应力波理论在弹药技术中的应用

应力波理论在弹药技术中的应用应力和应变扰动的传播形式在可变形固体介质中机械扰动表现为质点速度的变化和相应的应力、应变状态的变化，应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。通常将扰动区域与未扰动区域的界面称为波阵面，波阵面的传播速度称为波速。地震波、固体中的声波和超声波等都是常见的应力波。应力波的研究同地震、爆炸和高速碰撞等动载荷条件下的各种实际问题密切相关。在运动参量不随时间变化的静载荷条件下，可以忽略介质微元体的惯性力，但在运动参量随时间发生显著变化的动载荷条件下，介质中各个微元体处于随时间变化着的动态过程中，特别是在爆炸或高速碰撞条件下，载荷可在极短历时（毫秒、微秒甚至纳秒量级）内达到很高数值，因此常需计及介质微元体的惯性力，由此导致对应力波传播的研究。对于一切具有惯性的可变形介质，当在应力波传过物体所需的时间内外载荷发生显著变化的情况下，介质的运动过程就总是一个应力波传播、反射和相互作用的过程，这个过程的特点主要取决于材料的特性。应力波研究主要集中在介质的非定常运动、动载荷对介质产生的局部效应和早期效应以及载荷同介质的相互影响(冲击载荷下材料的力学性能)，研究时需要考虑材料在高应变率下的动态力学性能和静态力学性能的差别。问题的复杂性在于，应力波分析是以已知材料动态力学性能为前提的，而材料动态力学性能的实验研究又往往依赖于应力波的分析。对于本构关系不依赖于应变率的所谓速率无关材料，如弹性体、弹塑性体等，相应地有弹性波、弹塑性波等；对于本构关系依赖于应变率的所谓速率相关材料，如粘弹性体、粘弹塑性体等，相应地有粘弹性波、粘弹塑性波等。应力波按波阵面几何形状分为平面波、柱面波、球面波等；按质点速度扰动与波传播方向的关系分为纵波和横波；按介质受力状态分为拉伸波、压缩波、扭转波、弯曲波、拉扭复合波等；按控制方程组是否为线性分为线性波和非线性波。按介质连续性要求,质点位移u在波阵面上必定连续，但其导数则可能间断，数学上称为奇异面。若u的一阶导数间断,即质点速度和应变在波阵面上有突跃变化，则称为一阶奇异面或强间断，这类应力波称为激波或冲击波（见固体中的激波）。若u及其一阶导数都连续，但其二阶导数（如加速度）间断，则称为二阶奇异面,这类应力波称为加速度波。依次类推,还可以有更高阶的奇异面，统称弱间断，都是连续波。奇异面理论在应力波研究中具有重要意义。

应力波理论最早由弹性波发展而来，后由于在高速撞击、地震、爆炸和武器效应以及冲击载荷下材料和结构的反应等方面的需要，研究不断深入。近三十年来,应力波研究得到迅速发展,已在地震，工程爆破、爆炸加工和爆炸合成，机械设备的冲击强度，工程结构和建筑的动态响应，微流星体和雨雪冰沙对飞行器的高速撞击以及地球、月球的陨石坑和地质结构中“冲击变性”的研究，材料在高应变率下动态力学性能和本构关系的研究,断裂动力学的研究,高能量密度粒子束(电子束、X射线、激光等)对材料的作用（见粒子束爆炸）的研究等广阔的领域中有着重要的应用。另外可利用应力波的传播、反射和折射研究地球内部结构，查明地层分布和勘探石油；用超声波进行无损探伤；用高速撞击研究材料的动力学行为；基于应力波理论进行强夯法机理分析；其他如爆炸焊接、粉末冶金中的爆炸压实、爆炸成型、爆炸合成、爆炸切割以及卫星与空间站的防护结构等都有应力波理论的应用。