TC復(fù)合彈對(duì)多層A3鋼靶穿甲效應(yīng)的試驗(yàn)與仿真

胡迪奇,王堅(jiān)茹,陳智剛,易榮成,魯城華

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防護(hù)材料有限公司,江蘇 常州 213100)

TC復(fù)合彈對(duì)多層A3鋼靶穿甲效應(yīng)的試驗(yàn)與仿真

胡迪奇1,王堅(jiān)茹1,陳智剛1,易榮成1,魯城華2

(1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防護(hù)材料有限公司,江蘇 常州 213100)

為提高彈丸的侵徹威力,在30 mm制式彈彈頭部采用增韌TC材料,并與制式彈進(jìn)行對(duì)比,采用DOP試驗(yàn)方法,對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)彈丸侵徹多層A3鋼靶的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。運(yùn)用沖擊動(dòng)力學(xué)理論公式,計(jì)算TC復(fù)合彈和制式彈在沖擊接觸鋼板瞬間的沖擊壓力并進(jìn)行對(duì)比。重點(diǎn)分析對(duì)比彈頭結(jié)構(gòu)、材料對(duì)多層A3鋼靶的穿甲效應(yīng)的影響。在相同條件下,對(duì)制式彈和TC復(fù)合彈對(duì)A3鋼板的侵徹深度、孔徑,以及侵徹后彈芯剩余質(zhì)量進(jìn)行了對(duì)比分析。運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對(duì)侵徹過(guò)程進(jìn)行模擬仿真,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果,分別從余速和彈芯剩余質(zhì)量上進(jìn)一步分析TC復(fù)合彈的侵徹能力。結(jié)果表明,TC彈頭對(duì)彈芯的保護(hù)效果明顯,為陶瓷材料應(yīng)用于其他戰(zhàn)斗部提供了依據(jù)。

沖擊動(dòng)力學(xué);侵徹;陶瓷;鋼板;數(shù)值模擬

當(dāng)今戰(zhàn)場(chǎng),隨著裝甲車輛的防護(hù)推陳出新,防護(hù)性能不斷提升,但這些防護(hù)結(jié)構(gòu)還是以金屬材料為核心組成。金屬材料在強(qiáng)度、可加工性等方面的優(yōu)勢(shì)使其在毀傷和防護(hù)方面得到了廣泛應(yīng)用。而殺傷戰(zhàn)斗部也還是以金屬材料及其合金為主,這些常規(guī)材料的戰(zhàn)斗部穿甲性能的提升遇到了瓶頸。

鄧云飛等[1]進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)的彈丸撞擊多層靶板的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,多層靶的抗侵徹性能低于單層靶。李杰等[2]分析了不同厚度靶板和不同結(jié)構(gòu)的彈丸對(duì)靶板侵徹效果的影響,結(jié)果表明,平頭彈對(duì)薄靶板的效果好于卵形頭彈,而卵形頭彈對(duì)厚靶板的侵徹效果要優(yōu)于平頭彈。李守蒼等[3]研究了陶瓷和合金鋼柱形構(gòu)件分別對(duì)陶瓷/復(fù)合材料靶板的侵徹性能,結(jié)果表明,陶瓷構(gòu)件對(duì)陶瓷/復(fù)合材料靶板的破壞程度遠(yuǎn)大于合金鋼構(gòu)件。付建平等[4]對(duì)比了陶瓷子彈與普通鋼彈的侵徹能力,得出了陶瓷子彈對(duì)靶板的侵徹效果優(yōu)于鋼彈。

TC復(fù)合彈對(duì)陶瓷復(fù)合裝甲板的侵徹[5]相對(duì)制式彈有較大的優(yōu)勢(shì),本文在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)TC復(fù)合彈對(duì)多層A3靶的穿甲效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,并與制式彈進(jìn)行了對(duì)比。

1 材料特性

陶瓷材料[6]有著其他材料所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),但也存在著致命的脆性,這種脆性主要來(lái)源于:①燒結(jié)溫度。在900 ℃左右燒結(jié)時(shí),氣孔率較高;而溫度在1 300 ℃左右時(shí),組成的結(jié)構(gòu)就會(huì)細(xì)密得多,宏觀上基本看不出有什么細(xì)微的缺陷。②陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)中的各種化學(xué)鍵之間的高鍵能所引起的缺陷敏感性[7]。目前最有效的方法是將陶瓷與缺陷尺寸更小的增強(qiáng)體(氧化鋯、氮化硅等)復(fù)合在一起,降低其缺陷敏感性,從而達(dá)到提高強(qiáng)度和韌性的目的。

