游毓聰,沈培輝,杜文革,邱從禮,吳群彪

(1 中國華陰兵器試驗中心, 陜西華陰 714200; 2 南京理工大學(xué), 南京 210094)

厚均質(zhì)靶板在抗穿甲過程中的傾角效應(yīng)研究*

游毓聰1,沈培輝2,杜文革1,邱從禮1,吳群彪2

(1 中國華陰兵器試驗中心, 陜西華陰 714200; 2 南京理工大學(xué), 南京 210094)

文中針對厚均質(zhì)靶板在抗穿甲過程中的傾角效應(yīng)展開研究,選擇29.6°/400 mm的均質(zhì)靶板進行了實彈射擊試驗,并建立仿真模型。利用ANSYS/LS-DYNA有限元對不同傾角條件下的均質(zhì)靶板抗穿甲過程進行了數(shù)值模擬,得出垂直穿深相同條件下,均質(zhì)靶板的傾角效應(yīng)在抗穿甲過程中的影響。這些結(jié)論對指導(dǎo)今后武器裝備試驗具有實際意義。

傾角效應(yīng);均質(zhì)靶板;侵徹;垂直穿深

0 引言

在進行坦克裝甲車輛的裝甲防護設(shè)計時,利用傾角效應(yīng)可以提高裝甲鋼的防護能力。然而,在進行穿甲試驗時,對其穿甲能力的評判經(jīng)常依據(jù)垂直穿深進行,如某2代穿甲彈的垂直穿深為460 mm,但國內(nèi)外均質(zhì)靶板規(guī)格不能滿足該厚度要求,此時往往通過將靶板斜置的方式來實現(xiàn)等效垂直穿深。對于要求的垂直穿深460 mm靶板,當已有的靶板厚度為400 mm,那么靶板法向角θ滿足:

460=400/cosθ

則:θ=29.6°

以往人們對穿甲過程的研究都是在大量試驗基礎(chǔ)上,再聯(lián)合一些經(jīng)驗公式,如莫林、德馬爾、海利公式等,這些經(jīng)驗公式對預(yù)測彈體侵徹能力和靶板的防護能力都有較大實用價值,但這些公式的推導(dǎo)計算量大且無法反映中間參數(shù)的變化以及全過程的物理本質(zhì),對于穿甲彈侵徹傾斜靶板的研究也存在局限性[1-2]。文中在實彈射擊的基礎(chǔ)上,建立了穿甲彈侵徹垂直及傾斜的厚靶板模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元對不同傾角條件下的均質(zhì)靶板進行了數(shù)值模擬,并比較不同傾角靶板的抗穿甲能力。

1 實彈射擊試驗

試驗用105 mm坦克炮對29.6°/400 mm均質(zhì)靶板射擊(等效垂直靶板460 mm)某105 mm穿甲彈,靶前布設(shè)章動靶,著靶速度通過天幕靶測試。

依據(jù)蘭利法,得出該穿甲彈對29.6°/400 mm均質(zhì)靶板射擊的臨界穿透速度v50=1 470 m/s。試驗圖片如圖1和圖2所示。

文中在此實彈射擊的基礎(chǔ)上,建立仿真模型。

2 模型的建立

由于斜置靶板厚度小于垂直靶板,其靶板背面的邊界效應(yīng)相比垂直靶板更為明顯。另外彈丸侵徹斜置靶板時,彈丸將受到不均勻的靶板抗力,由此導(dǎo)致彈丸在靶板內(nèi)部的行程非直線性。這些穿甲過程涉及高壓、高溫、高速,以及結(jié)構(gòu)內(nèi)的部分材料的破壞,如沖塞、侵徹、層裂、崩落、濺飛等不同的復(fù)雜形式[3]。因此,對彈丸侵徹過程的分析成為沖擊動力學(xué)研究的難點之一。下面通過數(shù)值模擬研究傾角效應(yīng)在抗穿甲過程中的影響。

圖1 彈丸未穿透靶板正面與背面圖

圖2 彈丸穿透靶板正面與背面圖

2.1 均質(zhì)靶板材料模型

彈丸飛行體(鎢合金)及均質(zhì)靶板(合金鋼)材料都采用Johnson-Cook材料本構(gòu)模型,該模型是描述材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)關(guān)系,適用于大部分金屬材料。Johnson-Cook的材料屈服應(yīng)力為[4]:

斷裂破壞時的應(yīng)變:

2.2 仿真模型

根據(jù)試驗中105 mm穿甲彈飛行體尺寸建立彈體模型,為簡化計算,在保證相同質(zhì)量前提下仿真模型中不考慮桿體上的嚙合齒,建立穿甲彈飛行體的有限元模型如圖3所示。

圖3 穿甲彈飛行體有限元模型

由于穿甲彈侵徹靶板是軸對稱問題,可將彈靶模型建為二分之一模型,圖4為穿甲彈侵徹29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型。

圖4 穿甲彈侵徹29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型

2.3 材料參數(shù)

穿甲彈的彈體材料是93W,彈-靶都采用Johnson-Cook強度模型,彈體材料參數(shù)[5]如表1所示。

表1 93W的材料參數(shù)

均質(zhì)靶板材料為合金鋼,通過力學(xué)性能檢測,得出試驗中的均質(zhì)靶板屈服強度為812 MPa。由射擊試驗得出長桿彈侵徹29.6°/400 mm均質(zhì)靶板的臨界穿透速度v50為1 470 m/s,得出B值為297 MPa。均質(zhì)靶板的材料參數(shù)如表2所示。

