鎢球及六棱鎢柱破片侵徹Q235疊層靶特性研究

李金福，智小琦，范興華

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

破片殺傷戰(zhàn)斗部是現(xiàn)役戰(zhàn)斗部的主要類型之一，主要用于地空導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、反彈道導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等導(dǎo)彈中。破片戰(zhàn)斗部依靠高能炸藥作用所產(chǎn)生的爆轟波驅(qū)動破片高速撞擊、引燃和引爆等作用毀傷目標(biāo)[1]，可以用于殺傷有生力量、輕型裝甲車輛、導(dǎo)彈以及武裝直升機(jī)等目標(biāo)[2-3]。常用的破片形狀有柱狀、立方體、菱形以及球形等。由于球形破片具有良好的存速能力[4]，六棱柱破片具有在有限空間排列密集、數(shù)量多以及作用效果好等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此這兩種破片被廣泛應(yīng)用于殺傷戰(zhàn)斗部中。

在防護(hù)領(lǐng)域中，合金鋼是應(yīng)用最廣泛的材料之一。傳統(tǒng)的防護(hù)通常由單層金屬靶組成。然而，較大厚度的金屬靶板制造起來較為困難，因此多層結(jié)構(gòu)靶板在科學(xué)研究和工程實(shí)踐中被提出和使用[6]。雖然有許多涉及多層靶的彈道行為的報(bào)道，但與單層靶的研究相比，它們的研究范圍有限[7-9]。

球形破片與六棱柱破片都被廣泛應(yīng)用于破片殺傷戰(zhàn)斗部中，然而關(guān)于它們之間侵徹效能的對比幾乎沒有報(bào)道。因此，筆者以鎢球及六棱鎢柱破片為研究對象，采用試驗(yàn)和ANSYS/LS-DYNA仿真相結(jié)合的方法研究兩種形狀破片侵徹總厚度相等的單層靶和雙層靶的彈道極限及其變化規(guī)律。得出破片變化對侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶的影響及其規(guī)律。這對于戰(zhàn)斗部威力設(shè)計(jì)、防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都具有重要意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

槍擊試驗(yàn)所用裝置主要包括：12.7 mm標(biāo)準(zhǔn)彈道槍；質(zhì)量為8.05 g、直徑為9.4 mm的鎢球及與之相適應(yīng)的彈托；質(zhì)量為12 g、尺寸為內(nèi)切圓Φ9 mm×9.5 mm的六棱鎢柱(長徑比為1.06)及與之相適應(yīng)的彈托；NLG202-Z型六路測速儀(微秒計(jì)時(shí))；通斷測速靶。圖1給出了試驗(yàn)裝置布置的示意圖。

靶板材料為Q235鋼，靶板的微量元素組成成分如表1所示。

表1 Q235靶板的微量元素組成

靶板分為單層靶板與雙層靶板，總厚度均為9.4 mm，尺寸均為500 mm×500 mm.靶板排列方式為9.4 mm單層靶、5.8 mm+3.6 mm雙層靶、3.6 mm+5.8 mm雙層靶3種規(guī)格，其中雙層靶通過8個(gè)Φ10 mm的螺栓將兩層靶板緊緊疊合在一起。為避免靶板邊界效應(yīng)的影響，靶板的自由跨度(破片侵徹靶板的范圍)為以靶板中心為中心300 mm×300 mm的范圍。

球形破片以及六棱柱破片的材料均為鎢合金，鎢球及六棱鎢柱的實(shí)物如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鎢球破片的試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2為鎢球侵徹9.4 mm單層靶、5.8 mm+3.6 mm雙層靶和3.6 mm+5.8 mm雙層靶的試驗(yàn)結(jié)果。其中，vi為靶前速度，vr為靶后速度。

表2 鎢球破片侵徹Q235靶的試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

利用R-I[10]公式，見式(1)，可得到鎢球侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶的彈道極限速度。

(1)

式中：v50為破片侵徹靶板的彈道極限速度；a為待定系數(shù)，a=mp/(mp+mp1)，mp、mp1分別為破片及沖塞質(zhì)量。a和v50可通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法擬合獲得。

表3給出了依據(jù)式(1)擬合得到的鎢球侵徹靶板的彈道極限速度v50.由于通過試驗(yàn)中鎢球以586.4 m/s的初始速度貫穿9.4 mm單層靶后的剩余速度為0 m/s，因此，可以認(rèn)為鎢球侵徹9.4 mm單層靶的彈道極限速度為586.4 m/s.

