內(nèi)外徑比值對(duì)橫向效應(yīng)侵徹體的影響分析

焦志剛，曹 旭，張明博

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 100159)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

內(nèi)外徑比值對(duì)橫向效應(yīng)侵徹體的影響分析

焦志剛，曹 旭，張明博

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，沈陽 100159)

通過研究不同內(nèi)外徑比值對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響，對(duì)不同內(nèi)外徑比情況彈丸侵徹靶板的過程進(jìn)行數(shù)值仿真。結(jié)果表明：任意一種類型橫向效應(yīng)侵徹體，其消耗的能量隨著內(nèi)外徑比值的增大而增大；對(duì)于一個(gè)設(shè)定的內(nèi)外徑比，總有一個(gè)最佳長(zhǎng)徑比值使其橫向效應(yīng)效果最優(yōu)。

橫向效應(yīng)侵徹體；數(shù)值仿真；長(zhǎng)徑比

目前，世界各國(guó)所裝備的彈藥主要有穿甲彈、破甲彈、碎甲彈及殺爆彈。這些彈藥各有其特點(diǎn)，但功能都很單一[1]。橫向效應(yīng)侵徹體有效的克服現(xiàn)有彈藥功能單一的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)面高效毀傷[2]。

Stephan Kerk[3]做了大量試驗(yàn)，得到了橫向效應(yīng)侵徹體可發(fā)揮橫向效應(yīng)的速度范圍為400-3000m/s。南京理工大學(xué)趙國(guó)志、朱建生[4]在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過力學(xué)分析，計(jì)算了破片徑向速度和彈體軸向剩余速度的公式。杜忠華研究了彈靶參數(shù)對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響[5]，給出了PELE發(fā)揮橫向效應(yīng)的最佳條件。北京理工大學(xué)蔣建偉和張謀[6]利用不同彈芯材料PELE對(duì)四層間隔靶進(jìn)行了穿甲試驗(yàn)研究。

筆者對(duì)彈丸長(zhǎng)徑比對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，在實(shí)際情況中不同的彈丸內(nèi)外比對(duì)橫向效應(yīng)的影響差別很大，所以研究?jī)?nèi)外徑比值對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響具有十分重要的意義。

1 模型參數(shù)材料選取

PELE彈丸為理想圓柱桿彈體，彈丸長(zhǎng)60 mm，彈芯長(zhǎng)55 mm。靶板為20 mm×20 mm的矩形，厚度為8 mm，彈丸著靶速度為1 000 m/s。其中，殼體為金屬鎢，彈芯材料為尼龍，靶板為裝甲鋼。所用主要材料參數(shù)如表1所示。ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比。

表1 侵徹體與靶板主要參數(shù)

殼體材料彈芯、靶板均采用Gruneisen狀態(tài)方程Johnson-cook本構(gòu)模型共同描述，Gruneisen狀態(tài)方程通過兩種方法定義壓力體積的關(guān)系，確定材料是壓縮還是擴(kuò)張。所有單元均采用Lagrange算法，該算法單元網(wǎng)格隨著材料流動(dòng)而變形適合反應(yīng)彈丸撞擊靶板的真實(shí)情況。彈丸與靶板，殼體與彈芯之間均采用侵蝕接觸ERODING SURFACE TO SURFACE。對(duì)稱面采用對(duì)稱約束，非對(duì)稱面采用固定約束。計(jì)算時(shí)間350μs，在K文件中加入CONTROL_CONTACT定義接觸。

2 仿真計(jì)算結(jié)果

將彈丸內(nèi)外徑比值0.6做為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)立另外三組彈丸內(nèi)外徑比值0.5、0.7、0.8作為對(duì)比。為了研究不同的情況，設(shè)立三種不同類型進(jìn)行研究，且外徑與其他所有條件保持不變。

