动能毁伤弹丸撞击多层靶板的区域性毁伤特性研究

白玉帅,岳 帅,林 轻,史文辉,杜忠华

(1.南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094;2.上海宇航系统工程研究所,上海 201109)

随着航天活动的日益频繁,航天器可能受到多枚毁伤元的同时撞击,需要研究填装多枚毁伤元的弹丸对航天器内部结构造成毁伤的特性,为航天器损伤评估和防护结构设计提供参考。

文献[1-2]对航天器防护结构在单个弹丸高速撞击下的损伤与防护特性进行了研究。段敏[3]进行多枚弹丸同时撞击铝板的实验和仿真,研究弹丸个数和弹丸质量对防护结构损伤特性的影响。韩潇风[4]对包裹多弹丸撞击Whipple防护结构的损伤进行研究,分析不同撞击条件下包裹弹丸的破碎特性与毁伤特性。不同毁伤元形状会表现出不同的毁伤特点,IQBAL等[5]研究了薄钢板在受到不同形状弹丸以中等速度撞击时的瞬态和冲击后三维全场响应,并进行了有限元(FEM)模拟,以关联瞬态数据和碰撞后参数。周楠等[6]分析了不同形状破片侵彻靶板的毁伤机理和破坏模式,讨论了破片形状对复合靶抗侵彻性能的影响。陈亚红等[7]对爆炸抛撒毁伤元的速度分布规律进行研究,揭示出不同粒径、形状和材料的毁伤元会产生不同的速度分布。但上述研究并没有研究多枚毁伤元对航天器内部结构的区域性毁伤特性,也未探讨多枚不同形状毁伤元的毁伤特点。

本文提出了区域性毁伤内部结构的毁伤方案,通过动能毁伤弹丸撞击多层靶板的试验与仿真研究其毁伤特性,并评估毁伤方案的可行性。在验证有限元仿真模型的准确性后,研究多枚不同形状毁伤元的毁伤特点,比较球形、圆柱形和立方体的毁伤效果。

1 地面毁伤试验

1.1 毁伤原理

动能毁伤弹丸毁伤原理如图1所示。航天器的外形多为铝蜂窝夹层结构[8],卫星内部的有效载荷多为具有铝合金封装盒的电子产品[9]。为实现对星体的功能性损毁,弹丸需穿透星体表面和封装盒后形成毁伤元散布,并对内部的电子元器件形成区域性毁伤。但弹丸和毁伤元不能贯穿封装盒,避免产生空间碎片并对搭载平台造成危害。

图1 动能毁伤弹丸毁伤原理图

动能毁伤弹丸经火工品发射器发射,弹丸出膛后以一定速度撞击并穿透卫星表面的第一层蜂窝铝板,当撞击强度大于蜂窝铝板的铝合金封装盒时,由于尼龙弹壳和内部毁伤元的材质结构不同,以及弹目特性、相对速度等多项影响因素,弹丸在穿透封装盒时弹壳破碎,内部的毁伤元与弹壳发生散布。撞击时弹丸被轴向压缩,部分轴向压缩势能转化为径向膨胀势能,毁伤元发生横向、纵向散布,对内部的各种电子元器件造成区域性毁伤。

1.2 试验布置

为验证动能毁伤弹丸毁伤方案的可行性,开展了地面毁伤效应评估试验。试验装置布设如图2所示。

图2 试验装置布设示意图

试验弹丸外壳由尼龙弹壳、铝合金弹底组成,内部填充48颗直径4 mm、重0.263 g的钢珠毁伤元,弹丸质量为21 g,直径为16.6 mm,出膛速度为325 m/s,并通过金属弹底增强毁伤元的散布。

航天器的外壁多是由铝蒙皮和铝蜂窝芯构成的蜂窝铝板(最高至50 mm),将航天器外壁等效为靶板A。为防止空间辐射,航天器中的各种仪器设备外壳多选用铝合金,封装盒等效为靶板B。要求弹丸不能贯穿封装盒产生空间碎片,封装盒的另一侧等效为靶板F。为研究弹丸对封装盒内电子元器件的毁伤效果,将各类电子元器件等效为3层电路板靶板C、D、E。考虑目标本体结构和单机布局,将航天器防护结构等效为6层靶板。