本文TC彈頭所采用的Al2O3基陶瓷材料是通過(guò)增加ZrO2作為增強(qiáng)體進(jìn)行增韌處理的陶瓷材料[4],相比普通陶瓷,這種經(jīng)過(guò)處理的陶瓷材料顆粒均勻,顆粒之間結(jié)合緊密?？箯潖?qiáng)度可達(dá)850 MPa,斷裂韌性為9.35 MPa/m2,具有高硬度、高抗壓強(qiáng)度、較高的韌性、耐磨蝕等特點(diǎn),同時(shí)成本較低。圖1為TC彈頭。

圖1 增韌后的TC彈頭

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)用彈

試驗(yàn)用彈采用的TC復(fù)合彈如圖2所示,其外形、質(zhì)量與30 mm制式彈基本一致。TC復(fù)合彈全彈主要由TC復(fù)合彈頭、墊片、彈芯、彈托、底托等組成,如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)用TC復(fù)合彈合彈 圖3 試驗(yàn)用TC復(fù)合彈彈頭

2.2 試驗(yàn)靶板

試驗(yàn)靶板為A3鋼靶,由5層Q235鋼板組成,每層靶板尺寸為寬200 mm、高200 mm、厚20 mm,靶板四周通過(guò)4個(gè)φ12 mm螺栓相連并與靶架固定。如圖4所示,靶板總體尺寸(寬×高×厚)為200 mm×200 mm×100 mm。

圖4 多層A3鋼靶

2.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在某試驗(yàn)靶場(chǎng)進(jìn)行,圖5為試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖,圖6為發(fā)射裝置采用的CS-7932彈道炮,圖7為測(cè)速用天幕測(cè)速儀。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖

圖6 試驗(yàn)用彈道炮

圖7 天幕測(cè)速儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

制式彈和TC復(fù)合彈分別以832 m/s和848 m/s的速度垂直侵徹多層A3鋼靶,回收后的靶板如圖8所示,圖中左邊為TC復(fù)合彈,右邊為制式彈。

制式彈侵徹靶板的過(guò)程中,鋁制風(fēng)帽迅速磨蝕,彈芯直接作用于A3鋼板,彈芯在開坑過(guò)程中姿態(tài)發(fā)生偏轉(zhuǎn),形成不規(guī)則的入口形狀,如圖8(a)右圖所示,這個(gè)過(guò)程中鋼板對(duì)彈芯也產(chǎn)生較大磨蝕,造成了彈丸在第1層靶板上損失較大能量,嚴(yán)重影響了彈丸對(duì)后續(xù)鋼板的侵徹。

在TC復(fù)合彈開坑的過(guò)程中,由于TC彈頭的高強(qiáng)度、高硬度,TC彈頭在沖擊鋼板的瞬間彈頭破碎,完成開坑,并對(duì)鋼板產(chǎn)生巨大的沖擊壓力,在鋼板內(nèi)形成巨大的應(yīng)力波[8]。如圖8(a)左圖所示,應(yīng)力波對(duì)鋼板形成均勻的圓形損傷。這個(gè)過(guò)程中TC彈頭對(duì)彈芯形成了良好的保護(hù),保證彈芯以完好的姿態(tài)隨進(jìn)。

回收的彈芯形貌如圖9所示,由圖9可直觀地看出,TC復(fù)合彈與制式彈侵徹多層A3鋼靶后,彈芯前部均墩粗呈圓錐形,彈芯保持完整,且TC復(fù)合彈彈芯頭部作用區(qū)域小于制式彈。測(cè)量回收的彈芯,彈芯長(zhǎng)度比(侵徹后剩余彈芯長(zhǎng)度/侵徹前彈芯長(zhǎng)度):TC復(fù)合彈為66.32%,制式彈為59.07%;彈芯質(zhì)量比(侵徹后彈芯質(zhì)量/侵徹前彈芯質(zhì)量):TC復(fù)合彈為71.55%,制式彈為67.72%。這說(shuō)明TC彈頭結(jié)構(gòu)在侵徹陶瓷復(fù)合靶時(shí)對(duì)彈芯起到了保護(hù)作用,減小了對(duì)彈芯的磨蝕,保留了較長(zhǎng)的彈芯圓柱體,從實(shí)質(zhì)上提高了彈芯侵徹能量。

