鎢合金桿式彈侵徹過程研究

焦志剛，許 強(qiáng)，董 興

(1 沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110045)

鎢合金桿式彈侵徹過程研究

焦志剛1，許 強(qiáng)1，董 興2

(1 沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2 遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110045)

通過對桿式穿甲彈的彈芯材料分析，用AUTODYN-3D非線性動力學(xué)仿真軟件對鎢金桿式彈高速侵徹鋼靶板過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到彈體剩余速度、殘余彈芯長度等參數(shù)，分析彈芯“磨菇頭”的成因、靶板的破壞形式及增加侵徹能力的途徑，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明：兩者侵徹毀傷效果基本相符。

AUTODYN；桿式彈；鎢合金；侵徹

桿式穿甲彈是目前最常用的反坦克、反裝甲彈藥之一。其彈芯材料對穿甲彈侵徹能力起決定性作用，一般選用鎢合金或貧鈾合金作為桿式穿甲彈的彈芯材料[1]。但由于貧鈾合金具有輻射性，伊拉克戰(zhàn)爭時(shí)貧鈾彈的使用給美軍和伊拉克人民留下了巨大的“后遺癥”，貧鈾合金不再被提倡使用。鎢合金密度大、強(qiáng)度高、延展性好，侵徹裝甲目標(biāo)時(shí)保持速度和穿甲能力強(qiáng)，且具有易于加工的機(jī)械性能，已逐漸成為軍事工業(yè)中穿甲戰(zhàn)斗部的首選材料[2]。

目前有關(guān)侵徹與防護(hù)問題的研究多采用經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值法和試驗(yàn)法，很難對侵徹過程中彈靶變形等現(xiàn)象進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]是在理論基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行大量數(shù)值模擬，并配合工程計(jì)算模型進(jìn)行分析。本文用AUTODYN仿真軟件，采用lagrange算法對鎢合金桿式彈高速侵徹有限厚度鋼靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析鎢合金桿式彈侵徹過程，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。

1 鎢合金桿式彈的侵徹原理

鎢合金桿式彈在高速侵徹靶板過程中，彈、靶接觸區(qū)域產(chǎn)生高溫、高壓和高應(yīng)變，是非常復(fù)雜的動力學(xué)過程。侵徹過程中桿式彈和靶板產(chǎn)生劇烈塑性變形、剪切斷裂、熱效應(yīng)、甚至熔化等一系列現(xiàn)象。鎢合金彈芯在侵徹過程中對靶板擠壓產(chǎn)生塑性流動，流動的材料被擠向四周，形成擴(kuò)孔型破壞[3]。

由于鎢合金彈芯材料的絕熱剪切應(yīng)變率和臨界剪切應(yīng)變值較高，侵徹過程中彈芯頭部不易發(fā)生斷裂，在軸向侵徹力的作用下導(dǎo)致彈芯頭部變形呈“蘑菇狀”，導(dǎo)致靶板彈坑直徑較大，甚至數(shù)倍于鎢合金桿式彈芯的直徑[4]。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

采用AUTODYN-3D來仿真鎢合金桿式彈侵徹有限厚度鋼靶板，桿式彈用鎢合金，直徑8mm，長徑比為11，著速1210m/s，劃分網(wǎng)格2376個(gè)。靶板用45#鋼，厚度60mm，半徑40mm，劃分網(wǎng)格72000個(gè)。仿真模型如圖1所示，單位選用mm-mg-ms。

計(jì)算過程采用Lagrange算法，該算法以材料網(wǎng)格坐標(biāo)為主，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)隨網(wǎng)格點(diǎn)上的物質(zhì)運(yùn)動，相連節(jié)點(diǎn)的相對運(yùn)動導(dǎo)致網(wǎng)格單元的膨脹、壓縮和變形，質(zhì)量、動量和能量隨網(wǎng)格單元的運(yùn)動傳遞，可觀察到任意時(shí)刻彈、靶的變形和破壞情況[5]。

