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    多層靶不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)高速球形彈侵徹的影響*

    2013-12-10 06:40:24張晉紅劉天生
    關(guān)鍵詞:靶板彈丸增益

    張晉紅,劉天生

    (中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院,太原 030051)

    0 引言

    現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,坦克是地面部隊(duì)的主要突擊力量,裝甲則是坦克提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的重要手段之一。坦克正向著輕型化方向發(fā)展,這更需注重提高其防護(hù)能力,而坦克防護(hù)主要是通過(guò)提高裝甲的防護(hù)性能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái),隨著微電子、激光和紅外等高新技術(shù)的飛速發(fā)展,促進(jìn)了各種反坦克武器的改進(jìn)提高和更新?lián)Q代。隨著反坦克武器的發(fā)展和威力的不斷增大[1],對(duì)坦克形成全方位、立體式的攻擊,坦克所面臨的威脅越來(lái)越嚴(yán)重[2]。為了提高重型坦克的防護(hù)性能,常采用多層靶來(lái)提高坦克對(duì)球形彈丸的防護(hù)能力,為了研究靶板對(duì)彈丸侵徹的影響,以往主要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究,但實(shí)驗(yàn)研究的費(fèi)用較高、危險(xiǎn)性大、周期較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)費(fèi)用且周期短的數(shù)值模擬技術(shù)在高速動(dòng)力學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明LS-DYNA非線(xiàn)性有限元程序在計(jì)算球形彈侵徹多層靶的問(wèn)題上是非常可靠的[3-4]。文中利用動(dòng)力學(xué)分析軟件 LS-DYNA對(duì)球形彈侵徹多層運(yùn)動(dòng)靶過(guò)程進(jìn)行了有限元分析[5-6],主要從靶板分層、靶板運(yùn)動(dòng)方向等因素變化分析其對(duì)高速球形彈防護(hù)性能的影響。

    1 仿真建模

    1.1 有限元模型

    數(shù)值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件建立計(jì)算模型。整個(gè)模型使用三維實(shí)體Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分,球形彈和靶板均采用拉格朗日法建模。長(zhǎng)桿彈侵徹靶板選用面—面侵徹接觸,對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束,采用1/2建模,整體模型由球形彈、4層金屬靶組成。數(shù)值模型采用 cm·g·μs單位制。建立球形彈侵徹四層金屬靶有限元,網(wǎng)格模型如圖 1,共 113867 個(gè)節(jié)點(diǎn),89152個(gè)單元。彈丸入射速度固定為1300m/s。進(jìn)行對(duì)比分析時(shí),還建立球形彈侵徹單層靶板模型,其厚度為16mm,即為4層靶的總厚度。球形彈基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1,4層靶板參數(shù)如表2。

    圖1 彈靶的有限元網(wǎng)絡(luò)模型

    表1 球形彈幾何模型基本參數(shù)

    表2 多層金屬靶基本參數(shù)

    1.2 狀態(tài)方程及材料參數(shù)

    Johnson-Cook 模型應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[7]:

    式中:A是屈服應(yīng)力;B是應(yīng)變硬化;c是應(yīng)變率相關(guān)因數(shù);n是應(yīng)變硬化指數(shù);m是溫度相關(guān)系數(shù)(計(jì)算時(shí)忽略溫度影響)ε-p是等效塑性應(yīng)變,ε*是相對(duì)等效塑性應(yīng)變率,

    是相對(duì)溫度;參數(shù)取值見(jiàn)表3,其中G是剪切模量;Cp是熱容;Pc是截止應(yīng)力。

    表3 裝甲鋼材料參數(shù)

    Gruneisen狀態(tài)方程具體表達(dá)式如下[7]:

    式中:ρ0是初始密度;E是材料內(nèi)能;體積變化率μ=( ρ/ρ0-1),ρ為當(dāng)前密度;C是材料靜態(tài)體聲速,S是材料沖擊絕熱線(xiàn)的有關(guān)參數(shù),γ0是Gruneisen系數(shù),α是γ0的一階體積修正量。主要參數(shù)見(jiàn)表4,其中V0為初始比容。

    表4 裝甲鋼狀態(tài)方程參數(shù)