试验的6层靶板,从前到后排序为A～F,分别为:一层铝蜂窝夹层板(厚度为20 mm,蒙皮厚度为0.5 mm,材料为2A12)模拟星体表面;一层铝板(厚度为2 mm,材料为2A12)模拟封装盒;3层印制电路板(厚度为1.6 mm,材料为FR-4板材)模拟各类电子元器件,并在电路板上分别连接指示灯,以此判断目标功能是否丧失;一层2 mm厚的铝合金靶板用以观测弹丸是否滞留在封装盒内。试验时炮口处设置锡箔靶测速装置,并采用高速摄像进行拍摄。

1.3 试验结果

如图3所示,弹丸以325 m/s初速撞击试验靶板。由图可见,弹丸在穿透靶板A和靶板B后尼龙弹壳被破坏,毁伤元发生散布,然后对3层电路板造成区域性毁伤,电路板连接的指示灯熄灭,表明动能毁伤弹丸对电子元器件造成了功能性损毁。最后毁伤元和靶板碎片形成的破片群被靶板F完全挡住。

图3 试验靶板状态

试验结果表明,动能毁伤弹丸可以在穿透航天器外壳后对内部结构造成区域性毁伤,且不产生额外空间碎片,符合设计要求,毁伤方案可行性较高。但试验只能观察到毁伤效果,而不能分析具体的毁伤作用过程,为此需进行有限元动力学仿真,进一步分析其毁伤特性。

2 有限元动力学仿真

2.1 仿真模型的建立

弹丸毁伤的有限元动力学仿真模型如图4所示,采用ABAQUS/Explict模块进行动力学仿真[10]。

图4 弹丸毁伤仿真模型示意图

弹丸的弹壳、弹底为实体部件,单元类型为C3D8R。由于毁伤元材料的强度和硬度大于靶板材料,且在试验中未发现变形断裂的毁伤元,为简化仿真模型将毁伤元设置为刚体部件,单元类型为R3D4,填充至弹丸内。靶板布置与试验条件相同,靶板面积均为150 mm×150 mm。为使模拟结果更精确,在中心区域加密网格。蜂窝夹芯采用壳单元,单元类型为S4R[11-12],蜂窝铝板的上下面板和其余靶板均为实体部件,单元类型为C3D8R。赋予弹丸325m/s的初始速度,靶板边界均采用固定边界约束,各个部件间的相互作用采用通用接触。

为解决数值计算的网格依赖性问题,对粗网格和细网格分别进行计算,计算结果的差值可忽略,网格划分较为准确,模型可用于后续的分析研究。

2.2 材料模型和参数

模型共涉及2A12铝合金、尼龙和印制电路板3种材料。其中2A12和尼龙的基本材料力学参数见表1,表中,ρ为密度,E为弹性模量,μ为泊松比。

表1 2A12和尼龙的基本力学参数

材料的断裂失效通过单元删除来实现,即在输出设置status,则失效单元会被隐藏。2A12铝合金的材料模型采用Johnson-Cook本构模型和破坏准则,数据参照文献[13],如表2所示,表中,A为动态屈服强度;B,n分别为应变率硬化系数和应变率硬化指数;C为应变率敏感系数;m为温升软化指数;D1～D5为材料常数。

表2 2A12铝合金Johnson-Cook参数[13]

尼龙材料参照文献[14],在塑性阶段采用应力应变数据,该阶段主要发生剪切失效,失效模型采用ductile damage和shear damage,将2种损伤本构相结合。当尼龙单元的主应变大于0.65时,该单元将会自动删除。

印制电路板主要由玻璃纤维增强材料组成,为各向异性复合材料,在厚度方向共铺设4个单向层,每层厚度为0.2 mm,铺层为[45/0/-45/90]。为准确模拟层合板结构在载荷作用下的力学响应和损伤过程,采用三维Hashin准则作为纤维的失效准则,共有4种失效模式[15]:

①纤维拉伸失效(σ11≥0)。

(1)

②纤维压缩失效(σ11<0)。

(2)

③基体拉伸失效(σ22+σ33≥0)。

(3)

④基体压缩失效(σ22+σ33<0)。

(4)

式中:σij,τij为单元在各个方向上的应力分量;XT,XC为单层板纤维方向的拉伸强度和压缩强度,YT,YC为垂直于纤维方向的拉伸强度和压缩强度;Sij为单层板对应方向上的剪切强度。

当单元应力状态满足上述某一式时,单元发生相应的破坏模式。由于ABAQUS并未提供三维实体单元的Hashin准则,需要通过Fortran语言编写VUMAT子程序植入到仿真计算中[16]。印制电路板的弹性参数和强度参数具体参照文献[17],如表3所示,表中,ρ为密度,E1,E2,E3为3个方向的弹性模量,γ12,γ13,γ23为3个方向的面内泊松比,G12,G13,G23为3个方向的面内剪切模量。