情況1只改變內(nèi)外徑比，彈長(zhǎng)、彈芯長(zhǎng)度保持不變；情況2改變內(nèi)外徑比并保持彈丸的質(zhì)量和彈芯長(zhǎng)度不發(fā)生變化，改變彈長(zhǎng)保持彈丸質(zhì)量不變；情況3改變內(nèi)外徑比保持彈丸質(zhì)量和彈芯至彈底距離不變，改變彈芯長(zhǎng)度保持質(zhì)量不變。參數(shù)如表2所示，表中a、b分別為彈長(zhǎng)與彈芯長(zhǎng)度。

表2 內(nèi)外徑比不同類型的彈丸參數(shù)

圖1表示的是不同結(jié)構(gòu)作用后的效果比較。從圖中可以得知，彈芯在靶板和殼體作用下壓縮，殼體發(fā)生徑向膨脹?？偟膩碚f，彈丸的橫向效應(yīng)會(huì)隨著內(nèi)外徑比值增加變得更明顯，但是必須保證彈丸的強(qiáng)度足夠否則會(huì)發(fā)生彎曲。彎曲會(huì)造成殼體軸向速度和徑向速度都減小，不利于侵徹和橫向效應(yīng)。

圖2為不同內(nèi)外徑比對(duì)應(yīng)的軸向速度曲線，由圖可知1型25 μs前變化趨勢(shì)大致一致。在這一時(shí)刻后，軸向速度的變化差別較大。隨著內(nèi)外徑比值增大，彈丸彈徑方向阻力增大，軸向速度減小量增大。侵徹開始，彈體質(zhì)量對(duì)彈軸方向速度影響較小。在侵徹靶板后，隨著彈體質(zhì)量的增大剩余動(dòng)能也隨之增大，則殼體剩余速度、塞塊沖塞結(jié)束后剩余動(dòng)能也越大。結(jié)論：1情況，殼體剩余速度隨內(nèi)外徑比值增大而減小。

情況1

情況2

情況3

圖1 不同結(jié)構(gòu)作用后的效果

由圖1可發(fā)現(xiàn)2型內(nèi)外徑比值0.5為不合格彈形，由于強(qiáng)度不夠侵徹后彈底碎裂。剩下不同內(nèi)外徑比的曲線剩余速度幾乎一致。其中內(nèi)外徑比值0.8時(shí)彈丸軸向速度的變化較為平緩，該情況彈丸對(duì)靶板侵徹能力較弱，侵徹歷程較長(zhǎng)。由此可知內(nèi)外徑比增大，彈丸的侵徹能力下降。

圖2 不同內(nèi)外徑比所對(duì)應(yīng)的軸向速度

圖3為不同內(nèi)外徑比值的彈丸剩余速度。由圖可知，在內(nèi)外徑比值區(qū)間0.5至0.6時(shí)，隨著比值增大剩余速度減小，由此可知軸向動(dòng)能向徑向動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)換。當(dāng)比值大于0.6，情況1的侵徹體剩余速度隨著內(nèi)外徑比值增加而減小，徑向動(dòng)能逐漸增大，當(dāng)內(nèi)外徑比值為0.7時(shí)達(dá)到最大，隨后彈丸整體動(dòng)能降低；情況2的彈丸剩余速度隨著內(nèi)外徑比值變化較??；情況3內(nèi)外徑比值為0.7時(shí)，橫向效應(yīng)最明顯，軸向速度達(dá)到峰值，此刻彈型最佳，內(nèi)外徑比值為5.76。

情況1彈丸質(zhì)量發(fā)生改變，彈丸質(zhì)量隨內(nèi)外徑比值增大而減小，動(dòng)能也隨比值增大減小，而情況2、3由于保證了彈體質(zhì)量不變，不同情況彈體動(dòng)能相同。圖4為不同內(nèi)外徑比彈體動(dòng)能變化曲線，圖中曲線趨勢(shì)一致，首先動(dòng)能變化較大，逐漸趨于穩(wěn)定。隨著內(nèi)外徑比的增大，穩(wěn)定的時(shí)間歷程逐漸增加，由此可知彈丸對(duì)靶板的毀傷能力逐漸下降。

