郭佩宏，焦國(guó)太，韓 晶，鄭 超

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

鉆地彈主要被用于攻擊機(jī)場(chǎng)跑道、地面加固目標(biāo)、深入地下的指揮中心和工事等目標(biāo)。隨著重要軍事目標(biāo)的堅(jiān)固化與地下化，促進(jìn)了鉆地武器的發(fā)展［1］。其中，侵徹技術(shù)的研究范圍主要集中在增加彈丸質(zhì)量和增加侵徹時(shí)的速度。鉆地彈在侵徹混凝土防護(hù)工事時(shí)，將混凝土震碎壓實(shí)最后形成鎖密區(qū)，單純地增加彈丸質(zhì)量和侵徹速度，侵徹深度增加到一定程度將不再增加?；诨炷辆哂欣炱茐膹?qiáng)度遠(yuǎn)小于壓力破壞強(qiáng)度的特性(0.10－0.15 倍)，本文提出一種彈體外表面帶溝槽的設(shè)計(jì)，利用彈體表面溝槽和彈體自旋作用賦予其旋轉(zhuǎn)力矩，剪切破壞混凝土鎖密區(qū)并將破碎混凝土碎屑沿溝槽旋出，減小鎖密區(qū)對(duì)侵徹深度的影響，增加彈丸的毀傷效能［2］。

1 彈體模型

本文設(shè)計(jì)彈體外側(cè)帶三條扭旋溝槽，扭旋方向同彈丸自旋方向相同。由于彈丸外表面帶溝槽結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且不對(duì)稱，因此建立全模型。旋轉(zhuǎn)體是復(fù)雜實(shí)體模型，且有復(fù)雜曲面，采用自由網(wǎng)格畫(huà)分操作。彈體3D 模型如圖1 所示。仿真的協(xié)調(diào)單位為mm－s。

圖1 彈體設(shè)計(jì)圖

2 彈體材料與混凝土材料參數(shù)

由于只有仿真碎屑的排出情況，彈體外表面無(wú)損傷，顧仿真時(shí)彈體設(shè)為剛性材料［3］。彈體和碎屑材料分別為鋼和混凝土，材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料參數(shù)

3 仿真及結(jié)果分析

利用離散元軟件EDEM 分別對(duì)轉(zhuǎn)速為2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三種轉(zhuǎn)速的彈體進(jìn)行仿真模擬，對(duì)彈體旋轉(zhuǎn)時(shí)的排屑量進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)彈體中軸進(jìn)行全約束，分別給予2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三種不同的鉆速。得到碎屑顆粒運(yùn)動(dòng)情況如圖2。

圖2 彈體模擬圖

通過(guò)仿真模擬可見(jiàn)混凝土破碎后的顆粒隨著彈體槽旋至彈體尾部以上，使得彈頭前端的混凝土形不成密實(shí)區(qū)。而碎屑排出到第一二三區(qū)，最終回落到第三區(qū)。所以分析研究第三區(qū)顆粒數(shù)量隨時(shí)間變化即可。圖3 中dcb 分別為轉(zhuǎn)速2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三種轉(zhuǎn)速的彈體把碎屑拋擲第三區(qū)的數(shù)量時(shí)間圖。數(shù)據(jù)分析如表2。

彈體旋轉(zhuǎn)值模擬分析結(jié)果，可以看出:6 000 rad/s 的彈體，等時(shí)間內(nèi)通過(guò)溝槽把碎屑排出的數(shù)量大于4 000 rad/s的碎屑，而轉(zhuǎn)速為4 000 rad/s 時(shí)的碎屑又大于2 000 rad/s的。說(shuō)明自旋速度大的帶溝槽彈丸對(duì)混凝土碎屑的排出效果明顯。自轉(zhuǎn)力矩將彈丸對(duì)混凝土靶板的壓力破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐牟⒁褖簩?shí)的混凝土鎖密區(qū)剪切破壞沿溝槽旋出。為大幅度增加侵徹深度提供了前提。為攻擊地下目標(biāo)提供了有力的保障。

圖3 數(shù)量時(shí)間圖

表2 不同速度對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)拋出的顆粒數(shù)

4 縮比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本縮比實(shí)驗(yàn)采用φ14 mm 彈丸進(jìn)行初期實(shí)驗(yàn)。用高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速溝槽彈丸分別對(duì)高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。彈丸如圖4 所示。螺旋槽彈丸是利用數(shù)控機(jī)床加工的［4］。破壞效果如圖5、6。

圖5 高轉(zhuǎn)速?gòu)椡杵茐膱D

圖6 低轉(zhuǎn)速?gòu)椡杵茐膱D

高轉(zhuǎn)速螺旋槽彈丸作用目標(biāo)后，平均侵徹深度30 mm，破壞面積為90 cm2。低轉(zhuǎn)速螺旋槽彈丸平均侵徹深度為24 mm，破壞面積為170 cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值分析模擬結(jié)果進(jìn)行了定性定量驗(yàn)證。驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。

5 結(jié)論

1)本文采用離散元軟件EDEM 比較真實(shí)地模擬三種不同旋轉(zhuǎn)速度的彈丸排出碎屑的過(guò)程。結(jié)果表明，自旋轉(zhuǎn)速度對(duì)帶溝槽彈丸侵徹效能成一定正比例。

2)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高低轉(zhuǎn)速?gòu)楏w對(duì)靶板的破壞情況進(jìn)行分析，有力的驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性與可行性。為自旋侵徹鉆地彈的研究提供了方向。研究結(jié)果可為彈丸在增加侵徹深度效能優(yōu)化設(shè)計(jì)上提供借鑒。

［1］劉永遠(yuǎn)，姜正平，張進(jìn).鉆地彈及其發(fā)趨勢(shì)［J］.飛航導(dǎo)彈，2006(3):34－37.

［2］杜修力，金瀏.用細(xì)觀單元等效化方法模擬混凝土細(xì)觀破壞［J］土木建筑與環(huán)境工程2012(6):1－3.

［3］王明洋，譚可可，吳華杰，等.鉆地彈侵徹巖石深度計(jì)算新原理與方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(9):1863－1869.

［4］陳國(guó)光，董素榮.彈藥制造工藝學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2007:302－310.