1.数值计算方法

活性侵彻弹丸高速碰撞引燃油箱作用机理复杂，涉及高速侵彻、流固耦合作用、活性材料反应释能、燃油雾化、引燃等多个过程，是复杂的力-化-热耦合问题。数值模拟为以上复杂问题分析及机理揭示，提供了有效手段。

活性侵彻弹丸作用油箱计算模型如图3.24所示。计算模型主要由活性侵彻弹丸、防护装甲靶板和油箱组成。活性侵彻弹丸长100 mm、直径35 mm；活性材料芯体长75 mm、直径21 mm。防护装甲靶板厚10 mm，模拟油箱尺寸为200 mm×150 mm×250 mm，壁厚2 mm，液面高160 mm。弹丸、靶板、油箱均采用拉格朗日算法，网格大小0.5 mm，具体计算工况列于表3.8。

图3.24　活性侵彻弹丸作用油箱计算模型

表3.8　数值模拟计算工况

2.冲击速度影响

冲击速度为1 000 m/s时，典型时刻油箱内空穴形成过程及速度分布如图3.25所示。弹丸进入燃油初始阶段，由于受拖曳阻力作用产生轴向和径向速度，燃油液体以弹丸侵彻轨迹线为中心径向流动并形成空腔。流体扩张形成空腔的同时，液体内部形成了一定压力场，即流体动压效应。活性材料在空穴内爆燃产生超压，进一步增强燃油内压力强度。当流体运动扩展至相应的油箱壁面时，便会在壁面上产生冲击压力，从而造成油箱结构损伤破坏。

图3.25　油箱内空穴形成过程及速度分布

不同冲击速度下，油箱后壁面压力及冲量时程曲线如图3.26所示。从图3.26中可以看出，活性侵彻弹丸作用油箱过程中，燃油内部压力出现三次典型压力峰值。首先，弹丸碰撞油箱壁形成初始冲击波并传入燃油内，典型燃油单元监测到由初始冲击波引起的第一道峰值，燃油压力陡然上升至峰值并迅速衰减。随后，活性侵彻弹丸贯穿油箱壁面，侵彻燃油，在弹丸拖曳作用下，燃油内部形成第二道压力峰值。最后，活性材料在油箱内发生剧烈爆燃反应，爆燃超压作用于燃油，在燃油内部形成第三道压力峰值。

图3.26　典型单元压力及冲量时程曲线

图3.26　典型单元压力及冲量时程曲线（续）

冲击速度为1 200 m/s时，燃油内不同时刻压力分布如图3.27所示。从图3.27中可以看出，弹丸碰撞油箱后，在燃油内部形成高强度初始冲击波，初始冲击波以入射点为中心呈半球状向燃油内传播，冲击波强度在传播过程中不断衰减。随着弹丸持续侵彻燃油，压缩弹丸前部燃油，形成拖曳压力。因此，与惰性弹丸作用油箱相比，活性侵彻弹丸作用时，燃油内高压区角度更广、面积更大，以160 μs时燃油压力云图特征差异尤为显著。

图3.27　弹丸侵彻作用下液体压力分布

油箱前后板位移随弹丸冲击速度的变化如图3.28所示，箱体结构变化如图3.29所示。与惰性弹丸碰撞油箱速度影响规律一致，随着活性侵彻弹丸冲击速度增加，前后壁面位移变形增加。与惰性弹丸相比，活性弹丸速度变化对油箱前后壁面隆起变形影响程度更高。这是由于随着活性侵彻弹丸冲击速度提高，不仅提高了弹丸传递给油箱系统的动能，也在一定程度上提高了活性材料激活程度，增加爆燃压力，油箱结构所受载荷增加，从而变形增加。

图3.28　油箱前后板位移随弹丸冲击速度的变化(www.daowen.com)

3.防护装甲厚度影响

不同防护装甲厚度条件下，活性弹丸侵彻过程速度变化如图3.30所示。从图3.30中可以看出，随着防护装甲厚度增加，活性弹丸侵彻过程中速度衰减增加，弹丸剩余速度减小。活性侵彻弹丸入射油箱时，在碰撞及流体拖曳作用下弹丸速度衰减，将部分动能转化传递为冲击波能及流体动能，使得油箱结构所受载荷增加。因此，随着装甲厚度增加，弹丸与流体的相互作用将减弱。

图3.29　箱体结构变化

图3.30　防护装甲厚度对弹丸速度影响

防护装甲厚度不同时，油箱后壁面压力及冲量时程曲线如图3.31（a）、（b）所示。弹丸侵彻油箱壁面及燃油，形成随时间变化的复杂压力波，压力波传播至油箱各壁面时，发生反射透射叠加作用，在燃油内部形成复杂压力场。被激活的活性材料在空穴内反应，形成爆燃超压，进一步提高了燃油内部压力场强度。可以看出，活性材料爆燃作用形成的液体压力峰值与动能作用形成的液体压力峰值基本处于同一量级，因此活性材料爆燃对燃油内压力贡献显著。

另外，初始冲击波强度及弹丸与流体相互作用导致的拖曳冲击波强度，随防护装甲厚度增加而降低。主要原因在于，随着装甲厚度增加，弹丸剩余速度降低，碰撞油箱壁面形成的初始冲击波强度降低。与之不同的是，燃油内第三道压力波峰值随着防护装甲厚度增加而增强，装甲厚度超过15 mm时，活性材料爆燃形成冲击波峰值基本相同。这是因为燃油内第三道压力波峰值主要由活性材料激活长度决定。随着防护装甲厚度增加，活性弹丸碰撞过程中激活长度增加，当装甲厚度超过15 mm时，活性材料激活长度相同，不再增加。

燃油内冲击波作用于油箱壁面，引起油箱壁面变形，甚至解体。油箱壁面变形不仅受压力峰值影响还受压力作用时间影响，典型燃油单元冲量如图3.31（b）所示。从图3.31（b）中可以看出，在初始冲击波及拖曳压力作用下液压冲量迅速增加，随后活性材料在油箱内发生剧烈爆燃反应进一步增加了燃油所受冲量。

图3.31　防护装甲厚度对油箱后壁面压力及冲量影响

防护装甲对油箱前后壁位移影响如图3.32所示。在燃油流体动压作用下，油箱前后壁面向外隆起变形。随着装甲厚度增加，油箱前后壁面变形减小，装甲厚度从5 mm增加至25 mm，300 μs时油箱前壁面隆起高度从38 mm减小至31 mm，后壁面隆起高度从60 mm减小到17 mm。

图3.32　防护装甲对油箱前后壁位移影响

活性侵彻弹丸作用不同厚度防护装甲时，油箱毁伤如图3.33所示。从图3.33中可以看出，随着防护装甲厚度增加，油箱毁伤程度减弱，毁伤模式从碎裂解体到隆起大变形，油箱整体变形程度也随着防护装甲厚度增加而减弱。

图3.33　箱体壁厚对油箱后铝板毁伤影响

图3.33　箱体壁厚对油箱后铝板毁伤影响（续）