    2 仿真結(jié)果及分析

    2.1 彈丸侵徹靜止靶能量及速度分析

    研究對(duì)象是薄板,而100μs時(shí)彈丸已經(jīng)基本穿過(guò)靶板,因此首先從能量分析靶板在不同角度時(shí)的影響,如圖2所示。角度越大,彈丸剩余動(dòng)能越小,并且靶板的分層也有助于對(duì)彈丸能量的消耗。由剩余能量值表5得出,彈丸剩余能量隨著侵徹角度的增大而減小。在這組比較中,剩余能量差值E'k最大為 0.114 ×105J,剩余能量的增益(計(jì)算公式為E'k/E0×100%,其中E0是彈丸的初始動(dòng)能,E'k是彈丸侵徹靜止靶與靶板各狀態(tài)時(shí)剩余動(dòng)能的差值)最大值為19.09%。說(shuō)明在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),多層靶板在對(duì)彈丸45°角侵徹時(shí)的防御效果最好,是彈丸在30°角侵徹時(shí)能量增益的2倍。

    表5 100μs時(shí)靜止靶對(duì)彈丸剩余能量與能量增益的影響

    從彈丸速度分析靶板在不同角度時(shí)的影響,如圖3??梢钥闯?,速度趨勢(shì)與能量變化類(lèi)似,都隨角度的增大變小。并且隨著靶板層數(shù)增加,多層靶對(duì)彈丸速度的損失影響更大。另外,觀察圖3可發(fā)現(xiàn),彈丸速度在80~100μs時(shí),速度變化基本趨于平緩,因此可看做靶板對(duì)其影響在100μs時(shí)已基本停止。在100μs時(shí),彈丸剩余速度如表6所示,不同角度對(duì)其影響較大,但是靶板是否分層則對(duì)其基本沒(méi)有影響。

    圖2 彈丸侵徹靜止靶能量曲線(xiàn)

    圖3 彈丸侵徹靜止靶速度歷程曲線(xiàn)

    表6 100μs時(shí)彈丸侵徹靜止靶剩余速度

    2.2 彈丸侵徹水平運(yùn)動(dòng)靶能量與速度分析

    靶板水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)有很多,文中分別從0°、30°、45°三種角度侵徹狀態(tài)描述其變化規(guī)律,如圖4。0°角侵徹時(shí)的能量變化曲線(xiàn)基本重合,因此水平運(yùn)動(dòng)對(duì)其作用很小。圖4分別是30°、45°時(shí)的能量變化曲線(xiàn),可以看出,當(dāng)靶板在負(fù)方向到正方向的運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)作用下,能量也在逐漸變化,45°時(shí)的趨勢(shì)更加明顯。

    圖4 不同角度時(shí)彈丸侵徹水平運(yùn)動(dòng)靶能量曲線(xiàn)

    水平運(yùn)動(dòng)靶在100μs時(shí)對(duì)彈丸剩余能量與能量增益的影響如表7所示。通過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)0°時(shí)能量基本無(wú)變化。在30°和45°時(shí),以靜止?fàn)顟B(tài)為基準(zhǔn),增益分別以相反的方向變化。隨著角度的增大,水平運(yùn)動(dòng)速度對(duì)彈丸剩余能量影響也越大。45°時(shí)的最大和最小增益差值為 5.75%。30°角 60m/s運(yùn)動(dòng)與 45°角-60m/s運(yùn)動(dòng)時(shí)的增益差值為4.96%,比靜止時(shí)的差值8.67% 減小了3.71%。

    表7 100μs時(shí)水平運(yùn)動(dòng)靶對(duì)彈丸剩余能量與能量增益的影響

    由以上分析得知,水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的靶板隨著彈丸入射角增大,防御效果也在增強(qiáng),而靶板的運(yùn)動(dòng)方向?qū)Ψ烙Ч挠绊懸餐瑯又匾?。因此在裝甲防護(hù)中,要同時(shí)考慮裝甲的水平運(yùn)動(dòng)速率和方向兩種情況。

    由能量分析得知,彈丸在侵徹水平運(yùn)動(dòng)靶板時(shí),能量基本沒(méi)變化,因此不考慮其速度問(wèn)題。由圖5所示,速度變化與能量變化規(guī)律相同。參考表8也可看出,在60m/s運(yùn)動(dòng)時(shí),彈丸的剩余速度最小。

    圖5 不同角度時(shí)彈丸侵徹水平運(yùn)動(dòng)靶速度歷程曲線(xiàn)