表2 均質(zhì)靶板的材料參數(shù)

3 仿真計算

按照試驗條件,穿甲彈著靶速度設(shè)置為1 470 m/s,在以上模型的基礎(chǔ)上,分別對垂直穿深460 mm的460 mm/0°、400 mm/29.6°、325 mm/45°、230 mm/60°、150 mm/71°五種靶板進行射擊,得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 穿甲彈侵徹五種靶板的仿真結(jié)果比較圖

從仿真結(jié)果得出,穿甲彈在著靶速度1 470 m/s情況下穿透了150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°靶板,未能穿透400 mm/29.6°斜置和460 mm/0°垂直放置的靶板。

針對穿透情況,可以通過比較彈丸穿透靶板后的剩余速度,從而得出不同傾斜角度的均質(zhì)靶板抗穿甲性能。圖6是穿甲彈穿透150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°三種靶板時的速度變化曲線。

圖6 穿甲彈穿透三種靶板時的速度變化圖

上圖中,穿甲彈穿透斜置靶板后的剩余速度按傾角由大到小順序分別為873 m/s、853 m/s和895 m/s?？梢钥闯鲩L桿彈穿透3種等效厚度相同的斜置靶板的剩余速度相差不大,其中325 mm/45°斜置靶板剩余速度略微偏大可能是由于其等效厚度為459.6 mm,略低于460 mm?？偨Y(jié)上述3組穿透條件的仿真結(jié)果,可以得出長桿彈能夠穿透靶板的情況下,只要靶板等效厚度相同,傾角大小對靶板抗穿甲能力的影響不大。

針對未穿透的情況,由于剩余速度為0,則通過比較靶板背部的鼓包情況,從而得出未穿透情況下不同均質(zhì)靶板的抗穿甲性能。圖7為穿甲彈未穿透400 mm/29.6°和460 mm/0°靶板背面鼓包圖。

圖7 未能穿透靶板的靶背單元

從圖7可以得出,400 mm/29.6°靶板上的單元位移為18 mm,460 mm/0°靶板上的單元位移為11.7 mm。由此可知,在垂直穿深相同的條件下,垂直放置靶板的抗穿甲能力最強。

綜合比較150 mm/71°、230 mm/60°、325mm/45°、400 mm/29.6°、460 mm/0°這五種靶板狀況,當靶板的斜置角度超過45°時,105 mm穿甲彈穿透靶板,且彈丸的剩余速度相差不大,表明當傾斜角度超過一定角度,在垂直穿深相同的條件下,靶板抗穿甲性能相當。而當靶板傾斜角度較小時,105 mm穿甲彈未能穿透靶板,從靶后的鼓包得出小傾斜角度靶板抗穿甲性能相當。

4 結(jié)論

1)在垂直穿深相同的條件下,對于厚均質(zhì)靶板,垂直放置條件下的抗穿甲能力最強,隨著靶板法向角的增大,其抗穿甲能力降低。

2)在垂直穿深相同條件下,當彈丸穿透法向角不同的均質(zhì)靶板時,其彈體剩余速度接近。針對垂直穿深460 mm均質(zhì)靶板,當靶板傾角在45°～71°之間時,靶板抗穿甲性能相當。因此對于穿甲威力針對傾角65°、68°、71°等大角度的均質(zhì)靶板,可以考慮采用45°傾角的均質(zhì)靶板進行試驗,以提高靶板利用率,降低試驗風(fēng)險。

3)均質(zhì)靶板法向角超過一定角度時,將垂直放置的厚均質(zhì)靶板采用中等厚度靶板大角度斜置的方式并不能完全等效,尤其在武器裝備鑒定試驗指標裕量小、要求較高的情況下需要引起重視。

[1] 王儒策, 趙國志. 彈丸終點效應(yīng) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1993.

[2] 趙國志. 穿甲工程力學(xué) [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1992.

[3] 紀霞, 王利. 彈丸侵徹多層靶板數(shù)值分析 [J]. 探測與控制學(xué)報, 2006, 28(2): 42-45.

[4] 韓永要, 趙國志, 李向東, 等. 長管體垂直侵徹半無限均質(zhì)靶板的數(shù)值模擬 [J]. 彈道學(xué)報, 2004, 16(2): 33-36.

[5] 程興旺, 王富恥, 李樹奎, 等. 不同頭部形狀長桿彈侵徹過程的數(shù)值模擬 [J]. 兵工學(xué)報, 2007, 28(8): 930-933.

Research on Obliquity Effect of Thick Homogeneous Target in Anti-Penetration

YOU Yucong1,SHEN Peihui2,DU Wenge1,QIU Congli1,WU Qunbiao2

(1 Huayin Ordnance Test Center of China, Shaanxi Huayin 714200, China; 2 Najing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Obliquity effect of thick homogeneous target in anti-penetration was studied by shooting test with homogeneous target (29.6°/400 mm). The simulation model was built. ANSYS/LS-DYNA finite element was used in numerical simulation of anti-penetration of homogeneous target at different obliquity; the obliquity effect of homogeneous target on anti-penetration with same vertical depth was got. Those conclusions have some practical significance to armor testing.

obliquity effect; homogeneous target; penetrate; vertical depth

2014-05-21

游毓聰(1982-),男,湖北十堰人,工程師,碩士,研究方向:彈藥試驗。

TJ410.4

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