表3 电路板弹性属性和强度参数[17]

2.3 仿真结果分析

模型总动能随时间变化曲线如图5所示,选取4个时刻的应力云图展示动能毁伤弹丸毁伤靶板的过程。

图5 弹丸毁伤靶板过程图

弹丸穿过铝蜂窝夹层板(靶板A)时弹壳没有破坏,仅受内部毁伤元挤压发生小变形。在撞击强度更高的铝板(靶板B)时弹壳破碎,内部毁伤元发生横向、纵向散布,动能损失最大。随后毁伤元先于弹底对电路板进行区域性毁伤,在3层电路板前分别残留0,4,9枚毁伤元,并与靶板碎片形成大范围的破片群。在穿透3层电路板后,弹底和部分毁伤元撞击最后一层铝板,但并未穿透,毁伤元和靶板碎片形成的破片群留存在第一层和最后一层靶板间,与试验结果相同。

2.4 试验与模型的结果对比

为了验证仿真模型的准确性,对仿真和试验结果进行定性分析,各个靶板的仿真和试验结果对比如图6所示,图中,靶板序号从左至右依次为A～F,仿真与试验的靶板毁伤图上下对应。为更直观地验证仿真模型与试验的一致性,对仿真与试验的毁伤范围数据进行定量分析,如表4所示。

表4 试验与仿真的毁伤范围对比

图6 靶板毁伤的仿真与试验结果对比

穿透靶板A时蜂窝的六边形胞孔结构影响了开孔形状,蒙皮向内弯折,边界光滑。撞击靶板B时弹壳破碎,钢珠起主要侵彻作用,所以开孔成不规则圆形,边界呈现钢珠侵彻痕迹,开孔直径为22.13 mm,略大于靶板A的18.54 mm。同时试验靶板B开孔周围光滑无零散钢珠撞击痕迹,说明之前弹壳并未破坏,与仿真现象一致。毁伤靶板C,D,E的过程表现出较强的随机性,但毁伤范围仍然具有参考价值。毁伤范围由49.55 mm依次增大至73.65 mm,毁伤中心周围出现的单点毁伤也依次增多。靶板F以弹底撞击点为中心周围散布钢珠和靶板二次破片的撞击痕迹,无贯穿损伤。数值模拟结果与试验验证结果符合度较好。

综上,对毁伤过程的定性分析表明,试验与仿真的毁伤特性相同;通过对靶板的毁伤范围的定量分析发现其偏差在10%以内。所以仿真模型与试验具有一致性,可以利用仿真模型进一步研究毁伤元形状对动能毁伤弹丸毁伤性能的影响。

3 毁伤元形状对毁伤性能的影响

为研究毁伤元形状对动能毁伤弹丸毁伤效果的影响,选用3种典型的毁伤元,即球形、圆柱形和立方体进行仿真计算。弹丸内部填充的3种毁伤元数量均为48枚、质量均为0.263 g,如图7所示。弹丸初速均为325 m/s,侵彻位置均为靶板中心,以控制对照变量的单一性。

图7 填装不同毁伤元的弹丸示意图

3.1 不同形状毁伤元的散布特性

为研究动能毁伤弹丸穿透航天器外壁后的毁伤元散布特性,需要分析弹丸穿透靶板B后,即弹壳破碎后的毁伤元动能变化和横、纵向散布趋势。如图8～图10所示,分别为球形、圆柱形和立方体毁伤元在接触到靶板C前的OXY和OXZ平面散布,坐标定义如图4所示,不同颜色深度代表不同速度大小。为更方便观察不同排列位置毁伤元的动能,图11给出了各个毁伤元的动能曲线。

图8 球形毁伤元的XY和XZ平面散布

图9 圆柱形毁伤元的XY和XZ平面散布

图10 立方体毁伤元的XY和XZ平面散布

图11 不同形状的各枚毁伤元速度

弹丸撞击靶板B时内部毁伤元受到轴向压缩力,前端位置毁伤元被弹底和后端毁伤元挤压推动,前端动能大于后端,形成动能差,发生纵向散布。同时弹体穿透靶板后弹壳破碎失去约束力,轴向压缩力部分转化为径向膨胀力,在径向膨胀势能的作用下内部毁伤元发生横向散布。