    表8 100μs時(shí)水平運(yùn)動(dòng)靶對(duì)彈丸剩余速度的影響

    2.3 彈丸侵徹法向運(yùn)動(dòng)靶能量與速度分析

    隨著爆炸驅(qū)動(dòng)飛板的廣泛使用,以及爆炸反應(yīng)裝甲的裝備,對(duì)破甲彈的防護(hù)提升到一個(gè)新的階段。本節(jié)主要介紹當(dāng)爆炸驅(qū)動(dòng)裝備引爆時(shí),飛板在沿法線(xiàn)方向高速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下,對(duì)球形彈的防護(hù)效果。為了研究方便,只考慮金屬靶單獨(dú)存在對(duì)球形彈的影響。本節(jié)將對(duì)法線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)速度為 300m/s,500m/s,800m/s,1000m/s狀態(tài)下的飛板進(jìn)行研究,同樣考慮0°,30°,45° 時(shí)的防護(hù)效果。

    觀察圖6(a)發(fā)現(xiàn),30°入射角侵徹時(shí),4條曲線(xiàn)終點(diǎn)基本一致,說(shuō)明此狀態(tài)下能量損失最終趨勢(shì)是相同的。而由6(b)發(fā)現(xiàn),曲線(xiàn)在60μs時(shí)交匯,而后形成一個(gè)反向影響,即靶板運(yùn)動(dòng)速度越大,彈丸能量損失越小,表明其防護(hù)效果越差。

    當(dāng)入射角為0°時(shí),靶板法向運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于增加了彈丸的入射速度,因此不考慮此狀態(tài)時(shí)對(duì)侵徹能力的影響。分析表9的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)30°入射角靶板法向運(yùn)動(dòng)狀態(tài),500m/s時(shí)的剩余能量最小,說(shuō)明此時(shí)防護(hù)效果最差;而當(dāng)靶板法向運(yùn)動(dòng)速度為1000m/s時(shí),達(dá)到防護(hù)最佳效果。考察45°角侵徹時(shí),發(fā)現(xiàn)靶板運(yùn)動(dòng)速度越大,防御效果越差。而當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度同為1000m/s時(shí),45°與30°的能量增益相同,說(shuō)明其防護(hù)作用已經(jīng)大大減弱,此時(shí)與0°入射角的增益差僅為4.48%。

    圖6 不同角度時(shí)彈丸侵徹法向運(yùn)動(dòng)靶能量曲線(xiàn)

    表9 100μs時(shí)法向運(yùn)動(dòng)靶對(duì)彈丸剩余能量與能量增益的影響

    當(dāng)入射角為30°及45°時(shí),發(fā)現(xiàn)彈丸速度變化規(guī)律基本相同,觀察圖7發(fā)現(xiàn),彈丸速度都是隨著靶板運(yùn)動(dòng)速度的增大而變小??疾毂?0,得出不同角度時(shí)速度的變化規(guī)律,即隨著角度的增大呈現(xiàn)階梯性減小。

    表10 100μs時(shí)法向運(yùn)動(dòng)靶對(duì)彈丸剩余速度的影響

    圖7 不同角度時(shí)彈丸侵徹法向運(yùn)動(dòng)靶速度歷程曲線(xiàn)

    3 結(jié)論

    文中針對(duì)裝甲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)球形彈防御效果進(jìn)行了模擬,考慮了多層靶板在靜止、水平運(yùn)動(dòng)以及法向飛行狀態(tài)對(duì)球形彈剩余能力和剩余速度的影響。得出如下結(jié)論:1)通過(guò)對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)單層靶與等厚4層靶的彈丸侵徹結(jié)果進(jìn)行研究,得出等厚4層靶比單層靶的防護(hù)效果要好。隨著入射角度的增大,彈丸剩余動(dòng)能與剩余速度減小量更大,其防護(hù)效果更佳。2)通過(guò)對(duì)靶板水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的分析,發(fā)現(xiàn)水平負(fù)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的防御效果總體都會(huì)低于正向運(yùn)動(dòng),并且隨著入射傾角的增大而增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn),靶板對(duì)45°角侵徹水平60m/s正向運(yùn)動(dòng)彈丸的防護(hù)效果最好,且在負(fù)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量增益最大。3)通過(guò)對(duì)靶板法向運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)入射傾角為30°及45°時(shí)能量變化規(guī)律不相同。30°入射角侵徹時(shí),當(dāng)靶板法向運(yùn)動(dòng)為500m/s的狀態(tài)下,防御效果最差,隨著靶板速度的增加,其能量增益也隨之增大。45°角侵徹時(shí),靶板的防御效果隨其速度的增大而減小,800m/s將到達(dá)極限值。

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