圖8 靶板破壞實(shí)物圖

圖9 完成侵徹后的彈芯

表1為靶板毀傷數(shù)據(jù),雖然制式彈速度稍大,TC復(fù)合彈侵徹靶板形成的彈坑比制式彈形成的彈坑略深,對(duì)鋼板毀傷面積也明顯大于制式彈,結(jié)合圖8靶板破壞形貌,可明顯看出TC復(fù)合彈對(duì)靶板毀傷效果明顯優(yōu)于制式彈。

表1 靶板毀傷數(shù)據(jù)

4 沖擊壓力理論計(jì)算

分析彈丸對(duì)靶板產(chǎn)生的沖擊波壓力值并進(jìn)行理論計(jì)算,沖擊波速度與波陣面后粒子速度的Hugoniot關(guān)系式為

vs=c+bvg

(1)

式中:vs為沖擊波波速,vg為波陣面后粒子的速度,c和b分別為材料的Hugoniot參數(shù)[9-10],見表2。

表2 材料的Hugoniot參數(shù)

彈丸以850 m/s的速度撞擊靶板時(shí),撞擊點(diǎn)處形成了一個(gè)很高的壓力區(qū),根據(jù)撞擊時(shí)的動(dòng)量守恒定律和界面上的連續(xù)條件,撞擊點(diǎn)的壓力可以表示成如下形式[11-13]:

pp=ρp(cp+bpvp)vp

(2)

pc=ρc(cc+bcvc)vc

(3)

pp=pc

(4)

式中:下標(biāo)p表示彈丸,下標(biāo)c表示靶板。其中p,v分別為沖擊壓力和質(zhì)點(diǎn)速度。而撞擊接觸面上的真實(shí)速度為

v0=vp+vc

(5)

式中:v0為彈丸的著速。

由式(3)、式(4)可得:

(6)

式中:A=ρpbp-ρcbc,B=-(2ρpbpv0+ρpcp+ρccc),C=(ρpcp+ρpbpv0)v0。

利用式(2)、式(3)和式(6)可求出彈丸撞擊陶瓷面板上的壓力。

代入數(shù)值求解:①TC復(fù)合彈撞擊鋼板時(shí)的沖擊壓力:pTC=9.62 GPa;②制式彈撞擊鋼板時(shí)的沖擊壓力:pZS=8.64 GPa。

在850 m/s的速度下,對(duì)多層A3鋼靶的瞬間沖擊壓力,TC復(fù)合彈比制式彈高出近1 GPa,對(duì)靶板的開坑、毀傷效果更好。

5 有限元模擬及結(jié)果分析

5.1 材料模型及參數(shù)

有限元分析采用ANSYS/LS-DYNA,計(jì)算模型使用Lagrange算法,有限元網(wǎng)格劃分采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元,為提高計(jì)算效率,對(duì)彈體通過(guò)的中心區(qū)域處進(jìn)行細(xì)密處理。由于侵徹過(guò)程中靶板對(duì)彈丸侵徹姿態(tài)的影響,計(jì)算采用1/2模型,在對(duì)稱面上及周邊施加約束,彈丸與靶板以及各層靶板之間都使用(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)面-面侵蝕接觸算法,彈頭與彈芯之間采用(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)面-面自由接觸算法[5]。劃分網(wǎng)格后的彈體和靶板單元如圖10所示。

圖10 有限元分析計(jì)算模型

彈芯材料為高強(qiáng)度鎢合金,這種材料在承受高速?zèng)_擊的動(dòng)力荷載條件時(shí),經(jīng)歷很大范圍的應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度和壓力。因此計(jì)算模型選用適合描述材料在高應(yīng)變率、大變形下和高溫下的相關(guān)強(qiáng)度變化的J-C模型(MAT_JOHNSON_COOK),并加上Gruneisen狀態(tài)方程共同描述;TC彈頭的計(jì)算模型選用適合描述陶瓷、玻璃等脆性物質(zhì)的破壞和損傷的本構(gòu)方程JH-2模型,即(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS),TC材料參數(shù)見表3[5]。表中,G為剪切模量,ρ為密度,K為體積模量,其余各符號(hào)均為陶瓷材料模型中特定的參數(shù)符號(hào),為DYNA軟件中的參數(shù)。A3鋼板選用Plastic-Kinematic模型,該模型適合模擬等向和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化塑性的金屬類靶板材料。彈體和靶板建模單位采用cm-g-μs。