表3 擬合得到的鎢球破片侵徹靶板的彈道極限速度

圖3給出了由試驗(yàn)得到的鎢球破片侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶的初始-剩余速度曲線。

由圖3可以看出，鎢球侵徹9.4 mm、5.8 mm+3.6 mm、3.6 mm+5.8 mm靶板時(shí)的彈道極限速度非常相近。這表明，同厚度不同結(jié)構(gòu)的Q235靶在彈道極限速度附近的抗彈性能幾乎相同。但隨著破片初始速度的增加，破片貫穿靶板后的剩余速度開始發(fā)生變化。這表明，靶板抗破片侵徹的能力與破片初始速度有關(guān)。

2.2 六棱鎢柱破片的試驗(yàn)結(jié)果及分析

表4為六棱鎢柱侵徹9.4 mm單層靶、5.8 mm+3.6 mm雙層靶和3.6 mm+5.8 mm雙層靶的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 六棱鎢柱破片侵徹Q235靶的試驗(yàn)結(jié)果

通過表4可以看出，六棱鎢柱破片侵徹9.4 mm單層靶的彈道極限速度在503.0～566.0 m/s之間；侵徹5.8 mm+3.6 mm雙層靶的彈道極限速度在580.0～641.0 m/s之間；侵徹3.6 mm+5.8 mm雙層靶的彈道極限速度在642.7 m/s左右。

表5給出了通過R-I公式得到的六棱鎢柱侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶的彈道極限速度。

表5 擬合得到的六棱鎢柱破片侵徹靶板的彈道極限速度

從表5中可以看出，通過R-I公式得到的六棱鎢柱侵徹3.6 mm+5.8 mm單層靶的彈道極限速度為642.0 m/s，這與試驗(yàn)得到的642.7 m/s幾乎相等。因此可以取R-I公式擬合得到的642.0 m/s為破片侵徹3.6 mm+5.8 mm雙層靶的彈道極限速度。六棱鎢柱侵徹單層靶的彈道極限速度低于侵徹等厚度雙層靶的彈道極限速度，且分層靶的不同組合對彈道極限速度影響很小。因此，就六棱柱破片而言，靶板分層可以提高抗侵徹性能。

六棱鎢柱破片在飛行時(shí)，由于空氣阻力以及阻力矩的作用，會在空氣中翻滾，從而導(dǎo)致著靶姿態(tài)隨機(jī)變化。破片迎風(fēng)面積不同，導(dǎo)致侵徹靶板時(shí)的彈道極限速度不同，即理論上講六棱柱破片的彈道極限速度是一個(gè)范圍。由于破片著靶姿態(tài)與破片的迎風(fēng)面積相對應(yīng)，因此，先對六棱柱破片不同角度侵徹鋼靶時(shí)的迎風(fēng)面積進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)S為破片迎風(fēng)面積，即破片撞擊靶板時(shí)沿速度方向在靶板上的投影面積；d為破片正六邊形邊長；h為破片高度；θ為破片軸線所在最大截面與Q235鋼靶平面法線方向的夾角，取值范圍為0°～90°，如圖4所示。

六棱柱破片迎風(fēng)面積計(jì)算公式為

(2)

對式(2)進(jìn)行求導(dǎo)得

(3)

從圖5中可以看出，對于長徑比為1.06的六棱鎢柱破片，最大迎風(fēng)面積為夾角θ=54.6°時(shí)。

由于六棱鎢柱破片著靶姿態(tài)具有隨機(jī)性，很難通過試驗(yàn)來進(jìn)行這方面的研究，因此將利用數(shù)值仿真方法進(jìn)一步研究六棱鎢柱著靶姿態(tài)對其彈道極限速度的影響。

