泡沫铝垫片厚度在侵彻过程中缓冲性能研究

姜星辰，程 翔，张锦明

(南京理工大学 机械学院，南京 210094)

战斗部在侵彻混凝土过程中，会受到巨大的冲击作用。作为内部控制核心的引信，在侵彻过程中承受着高达数万G的过载，导致内部元器件无法正常工作，降低内部元器件承受过载是当前国内外学者关注的热点与难点[1-4]。 Alsakarneh A分析了多层缓冲材料防护下的电子系统受冲击载荷的问题，获知与软、硬橡胶以及软木塞材料的防护层比较，环氧类的粘弹性材料防护层的厚度影响电子系统抗冲击性能的作用更大[1]; Chakka V等设计了碳纤维环氧的压层材料作为弹体内电子器件的缓冲层，分析得到碳纤维环氧中纤维所占体分数以及压层材料的厚度是影响其缓冲冲击的因素[2]。在国内，杨哲研究分析了不同孔隙率的泡沫铝垫片对引信结构缓冲作用的影响[3]; 杨阳通过数值仿真发现在侵彻过程中，聚四氟乙烯垫片可以起到一定的缓冲作用，但缓冲效果随垫片厚度的变换并不明显[4]。

以上研究内容均将引信作为一个整体进行研究，未考虑其中的电路板结构承受的过载，本文通过对引信内部结构进行建模，利用Ls-dyna软件对侵彻过程进行仿真，获得引信内部电路板承受的冲击过载。通过调整泡沫铝垫片的厚度，研究电路板过载的变化，垫片的缓冲能力主要体现在使电路板上的过载减小，添加垫片后电路板上过载越小，表示垫片的缓冲性能越好。试验结果对引信防护设计具有工程指导意义。

1 仿真软件

Ls-dyna程序是功能齐全的几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材料非线性(140多种材料动态模型)和接触非线性(50多种)程序。它以Lagrange算法为主，兼有ALE和Euler算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能。

Ls-dyna软件在进行数值模拟时，所采用计算方法为有限元法，通过Ls-dyna对弹体侵彻进行数值模拟时主要可分为以下几步：

1) 对模型进行网格划分后，将时间离散成时间序列：t=0,t1,t2，…，tm,tm+1…。

3) 计算下一步时间步长Δti+1。

4) 弹体与靶体接触的处理。

5) 将节点撞击力作为已知条件，求解出节点位移Ui+1。

7) 返回第3)步，直到计算结束。

2 仿真模型建立

2.1 建立几何模型

本文研究的侵彻模型如图1所示，弹体直径125 mm，长度428 mm；引信壳体直径40 mm，长度60 mm，厚度为2 mm；电路板厚度为2 mm；泡沫铝垫片夹在引信壳与弹体之间；靶体尺寸为1 000 mm×1 000 mm×300 mm。为研究泡沫铝垫片厚度对缓冲性能的影响，建立未添加缓冲垫片的弹引模型与添加垫片的弹引模型两类模型，其中垫片模型中垫片的厚度分别为4 mm，8 mm，12 mm。由于模型都是对称结构，且本文研究对象为正侵彻，冲击具有轴对称特性，因此所有模型取1/4部分进行仿真。

2.2 设定材料参数

材料参数如表1与表2所示，弹体材料为35CrMnSi，引信材料为铝，由于弹体与引信壳本身变形很小可视为刚体，采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC( 塑性随动硬化模型)，用Cowper-Symonds 模型[5]考虑应变率，屈服应力如式(1)：

(1)

表1 材料参数

垫片材料选用泡沫铝，采用*MAT_CRUSHABLE_FOAM模型。泡沫铝是一种拥有良好的物理性能和机械特性的多功能新型复合工程材料。可在冲击过载下发生塑性变形，把冲击能量转换成塑性内能。在单向的压缩载荷下,泡沫铝的应力-应变曲线如图2所示，可以分为3个阶段：孔壁弹性弯曲阶段、孔壁逐渐被压垮的屈服平台阶段和孔壁完全坍塌压实而引起的应力迅速增加的密实化阶段。

表2 混凝土相关参数 cm-g-μs

靶选为素混凝土，采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET模型，其屈服应力如式(2)：

(2)

弹体的初始速度为850 m/s，在弹体以及内部元件的所有节点添加沿弹体轴线的初速度，设置的计算时间是1 200 μs。

3 仿真结果

将hypermesh处理的模型导出成k文件，利用Ansys/Ls-dyna求解器进行求解并利用Ls-PrePost提取模型中电路板上的加速度曲线。仿真结果如图4所示。

图4(a)～(d)中是不同模型中两块电路板的加速度曲线，2号曲线为靠近弹尾的电路板的曲线，可见比靠近弹头的电路板上受到的过载稍大，但整体上两块电路板加速度曲线数值与趋势差距较小，因此取加速度较大的曲线进行结果分析。

为定量分析泡沫铝垫片对于侵彻引信的缓冲防护效果，这里以加速度峰值作为特征值。通过比较添加垫片后引信承受的最大加速度值与未添加垫片引信承受的最大加速度值，来说明泡沫铝的缓冲效果。

由图4(a)中可以看出，电路板在160 μs左右加速度出现峰值，大约为40 000 g，由于结构较为复杂，在之后的侵彻过程中，电路板上的加速度波动很大并且最大值达到几乎为100 000 g。

图4(b)(c)(d)为添加了垫片的模型中电路板的加速度曲线。加速度曲线在180 μs左右出现峰值约为25 000 g，相比无垫片的曲线减小了约40%，之后波动的峰值也由100 000 g减小至约40 000 g，相比减小约60%。同时对比图4(a)曲线，图4(b)(c)(d)中曲线的脉宽也明显变宽。由此可见，垫片起到了缓冲的作用，并且随着垫片加厚，加速度曲线的峰值有些许变小，脉宽逐渐变宽，说明增加厚度可以轻微提升垫片的缓冲性能。但是之后的曲线波动并没有随垫片厚度提升而变小，这是因为在侵彻过程中，垫片自身会发生变形，在3个模型中，垫片厚度在中心处被拉长的最大值分别为0.093 mm、0.099 mm、0.123 mm，而电路板在震荡部分最大的冲击约为35 000 g、60 000 g、42 000 g。可见垫片本身的变形会对电路板上的冲击产生较大的影响。

4 结论

通过对引信内部结构进行细致建模，建立了采用泡沫铝垫片的弹引连接模型，利用Ls-dyna数值仿真软件对侵彻过程进行仿真，研究泡沫铝垫片厚度对引信缓冲防护的影响，得到以下结论:

添加垫片可以减小侵彻过程中弹体内部元器件受到的冲击，起缓冲作用，增加垫片厚度可以提升缓冲性能但影响很小。

垫片本身的变形会对侵彻过程中弹体内部元器件受到的冲击产生影响，该影响较复杂且无法忽视。垫片能起到的缓冲作用有限，为了确实保证弹体内部元器件的正常工作，需要再采取其他措施。