在军事领域，应力波理论主要应用在弹道撞击、成型装药、破甲弹、易碎穿甲弹和新型毁伤元等方面的研究。下面就一些应力波理论在弹药方面的应用做一些简单的介绍。1.易碎穿甲弹易碎弹作为一种新原理、新概念和新材料弹药，尤其在小口径上，是目前国际上研究的热点。易碎弹的作用原理：当易碎弹丸攻击目标时，易碎材料钨合金弹芯侵彻到物体内部，在其内逐渐解体为破片群，产生一种“瀑布”效应，从而创造出更好的靶后毁伤效果。“瀑布”效应扩展为毁伤破片云，呈一个延展的圆锥状，圆锥的最终直径远远大于其初始穿入点的直径。这种穿甲弹穿过首层装甲后，实现的是面毁伤，形成了良好的穿甲及靶后效应。从力学角度看，弹丸在侵彻时主要承受很高的压力，这时弹丸完整性对保持好的侵彻特性有利，弹丸穿过靶板之后，应力释放产生拉应力，拉应力的产生促使弹丸破碎。这里利用了应力波的反射断裂，即由应力波反射所造成的断裂现象。当由压缩加载波和随后的卸载波所组成的压力脉冲入射到介质自由表面时，压缩波部分首先卸载反射为拉伸波，它与入射压力脉冲中的卸载波部分相互作用后，将在邻近自由表面处造成拉应力，一旦满足动态断裂准则即导致断裂，这种断裂称为层裂。裂片从背面飞出。同时，由于形成了新的自由表面，又会使继续入射的压力脉冲在新表面反射而造成第二层层裂。依次类推有可能造成多层层裂。类似地，由两自由表面反射的拉应力波在物体心部或角部等处相遇而相互作用后，可导致心裂和角裂等。一般来讲，材料本身或材料间的联结往往可承受强压缩而经不起拉伸，因而反射断裂是动态破坏的一种重要形式。由于该弹的弹芯材料独特，它不仅可以像常规穿甲弹那样穿透飞机和直升机的装甲，而且弹芯在与目标撞击过程中碎裂，产生巨大的破片效应，在目标内部产生二次杀伤效果。因此易碎穿甲弹（FAPDS）是一种重要的拥有穿甲弹和榴弹特点的新型防空弹药。特别适宜于对付间隔结构的目标，当弹丸与多层间隔目标作用时，每穿透一层目标，都要碎成许多碎块，在穿甲过程中，不断穿甲，不断破碎，直到新生碎块具有的动能不足以穿透间隔靶的下一层装甲，图1和图2分别是易碎弹穿甲效果及试验照片图。图1易碎弹穿甲效果示意图图2易碎弹穿甲试验照片易碎穿甲弹有旋转稳定的易碎穿甲弹（FAP）和易碎脱壳穿甲弹（FAPDS）两种。如图3所示为瑞士20mm全口径旋转稳定的易碎穿甲弹，该弹全长168mm，质量259g，弹丸质量102g，初速1040m/s，可以单发射击，也可以连射。整个弹丸由弹体、弹芯、弹带和塑料材料等组成，通过注塑方法将弹芯和弹体联结在一起，并赋予弹丸有利的气动外形。弹体采用钢质材料，保证膛内发射强度，弹体的内部车有环形凸台和环形沟槽，保证注塑材料与弹体的连接强度；弹体外刻有弹带槽，装配铜质弹带，赋予弹丸高速旋转，使其飞行稳定。弹芯采用钨合金材料，周向刻有4条环形槽，控制弹芯碰撞目标的破碎。对目标的作用过程：撞击目标时，易碎的钨合金弹芯首先穿透目标的外蒙皮，然后逐渐破碎，以辐射形式穿透后续的目标结构，高能量的破片云在目标内部造成严重毁伤，保证较高的毁伤概率。该弹的特点是：弹形好，弹丸飞行时间短，对目标的命中概率高；弹丸没有传统的高能炸药和引信，安全可靠；既可以对付硬目标，又可以对付软目标；撞到目标时，弹芯立即破碎，不易跳飞。