圖1 鎢合金桿式彈侵徹鋼靶模型

2.2 狀態(tài)方程和材料參數(shù)

數(shù)值模擬選用AUTODYN有限元分析軟件，彈芯選用TUNG.ALLOY模型，靶板選用STEEL模型[6]。彈、靶的材料模型如表1所示。彈、靶的材料參數(shù)取值如表2所示。

表1 彈、靶材料及模型

表2 彈、靶主要材料參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 侵徹過程分析

鎢合金桿式彈侵徹45#鋼靶過程如圖2所示。一般桿式彈侵徹過程可分為開坑、侵徹和沖塞三個(gè)階段。鎢合金桿式彈觸靶時(shí)速度較大，對靶板的開坑效果比較明顯，形成穩(wěn)定侵徹的條件；由于彈、靶材料選擇和數(shù)值模擬算法的因素未發(fā)生較明顯的材料飛濺現(xiàn)象。侵徹過程中彈芯頭部不斷敦粗出現(xiàn)“蘑菇頭”，靶板坑道直徑明顯大于彈芯直徑(約2倍于彈芯直徑)。由于高速撞擊彈、靶的塑性流動作用，導(dǎo)致靶板發(fā)生擴(kuò)孔型破壞，沒有明顯的沖塞現(xiàn)象。

圖2 不同時(shí)刻侵徹結(jié)果

鎢合金桿式彈速度曲線如圖3所示。落速1210m/s，開始侵徹后，鎢合金桿式彈速度急劇下降，彈芯頭部貫穿靶板后以732m/s的剩余速度繼續(xù)運(yùn)動，直至殘余彈芯全部從靶板內(nèi)部飛出，整個(gè)侵徹過程歷時(shí)0.15ms。

圖3 鎢合金桿式彈速度曲線

侵徹時(shí)彈、靶的應(yīng)力情況如圖4所示。鎢合金桿式彈觸靶時(shí)頭部等效應(yīng)力最大，可達(dá)1.8GPa，不論對鎢合金還是45#鋼，遠(yuǎn)高于其材料的屈服極限，是導(dǎo)致大塑性變形和材料破裂的主要原因。當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，同時(shí)也由于彈、靶接觸區(qū)域的溫度很高，彈、靶不斷發(fā)生塑性流動和侵蝕；侵徹過程中彈芯頭部受靶板擠壓出現(xiàn)“翻唇”現(xiàn)象，隨著彈芯侵徹深度的加深，彈芯頭部不斷被侵蝕，“蘑菇頭”越來越大，彈芯的長度越來越短，靶板的坑道直徑略有增加，脫落的彈芯碎片沿著靶板坑壁以較小的速度移動；彈芯完全貫穿靶板時(shí)，其長度剩余量僅為初始長度的27.8%。

圖4 不同時(shí)刻的彈、靶應(yīng)力情況

3.2 與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比

與文獻(xiàn)[7]中的穿甲試驗(yàn)進(jìn)行對比，圖5a為試驗(yàn)結(jié)果的殘余彈芯，圖5b為AUTODYN數(shù)值模擬后的殘余彈芯。由于試驗(yàn)所用彈、靶材料自身的缺陷及試驗(yàn)過程中存在的人為誤差，數(shù)值模擬中均為理想狀態(tài)，不存在試驗(yàn)過程中的不利因素，所以試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果殘余彈體的形狀存在差異。

圖6a為試驗(yàn)靶板破壞效果，圖6b為AUTODYN數(shù)值模擬結(jié)果。侵徹過程中靶板由于受到桿式彈的侵徹作用而破壞掉的材料不斷累積并跟隨彈芯頭部一起向前運(yùn)動，造成侵徹通道在徑向尺寸上逐漸增大；數(shù)值模擬中靶板所使用的材料模型具有網(wǎng)格，侵徹過程中當(dāng)靶板材料受到高速撞擊產(chǎn)生大應(yīng)變時(shí)，網(wǎng)格自動刪除避免計(jì)算產(chǎn)生錯(cuò)誤，這是數(shù)值模擬中靶板的侵徹通道徑向尺寸幾乎相同的主要原因。