圖3 不同類型不同內(nèi)外徑比值的剩余速度曲線

圖4 不同內(nèi)外徑比所對(duì)應(yīng)的動(dòng)能曲線

由圖4可知，在初始階段由于彈丸開坑消耗動(dòng)能較大曲線變化劇烈，隨著侵徹歷程的進(jìn)行動(dòng)能趨于平穩(wěn)，但不同情況下彈丸剩余動(dòng)能差別較大。比較初始動(dòng)能與末動(dòng)能可知，內(nèi)外徑比值為0.7情況下剩余動(dòng)能最大。隨著內(nèi)外徑比值的增大，彈壁逐漸變薄，對(duì)靶板的破壞能力也逐漸減弱，導(dǎo)致在侵徹開始階段消耗能量增大。當(dāng)內(nèi)外徑比值小于0.6時(shí)，情況2剩余動(dòng)能較大。當(dāng)內(nèi)外徑比值大于0.6，情況3剩余動(dòng)能較大。由此可知，對(duì)于不同內(nèi)外徑比情況，總存在一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)徑比值。

圖5為不同情況內(nèi)外徑比所對(duì)應(yīng)的最大徑向速度曲線圖。不同情況的曲線趨勢(shì)一致，隨著內(nèi)外徑比值的增大，彈丸的最大徑向速度也逐漸增大。但是，當(dāng)情況不同時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大徑向速度差別較小。這是由于對(duì)于不同的情況總有一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)徑比值與之對(duì)應(yīng)。綜合所有分析可以總結(jié)出橫向效應(yīng)侵徹體的一個(gè)外形最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表3)。

圖5 不同情況不同內(nèi)外徑比的最大徑向速度曲線

內(nèi)外徑比(I/O)0.50.60.70.8長(zhǎng)徑比5.666.978.42

3 結(jié)論

1) 不同彈丸長(zhǎng)徑比的橫向效應(yīng)侵徹體作用靶板都能產(chǎn)生橫向效應(yīng)，內(nèi)外徑比為0.8時(shí)彈丸處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

2) 隨著彈丸長(zhǎng)徑比的增大殼體剩余速度隨之減小，侵徹能力也逐漸減弱。

3) 對(duì)一個(gè)確定的內(nèi)外徑比的橫向效應(yīng)侵徹體，總有一個(gè)最佳長(zhǎng)徑比值使其侵徹消耗能量最少。

[1] 韓成華,郭美芳.反裝甲彈藥簡(jiǎn)介[J].現(xiàn)代兵器,1990,10(20):212-213.

[2] 李向東,錢建平,曹兵.彈藥概論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2004.

[3] KERK S.PELE-The Future Ammunition Concept[C]//21st International Symposium on Ballistics.Adelaide,Australia.2004:1134-1144.

[4] 朱建生.橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體作用機(jī)理研究[D].南京：南京理工大學(xué),2008.

[5] 杜忠華,宋麗麗.橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體撞擊金屬薄板理論模型[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011(6):123-104.

[6] 張謀,蔣建偉,門建兵.鎢合金殼體PELE的侵徹膨脹效應(yīng)數(shù)值模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2009(2):110-113.

[7] 王禮立.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[8] 羅春濤.計(jì)及應(yīng)變率效應(yīng)的侵徹力學(xué)工程分析方法和數(shù)值模擬[D].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

(責(zé)任編輯 周江川)

Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect

JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 100159, China)

Through the study of the influence of different ratio of inner and outer diameters on the transverse effect of PELE,numerical simulation of projectile penetration into target plate with different ratio of internal and external diameter was carried out.The results show that: for any type of lateral effect penetrator,its energy consumption increases as the diameter ratio increases; for a set diameter ratio,there is always an optimum value so that the lateral effect will be best.

PELE; numerical simulation; length-diameter ratio

2016-03-14；

2016-10-26

焦志剛(1960—)，男，教授，主要從事彈箭仿真技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.02.009

焦志剛，曹旭，張明博.內(nèi)外徑比值對(duì)橫向效應(yīng)侵徹體的影響分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(2):36-39.

format:JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo.Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):36-39.

O385

A

2096-2304(2017)02-0036-04