表3 TC材料參數(shù)

5.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬,彈丸以850 m/s的初速垂直侵徹多層A3鋼靶,圖11～圖13為2種彈丸侵徹多層A3鋼靶的仿真結(jié)果對(duì)比。圖中,左圖為TC復(fù)合彈,右圖為制式彈,σ為應(yīng)力。

圖11 彈頭接觸靶板瞬間

圖12 彈芯接觸靶板瞬間

圖13 彈芯侵徹靶板過(guò)程

圖14為彈丸加速度隨時(shí)間變化曲線,圖中a為彈芯加速度,t為彈靶作用時(shí)間。圖15為彈芯殘余質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線,圖中m為彈芯的殘余質(zhì)量。

圖14 加速度-時(shí)間曲線

圖15 彈芯質(zhì)量-時(shí)間曲線

由圖11可以看出,在彈丸接觸靶板瞬間,TC復(fù)合彈對(duì)靶板產(chǎn)生的應(yīng)力明顯大于制式彈,而且制式彈彈頭在侵徹過(guò)程中迅速侵蝕。如圖12所示,制式彈彈頭侵徹過(guò)程中對(duì)靶板幾乎沒(méi)有損傷,而TC復(fù)合彈彈頭在靶板表面形成明顯的開坑。結(jié)合圖13,后續(xù)侵徹過(guò)程中,對(duì)比TC復(fù)合彈,制式彈彈芯對(duì)靶板的開坑過(guò)程中導(dǎo)致侵徹姿態(tài)明顯傾斜。從彈芯侵徹過(guò)程加速度曲線來(lái)看,如圖14所示,制式彈所受最大載荷明顯大于TC復(fù)合彈,而且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),增大了對(duì)彈芯的磨蝕。從彈芯侵蝕角度來(lái)看如圖15所示,TC復(fù)合彈和制式彈彈芯剩余質(zhì)量比分別為65%和60%,與試驗(yàn)結(jié)果非常接近。

6 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)、理論計(jì)算以及數(shù)值模擬分析方法研究了TC復(fù)合彈對(duì)多層A3鋼靶的侵徹,結(jié)果表明:

①撞擊試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究顯示,采用合適的理論模型計(jì)算,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

②TC彈頭在開坑的過(guò)程中對(duì)鋼靶產(chǎn)生的沖擊壓力更大,開坑效果更好,且對(duì)彈丸的姿態(tài)影響較小。

③TC彈頭結(jié)構(gòu)在侵徹多層A3鋼靶時(shí)對(duì)彈芯起到了保護(hù)作用,減小了對(duì)彈芯的磨蝕,保留了較長(zhǎng)的彈芯圓柱體,從實(shí)質(zhì)上提高了彈芯侵徹能量。

[1] 鄧云飛,孟凡柱,李劍鋒,等.Q235鋼板對(duì)半球形頭彈抗侵徹特性[J].爆炸與沖擊,2015,35(3):386-392. DENG Yun-fei,MENG Fan-zhu,LI Jian-feng,et al.The ballistic performance of Q235 metal plates subjected to impact by hemispherically-nosed projectiles[J].Explosion and Shock Waves,2015,35(3):386-392.(in Chinese)

[2] 李杰.Q235鋼板單層板抗侵徹特性數(shù)值模擬研究[J].湘南學(xué)院學(xué)報(bào),2015,36(2):14-17. LI Jie.An numeric simulation research on the anti-penetration characteristic of steel Q235 mono-layer[J].Journal of Xiangnan University,2015,36(2):14-17.(in Chinese)

[3] 李守蒼,劉煒,陳智剛,等.ZrO2陶瓷件高速撞擊動(dòng)態(tài)性能的研究[J].人工晶體學(xué)報(bào),2009,38(增刊):363-365. LI Shou-cang,LIU Wei,CHEN Zhigang,et al.Research on dynamic property of ZrO2under high-speed strike[J].Journal of Synthetic Crystals,2009,38(S):363-365.(in Chinese)