不同形状毁伤元呈现不同横、纵向散布和动能分布特性。由于形状原因球形毁伤元排列松散,受轴向压缩最大,转化为径向膨胀势能最多。球形毁伤元释放后的空间排布呈横向分布,横向扩散直径大于其他形状毁伤元,且速度分布最均匀,为248.7～126.6 m/s。圆柱形和立方体毁伤元纵向排列紧密,速度大小呈明显阶梯状分布,为251.8～52.8 m/s,285.7～80.6 m/s,且纵向散布增大。由于圆柱形横向排列比立方体松散,圆柱形毁伤元前部横向散布大于立方体,而立方体具有速度大于250 m/s的有11枚,占比最多。

所以毁伤元形状会影响其在弹丸内部的排列紧密度,进而影响弹壳破碎后毁伤元散布特性。主要原因是,在撞击靶板时,内部毁伤元会呈现不同的接触碰撞形式:球形可发生较大的横向和纵向挤压,受力为点接触;圆柱形纵向排列紧密,只能发生较大的横向挤压,横向受力为点接触,纵向受力为面接触;立方体纵向、横向排列均较为紧密,受力为面接触。所以毁伤元的几何形状会导致不同的横向、纵向散布和动能分布。

3.2 不同形状毁伤元的毁伤过程

不同形状毁伤元在毁伤过程中的平均速度随弹丸Z向位移的变化曲线如图12所示。为更直观地进行比较,表5给出了不同形状毁伤元毁伤各个靶板后的动能损失值。各个毁伤元在毁伤过程中的速度分布会发生变化,各个毁伤元间的速度标准差随Z向位移的变化曲线如图13所示。

表5 毁伤元毁伤靶板后的动能损失值

图12 毁伤元平均速度随位移的变化曲线

图13 毁伤元速度标准差随位移的变化曲线

球形毁伤元穿透靶板B后动能损失最大为288 J,而毁伤3层电路板的动能损失最少为167 J,同时速度标准差一直保持在较低水平,各个毁伤元速度分布最均匀。圆柱形和立方体毁伤元的速度标准差曲线相似,说明在毁伤内部结构时两者毁伤元具有相似的速度分布。立方体毁伤元穿透外壳损失动能最少为232 J,但在毁伤电路板时动能下降最多为226 J。

为更进一步研究动能毁伤弹丸的毁伤特征,对重要毁伤节点进行分析。表6为毁伤元穿透各个靶板后残余的毁伤元的数量、排列编号统计,其中毁伤元从弹头到弹底依次编号。

表6 毁伤元穿透靶板后的残余个数和排列编号

在毁伤每层电路板后均会有残余毁伤元,随着层数增大,残余毁伤元增多。立方体毁伤元残余较少是由于在毁伤靶板C前动能损失最少。虽然毁伤元残留的数量相差不大,但其在弹丸内的排列位置表现不同。球形残留的毁伤元主要集中在弹头位置(3～15)。而立方体和圆柱形每层残余数量和编号具有一致性,2种形状的毁伤发生散布后速度梯度分布明显,所以弹尾位置的毁伤元(44～48)先丧失毁伤能力,然后中部位置(16～34)的毁伤元出现大量滞留,这说明2种形状的毁伤元虽然穿透靶板B后横向散布较小,但在毁伤靶板C、D时动能损失增大,保持毁伤元集中毁伤后续靶板的难度增大。

4 结论

本文提出了一种包裹多枚毁伤元的动能毁伤弹丸构型,可对航天器内部造成区域性毁伤,通过试验验证了毁伤方案的可行性。建立了弹丸毁伤的仿真模型以研究毁伤特性,并与试验进行对比,验证了模型的准确性。最后利用仿真探究了不同毁伤元形状的毁伤特点,得到了如下结论:

①动能毁伤弹丸穿透靶板B时动能损失最大,弹壳破碎后毁伤元向航天器内部造成横向、纵向散布,每层电路板的毁伤范围依次增大,当弹丸出膛速度为325 m/s时,靶板F不会被穿透,不会产生额外的空间碎片。

②不同形状毁伤元会产生不同横、纵散布和动能分布特性,球形毁伤元散布后动能分布均匀,横向扩散直径最大。圆柱形和立方体毁伤元纵向散布大,动能呈明显阶梯状分布。立方体毁伤元纵向散布最大。

③球形毁伤元穿透靶板B后速度损失最大,保持毁伤元集中毁伤的效果最好,对内部电路板的毁伤效果最好。而立方体毁伤元恰好相反,穿透靶板B后损失动能最少,适合穿透卫星外壳,但毁伤电路板的效果较差。在实际应用中如果对内部毁伤效果有要求,可使用球形毁伤元;如果目标外壁较厚则可使用圆柱形或立方体毁伤元。