3 基于試驗(yàn)的數(shù)值仿真研究

3.1 仿真模型

使用UG[11]及Hypermesh[12]軟件建立數(shù)值仿真有限元模型。由于破片侵徹Q235靶為軸對稱問題，為了能夠較好地觀察破片侵徹靶板的過程，盡量減少計(jì)算的工作量，模型采用二分之一模型，如圖6所示。破片-靶板接觸的中心區(qū)域的網(wǎng)格密度為0.5 mm×0.5 mm，非中心區(qū)域的網(wǎng)格密度為1.0 mm×1.0 mm.所建立的模型中，破片尺寸、質(zhì)量與試驗(yàn)所用的完全相同。靶板的尺寸為200 mm×150 mm，總厚為9.4 mm，材料為Q235鋼。由于破片尺寸與靶板的尺寸相比小得多，在破片侵徹靶板過程中靶板遠(yuǎn)端受到破片的作用很小，所以可以認(rèn)為是無限域，因而對靶板施加非反射邊界條件。

3.2 材料模型與參數(shù)

破片侵徹靶板的過程伴隨著高溫、高應(yīng)變率以及應(yīng)力波現(xiàn)象的發(fā)生。對于高溫和高應(yīng)變率問題，常使用Johnson-Cook本構(gòu)模型進(jìn)行描述。對于涉及應(yīng)力波的現(xiàn)象，可用GRUNEISEN狀態(tài)方程來表征。且破片侵徹靶板時(shí)靶板有質(zhì)量損失，所以破片和靶板選用Johnson-Cook本構(gòu)模型結(jié)合GRUNEI-SEN狀態(tài)方程描述其力學(xué)行為。靶板的數(shù)值模擬參數(shù)參考文獻(xiàn)[13-14]，破片的數(shù)值模擬參數(shù)參考文獻(xiàn)[15]。鎢合金破片及Q235鋼所采用的主要材料JC模型參數(shù)見表6～7.表中ρ為密度，G為剪切模量，A為初始屈服強(qiáng)度，B為應(yīng)變硬化模量，n為硬化指數(shù)，c為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，m為熱軟化指數(shù)，TM為材料的熔化溫度，TR為室溫，D1～D5為材料的失效參數(shù)。

3.3 鎢球仿真結(jié)果對比

表8給出了數(shù)值模擬得到的鎢球侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶板的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比。

表8 鎢球破片侵徹Q235靶數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

從表8中可以看出，數(shù)值模擬所得到數(shù)據(jù)與試驗(yàn)所得到數(shù)據(jù)的相對誤差在5%以內(nèi)，二者吻合程度較高，數(shù)值模擬參數(shù)可信。

3.4 六棱鎢柱仿真結(jié)果對比

由于六棱柱破片撞擊靶板時(shí)姿態(tài)不盡相同，因此取θ分別為0°、54.6°、90°來進(jìn)行仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對比。六棱鎢柱侵徹Q235靶板的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比如表9所示。

表9 六棱柱破片侵徹Q235靶數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比

從表9中可以看出，數(shù)值模擬所得到數(shù)據(jù)與試驗(yàn)所得到數(shù)據(jù)的相對誤差在8%以內(nèi)，二者吻合程度較高，數(shù)值模擬參數(shù)可信。

圖7給出了仿真得到的六棱鎢柱3種不同角度情況下侵徹3種不同結(jié)構(gòu)靶板的角度-彈道極限速度曲線。從圖7中可以看出，六棱鎢柱侵徹Q235靶的彈道極限速度與鎢柱侵徹角度即著靶姿態(tài)有關(guān)，迎風(fēng)面積越大，其彈道極限速度越大。當(dāng)六棱鎢柱以不同侵角侵徹雙層靶時(shí)，破片的彈道極限速度變化較為平緩。侵徹單層靶時(shí)，破片的彈道極限速度變化較為明顯。且從曲線可以看出，靶板分層后抗侵徹能力比單層靶有所提高，其中3.6 mm+5.8 mm靶的抗彈性比5.8 mm+3.6 mm靶稍好。