[4] 付建平,楊金龍,印立魁,等.氧化鋯陶瓷子彈的高速?zèng)_擊動(dòng)態(tài)性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2016,44(2):346-352. FU Jian-ping,YANG Jin-long,YIN Li-kui,et al.Dynamic properties of zirconia ceramic bullets under high-speed impact[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2016,44(2):346-352.(in Chinese)

[5] 胡迪奇,王堅(jiān)茹,陳智剛,等.TC復(fù)合彈侵徹陶瓷復(fù)合靶的試驗(yàn)與仿真分析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2016,39(4):101-105. HU Di-qi,WANG Jian-ru,CHEN Zhi-gang,et al.Test and simulation analysis of TC composite projectile penetrating ceramic targets[J].Ordnance Material Science and Engineering,2016,39(4):101-105.(in Chinese)

[6] 黃勇,汪長(zhǎng)安.高性能多相復(fù)合陶瓷[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:13-28. HUANG Yong,WANG Chang-an.High performance multiphase composite ceramics[M].Beijing:Tsinghua University Press,2008:13-28.(in Chinese)

[7] 益小蘇,杜善義,張立同.中國(guó)材料工程大典[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:9-80. YI Xiao-su,DU Shan-yi,ZHANG Li-tong.China materials engineering canon[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005:9-80.(in Chinese)

[8] 王禮力.應(yīng)力波基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010:60-132. WANG Li-li.Foundation of stress waves[M].Beijing:National Defense Industry Press,2010:60-132.(in Chinese)

[9] 唐錄成.平面沖擊加載下A95陶瓷動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2009. TANG Lu-cheng.Study on dynamic behavior of A95 alumina ceramics under plane shock loading[D].Chongqing:Chongqing University,2009.(in Chinese)

[10] 馬曉青.沖擊動(dòng)力學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1992:132-172. MA Xiao-qing.Impact dynamics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1992:132-172.(in Chinese)

[11] 經(jīng)福謙.實(shí)驗(yàn)物態(tài)方程引導(dǎo)(第2版)[M].北京:科學(xué)出版社,1999:56-175. JING Fu-qian.Experimental equation of state(2th ed)[M].Beijing:Science Press,1999:56-175.(in Chinese)

[12] 譚華.實(shí)驗(yàn)沖擊波物理引導(dǎo)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007:15-67 TAN Hua.Introduction to experimental shock-wave physics[M].Beijing:National Defense Industry Press,2007:15-67.(in Chinese)

[13] 李大紅,王悟.陶瓷物態(tài)方程試驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),1993,7(3):226-231. LI Da-hong,WANG Wu.A study of the equation of state of alumina ceramics[J].Journal of High Pressure Physics.1993,7(3):226-231.(in Chinese)

Simulation and Experimental Investigation on Armor-piecing Performance of TC Composite Projectile to Multilayer A3 Steel Plates Targets

HU Di-qi1,WANG Jian-ru1,CHEN Zhi-gang1,YI Rong-cheng1,LU Cheng-hua2

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Changzhou Sanyou Sissan Protective Materials MFG Co.Ltd,Changzhou 213100,China)

In order to improve the penetration power of projectile,the armor-piercing performance of 30mm projectile with a toughened TC warhead to the multilayer A3 steel plates targets was experimentally researched under DOP method,and the projectile was compared to the standard projectile.The impact-dynamic formula was applied,and the sudden impact pressure of ceramic plates shocked by TC composite projectiles and the standard projectiles was calculated and compared.The effects of warhead structures and materials on armor-piercing performance to the multilayer A3 steel plates targets were analyzed and compared.Under the same conditions,the aperture,the depth of perforation and the residual mass of bullet core on the armor plates of TC composite projectiles were compared with those of the standard projectiles.The penetration process was simulated by ANSYS/LS-DYNA,and the simulation results were compared with the test results.Combined with the simulation results,the penetration performance was further analyzed in terms of the leaving velocity and the residual mass of bullet core.The results show that the TC warhead has a great effect on the protection of bullet core,and the study offers a foundation for ceramic applied in other warheads.

impact dynamics;penetration;ceramic;steel plate;numerical simulation

2016-06-15

胡迪奇(1991- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)閺椝帤皻刂啤-mail:251876971@qq.com。

TJ413.2

A

1004-499X(2017)01-0073-06