1.数值计算方法

活性侵彻弹贯穿防护装甲进入密闭空间后，活性芯体发生爆燃反应，产生内爆超压效应，可实现对密闭空间目标的高效毁伤。分析基于Ansys/AUTODYN软件平台，计算模型主要由活性侵彻弹丸和测压容器两部分组成。忽略弹带和风帽，活性侵彻弹丸由壳体、活性芯体及侵彻增强体组成。通过改变弹靶作用条件相关参量，可系统分析不同因素对活性侵彻弹丸内爆增强毁伤效应影响，为活性侵彻弹丸设计提供参考。其计算模型如图3.12所示。

图3.12　活性侵彻弹内爆超压效应计算模型

活性侵彻弹丸长度100 mm、直径35 mm；活性材料芯体长度75 mm、直径21 mm。模拟压力传感器直径20 mm、高6.5 mm；圆柱体压力测试容器内外径分别为260 mm、340 mm，长500 mm，容器前端固定10 mm厚2024T3铝靶。

计算采用流固耦合算法，建立空气域，网格尺寸1 mm，欧拉域设置流出边界，测压容器底部设置固定约束。由于正侵彻条件下弹靶满足几何对称，为减少计算量，采用1/2模型，模拟压力传感器处设置3个观测点，从左至右依次记为S1、S2、S3，以记录并分析侵彻过程中密闭容器内压力变化。

另外，活性材料作为一种特殊的含能材料，既具有类金属材料的机械力学性能，又有类似含能材料的爆炸性能，在强动载作用下材料自身被激活反应，释放大量化学能。数值计算中，考虑到活性材料的双重特性，对于未激活活性材料，采用Shock状态方程，用于描述活性材料的冲击压缩力学行为；对于已激活活性材料，采用Powder Burn状态方程，描述材料爆燃反应行为。分析中，改变活性侵彻弹速度和靶板厚度，具体计算工况列于表3.4。

表3.4　数值模拟计算工况

续表

2.冲击速度影响

不同冲击速度下，活性侵彻弹丸内爆超压场如图3.13所示。3个典型时刻分别体现冲击波传播至容器内同一位置时的压力云图。从图3.13中可以看出，冲击速度对活性弹丸的内爆毁伤过程有显著影响。弹靶碰撞瞬间，在碰撞界面处产生高压冲击波，分别传入靶板和弹丸内部。弹丸贯穿靶板后，活性芯体在强动态载荷冲击压缩下，发生爆燃反应。对弹体而言，随冲击速度增加，传入弹丸的冲击波峰值不断升高，更多活性芯体被激活，进一步导致弹丸壳体的径向膨胀效应增加。当冲击速度达到1 200 m/s时，弹丸壳体完全破碎。从侵爆附带产物的分布上可以看出，弹丸内部侵彻增强体、部分壳体碎片以及靶板碎片/塞块共同形成了前驱运动体，其后依次紧随着爆燃产物和剩余弹丸。实际上，剩余弹丸会在高温高压环境中发生缓慢燃烧，由于其对观测点处压力不会产生显著贡献，因此在数值模拟过程中忽略了剩余弹丸的燃烧效应。

对冲击波而言，在爆燃反应初期，冲击波以半球面波的形式向前传播。随着冲击速度增加，波阵面到达容器内同一位置处的时间不断减少，当冲击速度为600 m/s时，冲击波阵面到达S2传感器处所需时间为1 000 m/s时的1.97倍。当冲击波传播至容器壁面时，其中一小部分向外透射至空气中，剩余部分向内反射，与尚未发生反射的冲击波发生叠加。在容器中部，冲击波更趋于以平面波的形式向容器内部传播，最终在容器最右侧壁面处发生反射。另外还可看出，冲击速度较高时，轴线附近的冲击波比较远离轴线处的冲击波传播速度更快，主要原因在于弹丸本身沿轴线方向上的冲击运动速度。(www.daowen.com)

图3.13　冲击速度对活性侵彻弹丸内爆超压场影响

不同冲击速度下，3个压力观测点处的压力时程曲线如图3.14所示。从图中可以看出，3个观测点处的压力峰值随着冲击速度的增加不断增加。冲击速度为1 200 m/s时，S1观测点处的超压峰值可达到3.72 MPa。主要原因在于，随冲击速度增加，传入弹丸内的压力不断升高，导致更多活性材料被激活。可以预测，随冲击速度进一步提高，芯体将被完全激活，各观测点处的压力达到某一稳定值。另外，从超压持续时间来看，随冲击速度增加，无论是超压信号的到达时间，还是超压信号的持续时间，均不断减少。

3.靶板厚度影响

图3.14　冲击速度对内爆超压时程曲线影响

不同靶板厚度条件下，活性侵彻弹丸内爆超压场如图3.15所示，3个典型时刻分别体现冲击波传播至容器内同一位置时的压力云图。从图3.15中可以看出，弹丸壳体在径向压力作用下膨胀，随靶板厚度增加，径向膨胀更剧烈。当靶板厚度大于25 mm时，壳体完全碎裂。在容器内同样形成了依次为前驱运动体（侵彻增强块、部分壳体碎片及靶板塞块）、爆燃产物及剩余弹丸的分布。对爆燃冲击波而言，靶板厚度增加，阻碍了冲击波沿轴线方向的传播，使轴线处的波阵面相较于两侧更加滞后，见图3.15。

不同靶板厚度条件下，3个压力观测点处的压力时程曲线如图3.16所示。从图3.16中可以看出，在S1传感器处，峰值压力随靶板厚度的增加而不断增加。特别地，当靶板厚度达到25 mm时，峰值压力可达到1.70 MPa。主要原因在于，随着靶板厚度的增加，靶板反射稀疏波对弹丸内部冲击波的卸载效应减弱，这使得弹丸内部达到临界反应阈值的活性材料增加，爆燃反应程度不断增加。实际上，随着靶板厚度的进一步增加，活性材料的激活长度将达到极限。此时，弹丸侵彻靶板的时间将会增加，活性材料爆燃反应释放出的能量将有一部分损耗在侵彻通道内，使得容器内传感器处的压力峰值下降。因此，活性弹丸在内爆毁伤过程中往往存在一个最佳靶板厚度，使得靶后超压达到最大。

图3.15　靶板厚度对活性侵彻弹丸内爆超压场影响

图3.16　靶板厚度对内爆超压时程曲线影响

图3.16　靶板厚度对内爆超压时程曲线影响（续）

另外还可看出，靶板厚度为20 mm和25 mm时，S2处的压力峰值高于S1处，与其他三种靶厚下的规律显著不同。造成这种现象最可能的原因是，当靶板厚度为20 mm和25 mm时，冲击波恰好在S2观测点附近发生反射而叠加，如图3.16（c）、（d）所示，大幅提升了S2观测点附近的超压峰值。