小質(zhì)量鎢球侵徹凱夫拉極限穿透速度研究*

王 帥,智小琦,范興華,徐錦波

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051； 2 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 太原 030027)

0 引言

破片戰(zhàn)斗部是戰(zhàn)斗部的主要類型之一,廣泛應(yīng)用在軍事領(lǐng)域[1]。鎢球破片的毀傷性能的相關(guān)報(bào)道已有一些,周平等對Φ6 mm鎢球侵徹鋁合金板的彈道極限進(jìn)行了研究[2]；徐豫新等對Φ6 mm(93W)、Φ7 mm(93W)、Φ6 mm(95W)、Φ7.5 mm(95W)四種鎢球正撞擊下低碳鋼板的極限穿透厚度進(jìn)行了研究[3]；賈光輝等對Φ5.86 mm、Φ6.83 mm、Φ7.51mm鎢球侵徹薄靶板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[4]。以上鎢球破片的質(zhì)量均在1 g以上,而對小質(zhì)量鎢球尤其是質(zhì)量小于0.35 g的鎢球侵徹靶板的極限穿透速度的研究很少。單兵作戰(zhàn)武器要求機(jī)動性好、體積小,故在單兵戰(zhàn)斗部上采用小質(zhì)量鎢球破片對提高戰(zhàn)斗部射程、威力有著極其重要的作用[5]。

文中采用實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值仿真方法研究不同質(zhì)量鎢球侵徹Ⅲ、Ⅳ級凱夫拉和2 mm厚LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度,得到鎢球的極限穿透速度隨鎢球質(zhì)量變化的規(guī)律,根據(jù)此規(guī)律及綜合考慮單兵作戰(zhàn)武器的性能特點(diǎn)和戰(zhàn)技要求,得出單兵作戰(zhàn)武器戰(zhàn)斗部的較優(yōu)破片質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

鎢球破片質(zhì)量為0.16 g(Φ2.8 mm)；靶板為Ⅲ級凱夫拉、Ⅳ級凱夫拉及LY12CZ硬鋁板；發(fā)射裝置為12.7 mm滑膛彈道槍；測速裝置為NGL202-Z型測速儀,μs計(jì)時,利用通斷靶測試小質(zhì)量鎢球靶前或靶后的速度,并記錄侵徹狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 鎢球及彈托

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉

鎢球破片質(zhì)量為0.16 g,直徑為Φ2.8 mm,用Ⅲ級凱夫拉作靶板,并測試靶前和靶后速度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知：鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉極限穿透速度在725.3 ～732.7 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為7.4 m/s,故取平均值[6],則鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉極限穿透速度為729 m/s,侵徹狀態(tài)如圖3所示。

圖3 鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉實(shí)驗(yàn)圖

1.2.2 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉

鎢球破片質(zhì)量為0.16 g,直徑Φ2.8 mm,用Ⅳ級凱夫拉作靶板,由于防彈頭盔形狀的限制無法測到靶后速度,測得靶前速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知：鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉極限穿透速度在741.0～751.4 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為10.4 m/s,故取平均值,則鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉極限穿透速度為746.2 m/s,侵徹狀態(tài)如圖4所示。

圖4 鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉實(shí)驗(yàn)圖

1.2.3 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板

鎢球破片質(zhì)量為0.16 g,直徑Φ2.8 mm,用LY12CZ硬鋁板作靶板,并測試靶前和靶后速度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知：鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板極限穿透速度在377.5～381.1 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為3.6 m/s,故取平均值,則鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板極限穿透速度為379.3 m/s,侵徹狀態(tài)如圖5所示。

德·瑪爾公式[7]是用來計(jì)算等效靶板的常用公式,其表達(dá)式為：

(1)

式中：V50為極限穿透速度(m/s)；d為鎢球直徑(dm)；h為靶板厚度 (dm)；q為鎢球質(zhì)量(kg)；K為復(fù)合穿甲系數(shù)。

圖5 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實(shí)驗(yàn)圖

利用式(1)和0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實(shí)驗(yàn)得到k=1 318,可得鎢球侵徹LY12CZ硬鋁靶板的彈道極限公式為：

(2)

根據(jù)式(2)則可計(jì)算出Ⅲ級凱夫拉的當(dāng)量LY 12CZ硬鋁板厚度為4.78 mm；Ⅳ級凱夫拉的當(dāng)量LY12CZ硬鋁板厚度為4.93 mm。