圖5 試驗(yàn)與數(shù)值模擬殘余彈芯對比

圖6 試驗(yàn)與數(shù)值模擬靶板對比

試驗(yàn)回收得到的殘余彈芯及靶板剖面形貌效果較好，表3為實(shí)驗(yàn)測量與數(shù)值模擬參數(shù)對比，表明試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬吻合較好。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬參數(shù)對比 mm

4 結(jié)論

通過對桿式鎢合金穿甲彈侵徹鋼靶板過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了鎢合金桿式彈侵徹鋼靶板的侵徹過程及應(yīng)力狀況，分析了產(chǎn)生“蘑菇頭”的原因及桿式彈對鋼靶板的高速侵徹破壞形式。主要結(jié)論如下：

(1)鎢合金的絕熱剪切應(yīng)變率和臨界剪切應(yīng)變值較高，在侵徹過程中易形成“蘑菇頭”，與貧鈾合金的“自銳”性能相比，是影響鎢合金侵徹能力的一個(gè)主要因素。

(2)鎢合金桿式彈在侵徹過程中彈頭部不斷磨損，彈體長度不斷縮小，穿透靶板后的殘余彈體長度僅為初始長度的27.8%，在高速撞擊下增加鎢合金桿式彈的彈體長度是增加其侵徹能力的有效途徑。

(3)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比較為吻合，為高速桿式彈的侵徹分析和設(shè)計(jì)提供了一定參考。

[1]吳群彪，沈培輝，劉榮忠.組合桿式穿甲彈的侵徹能力仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2013，25(2)：367-370.

[2]張存信，秦麗柏，米文宇，等.我國穿甲彈用鎢合金研究的最新進(jìn)展與展望[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2006，11(3)：127-132.

[3]錢偉長.穿甲力學(xué)[M].北京：北京國防工業(yè)出版社，1984.

[4]王猛，黃德武，曲家惠，等.鎢合金桿式彈侵徹45#鋼變形失效行為的數(shù)值分析[J].塑性工程學(xué)報(bào),2012.19(2):102-106.

[5]Century Dynamics Ltd.Interactive non-linear dynamic analysis software user manual[M].Ramon，USA:Century Dynamics Incorporated，2001.

[6]ANSYS，Inc..AUTODYN explicit software for non-linear dynamic analysis user manual[M].Pennsylvanaia，USA:ANSYS,Inc.,2005.

[7]從美華，黃德武，段占強(qiáng)，等.小口徑穿甲試驗(yàn)靶板彈孔和殘余彈體顯微組織研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,22(5):594-598.

[8]趙曉寧，何勇，張先鋒.高速桿式彈侵徹有限厚靶板數(shù)值模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，22(2)：340-343.

StudyonPenetratingProcessofLong-rodPenetratorofTungstenAlloy

JIAO Zhigang1,XU Qiang1，DONG Xing2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.Liaoshen Industrial Group Co.,Ltd，Shenyang 110045，China)

By the analysis of bullet core material for long-rod penetrator,the interaction of long-rod penetrator of tungsten alloy impacting on steel target is simulated by AUTODYN-3D software.The residual velocity,residual bullet core length and other parameters were obtained.The cause of bullet core “mushroom head” and the mode of target failure and the way to increase penetration capability are analysed and compared with experimental result.The result indicates that both the penetration damage effect are basically consistent.

AUTODYN； long-rod penetrator； tungsten alloy； penetration

2013-11-25

焦志剛(1963—)，男，教授，研究方向：彈藥工程.

1003-1251(2014)05-0077-04

TJ413.2

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趙麗琴)