大值为27.32 GPa，同时刻的反应度为1，带壳B炸药被起爆。而图5(c)、图5(d)是正方体DU合金破片在速度为585 m/s时曲线图，在14.99 μs时压力最大值为28.89 GPa，压力峰值分布在波阵面上且从点火点向外扩散，说明炸药中有爆轰波的传播，在同时刻的反应度云图中，出现反应度为1的完全反应区域与此时刻压力云图的波面位置相对应，印证了爆轰波的传播，说明在585 m/s时炸药发生了爆轰。

图5 长方体和正方体破片起爆B炸药压力、反应度曲线

分析表4可知，等质量的3种DU合金破片中圆柱形破片最不易起爆带壳B炸药，依次是长方体、正方体，即质量不变时，正方体破片最易起爆带壳B炸药。这是由于长方体破片的方形面与圆柱形破片的圆面(将圆看成无穷多边形)形状的不同，在同质量同破片截面积条件下，长方体破片的方形面接触碰击时4个直角的作用比圆柱形破片的圆面n个钝角更容易起爆带壳B炸药，而同为方形面的正方体破片和长方体破片，由于正方体破片的截面积大于长方体的，进而使得正方体破片阈值速度小于长方体破片。

表4 3种破片冲击起爆仿真结果

4 结论

1) 尺寸为Φ8 mm×8 mm、质量为7.48 g的圆柱形DU合金破片的阈值速度为685 m/s,比动能为34.91 MJ/m2；

2) 同质量条件下，随着长径比的增加，两种破片冲击带壳B炸药的阈值速度都增加；破片截面积越大，阈值速度越小，反之，截面积越小，阈值速度越大。

3) 同质量条件下，不同结构破片正侵彻撞击带壳B炸药时，同一长径比的圆柱形破片阈值速度始终大于长方体破片。

4) 同质量破片在撞击面积相同条件下，方形面的长方体破片比圆柱形破片阈值速度小，更容易起爆带壳B炸药。