2 不同小質(zhì)量鎢球?qū)Y12CZ硬鋁板侵徹?cái)?shù)值仿真

取質(zhì)量分別為0.16 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g,對應(yīng)直徑分別為Φ2.8 mm、Φ3 mm、Φ3.2 mm、Φ3.5 mm和Φ3.65 mm的鎢球?qū)Y12CZ硬鋁板進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算,靶板規(guī)格為40 mm×40 mm×2 mm。由于凱夫拉的精確參數(shù)難以獲得,故用比動能不變原理求出它們在上述質(zhì)量鎢球下的極限穿透速度并研究極限穿透速度隨鎢球質(zhì)量的變化規(guī)律,進(jìn)而得到單兵作戰(zhàn)武器的較優(yōu)質(zhì)量破片,對單兵破片戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。

2.1 有限元模型建立

數(shù)值仿真采用有限元分析軟件LS-DYNA,單位制為cm-g-μs,算法為Lagrange算法。在三維侵徹問題中,SOLID六面體實(shí)體單元是進(jìn)行網(wǎng)格劃分的首選,本研究對小鎢球破片和LY12CZ硬鋁板采用SOLID六面體實(shí)體單元,對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,密集處網(wǎng)格尺寸為0.25 mm,稀疏處網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。為了簡化運(yùn)算,根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性,考慮到計(jì)算的時間和周期,建立四分之一有限元模型[8],對稱面采用對稱邊界條件,邊界面采用非反射邊界條件,如圖6所示。

2.2 材料模型的確定

將小鎢球作為剛體,選擇*MAT_RIGID材料模型；LY12CZ硬鋁靶板選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數(shù)如表4所示。

圖6 有限元模型

表4 數(shù)值仿真材料模型參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真

表5為鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真結(jié)果,圖7為速度380 m/s 時0.16 g鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板過程。

表5 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真結(jié)果

圖7 鎢球以380 m/s的速度侵徹LY12CZ硬鋁板過程

由表5可知：鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板時,靶前速度小于等于379.5 m/s時仿真結(jié)果均為嵌入；靶前速度大于等于380.5 m/s時仿真結(jié)果均為穿透；靶前速為380 m/s時仿真結(jié)果均為即將穿透,再結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在允許的誤差范圍之內(nèi)可以認(rèn)為0.16 g鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度為380 m/s,可見數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合,材料參數(shù)可靠。

2.3.2 其他不同質(zhì)量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真

表6為不同質(zhì)量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真結(jié)果。

表6 不同質(zhì)量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數(shù)值仿真結(jié)果

根據(jù)比動能不變原理[9],可以計(jì)算出Ⅲ級凱夫拉在0.2 g、0.25 g、0. 3 g和0.35 g鎢球侵徹時的極限穿透速度分別為698.6 m/s、687.3 m/s、665.5 m/s和642.5 m/s；Ⅳ級凱夫拉在0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g鎢球侵徹時的極限穿透速度分別為715.1 m/s、703.6 m/s、681.2 m/s和657.7 m/s。不同質(zhì)量鎢球侵徹不同靶板極限穿透速度隨質(zhì)量變化規(guī)律的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 鎢球侵徹靶板極限穿透速度與質(zhì)量的關(guān)系

通過圖8鎢球侵徹靶板極限穿透速度與質(zhì)量的關(guān)系曲線可以看出不同質(zhì)量的鎢球分別侵徹LY12CZ硬鋁板、Ⅲ級凱夫拉和Ⅳ級凱夫拉的極限穿透速度與鎢球質(zhì)量成負(fù)相關(guān),且當(dāng)質(zhì)量在0.2～0.25 g范圍內(nèi)時極限穿透速度相對于其他范圍變化比較緩慢,綜合考慮單位體積內(nèi)的破片個數(shù)和單兵作戰(zhàn)武器的戰(zhàn)技要求,單兵作戰(zhàn)武器破片戰(zhàn)斗部破片應(yīng)該選取0.2～0.25 g的鎢球。

3 結(jié)論

1)0.16 g鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉、Ⅳ級凱夫拉和2 mm厚的LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度分別為729 m/s,746.2 m/s和379.3 m/s；

2)Ⅲ級凱夫拉的當(dāng)量LY2CZ硬鋁板厚度為4.78 mm；Ⅳ級凱夫拉的當(dāng)量LY12CZ硬鋁板厚度為4.93 mm；

3)同一靶板的極限穿透速度與鎢球質(zhì)量成負(fù)相關(guān),考慮單位體積內(nèi)的破片個數(shù)和單兵作戰(zhàn)武器的戰(zhàn)技要求,單兵作戰(zhàn)武器戰(zhàn)斗部破片取0.2～0.25 g的鎢球最為合適。