图3瑞士20mm易碎穿甲弹结构示意图图4脱壳穿甲弹弹芯如图4所示为一个适宜于脱壳穿甲弹的易碎弹芯，该弹芯结构的特点是结构简单、容易制造，在完全破碎之前能够穿透多层目标结构。该弹芯由弹芯头、弹芯体、弹芯杆和弹芯尾等四部分构成，弹芯头采用延展性较好的穿甲材料，如钢、锆、钛、铝、钨合金等，主要是为了避免穿透目标第一层结构时弹芯体完全破碎。弹芯体由相对易碎和脆性钨加工而成；弹芯尾采用延展性好的钨、硬金属、钢、钨合金等；弹芯杆采用足够延展性的钨，其压缩强度与拉伸强度之比超过10~20。如图5所示，如果采用常规的易碎弹芯，弹芯撞击目标的第一层结构板时，完全破碎，对后续目标结构板的侵彻能力降低。如果采用这种弹芯结构，撞击目标第一层结构时，弹芯体破碎，能够继续侵彻下一层结构，如图5(a)所示；图5(b)(c)为弹芯侵彻第二层结构后的情况，弹芯长度减小，但仍能继续向后侵彻。图5易碎弹芯侵彻多层靶过程示意图2.子母弹开仓子母弹指装有两个以上子弹头的弹药，母弹头和子弹头可以有制导装置，也可不带制导装置。导弹或母弹头飞到预定地点，切割机构将弹头舱的外壳切开，而后抛射系统将子弹头以适当的速度抛出，用于大面积杀伤，破坏空中或地面目标。杀伤效率取决于子弹头的命中精度，子弹的散布状态及其杀伤威力。子母炮弹重点是用来对付远距离的敌方坦克群。具有“分身术”的子母弹炮弹是大面积击毁坦克的有效武器之一。当母弹被送到坦克群上空爆炸后，事先装好的许多子弹会倾泻飞出，扑向坦克，给予坦克致命的打击。这种子母炮弹用大口径火炮、火箭炮或战术导弹都能发射。大口径火炮和火箭炮可以把它射到几公里到几十公里的目标上空去。战术导弹可以把它送到上百公里外的敌人后方，打击敌军纵深内集结的或行进间的坦克。在射程很远的战术导弹上配置反坦克子母弹战斗部更为有效。例如，“长矛”战术导弹射程为8～112公里。它所配用的反坦克子母弹内装836颗半公斤重的子弹，专门用来对付远距离的坦克群。只要命中，就能穿透装甲和杀伤车内人员。子母弹可以把整体弹头集中在一起的毁伤能量,分散为若干点的毁伤能量,且按目标特性和弹头威力所要求的分布特点,使子弹落点达到有规律的最佳分布,从而极大地提高了弹头的毁伤效力。具有攻击面大、突防能力强的特点,特别适宜攻击战役战术纵深内集结的人员,坦克群装甲车辆以及机场等重要目标。在子母弹的应用过程中,使子弹命中目标的概率最大在很大程度上取决于开仓和子弹抛洒技术。子母弹沿纵向是多排的，它的战斗部横截面如图6所示，中间是中心爆管，最外层是母弹壳体，其余的为子弹和填充材料。其中中心爆管和母弹壳体的材料一般为工业硬铝，填充材料一般用聚氨酯。长期以来由于问题的复杂性，子母弹的设计主要依靠试验手段，国内在子母弹的试验中出现过弹体折断、子弹被压扁等现象。解决这些问题如果只依靠试验，不仅花费巨大，而且不能从根本上解决。正是在这一背景下，相关技术人员研究了从中心爆管中炸药爆轰到母弹外壳破裂（开仓）这一过程中，在不同参数下应力波的传播规律，从而为子母弹的设计提供理论上的根据。图6子母弹截面图这个研究课题牵涉的因素很多，而且又属于动态断裂问题，在动力学领域很难建立精确的数值模型来讨论，所以以往多采用粗糙的理论设计与试验相结合的手段建立一种简便可行的模型和计算方法来解决这些问题。在子母弹爆轰开仓的过程中，利用应力波理论，建立合理的力学计算模型，考虑爆炸能量在弹体中的耗散及传播，获得影响子母弹爆轰开仓的诸多制约因素