4 破片質(zhì)量對侵徹性能的影響

由于試驗(yàn)所用的鎢球及六棱鎢柱破片侵徹時(shí)的質(zhì)量不同。為了研究破片質(zhì)量對破片侵徹性能的影響，因此利用LS-DYNA仿真軟件對同質(zhì)量鎢球及六棱鎢柱破片侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

由于六棱鎢柱會以不同的角度撞擊靶板，而破片以θ=0°時(shí)侵徹靶板彈道極限速度最小，此著靶姿態(tài)下最容易穿透靶板。若同質(zhì)量下鎢球破片的彈道極限速度小于六棱鎢柱破片以θ=0°侵徹相同結(jié)構(gòu)靶板的彈道極限速度，則說明球形破片侵徹靶板的能力高于六棱柱破片。因此，數(shù)值模擬六棱鎢柱侵徹靶板時(shí)取θ=0°.

通過數(shù)值模擬，得到不同質(zhì)量鎢球和六棱鎢柱侵徹靶板的數(shù)值模擬結(jié)果，如表10所示。其中，六棱柱破片的長徑比不變，均為1.06.

表10 數(shù)值模擬得到的鎢球及六棱鎢柱破片侵徹靶體的彈道極限速度

續(xù)表10

圖8給出了不同結(jié)構(gòu)靶板的彈道極限速度與破片質(zhì)量的關(guān)系。

從圖8中可以看出，隨著破片質(zhì)量的增加，鎢球破片和六棱鎢柱破侵徹不同結(jié)構(gòu)靶板的彈道極限速度逐漸降低。不同破片侵徹靶板時(shí)，六棱柱破片的速度變化比鎢球破片的速度變化大，這表明了鎢球破片具有比六棱柱破片更好的存速性。

隨著破片質(zhì)量的不斷增大，破片侵徹靶板的彈道極限速度的減小程度也逐漸變緩，破片質(zhì)量對其侵徹靶板的彈道極限速度影響減弱。這表明，在破片質(zhì)量的一定范圍內(nèi)，破片質(zhì)量變化對其侵徹性能影響較大，當(dāng)破片質(zhì)量超過一定范圍時(shí)，破片質(zhì)量變化對其侵徹性能的影響較?。磺移破|(zhì)量越大，靶板分層對破片的抗侵徹性能越弱。

在相同質(zhì)量情況下，鎢球破片侵徹靶板的彈道極限速度低于六棱柱破片。這表明，鎢球破片比六棱鎢柱破片更容易貫穿靶板，即靶板對鎢球破片的抗侵徹能力弱于抗六棱鎢柱破片的侵徹能力。鎢球破片侵徹不同結(jié)構(gòu)靶板時(shí)的彈道極限速度差別較小，六棱鎢柱破片侵徹雙層靶的彈道極限速度則遠(yuǎn)高于侵徹單層靶時(shí)的彈道極限速度。這表明，相對于疊層靶來說，疊層靶抗六棱柱破片侵徹的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同厚度單層靶。

5 結(jié)論

1)通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法，得到了質(zhì)量相同鎢球和六棱鎢柱破片侵徹不同結(jié)構(gòu)Q235靶的彈道極限速度，結(jié)果表明破片侵徹靶板的性能與破片形狀、破片侵徹速度、靶板分層方式以及破片質(zhì)量均有關(guān)。當(dāng)破片質(zhì)量相同時(shí)，球形破片侵徹靶板的能力高于六棱柱破片；且破片形狀與侵徹速度不同時(shí)，靶板抗彈性能的規(guī)律與趨勢也不同。

2)靶板分層時(shí)，著靶姿態(tài)對長徑比為1.06的六棱柱破片的彈道極限速度的影響小于侵徹等厚度單層靶時(shí)著靶姿態(tài)的影響。

3)在相同質(zhì)量的情況下，球形破片侵徹靶板的能力高于六棱柱破片侵徹靶板的能力。疊層靶抗六棱柱破片的侵徹能力遠(yuǎn)高于單層靶的抗侵徹能力。