楊海坤,張國偉,王一鳴,時文超

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院,太原 030051)

復(fù)合順序?qū)?fù)合板抗侵徹能力影響的數(shù)值分析

楊海坤,張國偉,王一鳴,時文超

(中北大學(xué)機電工程學(xué)院,太原 030051)

文中研究了在一系列彈體著速下,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)?fù)合板的彈道特征量的影響。文中建立了兩種不同復(fù)合順序下彈體正侵徹復(fù)合靶板的模型,運用顯示動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA,對彈體正侵徹復(fù)合靶板進行了數(shù)值仿真。單獨分析和對比分析兩種模型的彈道特征量,得出復(fù)合板的抗侵徹能力隨復(fù)合順序和彈體著速改變的規(guī)律。數(shù)值分析的結(jié)果對提高復(fù)合裝甲的抗侵徹能力具有一定的參考價值。

復(fù)合;順序;侵徹;裝甲

0 引言

隨著軍事科技的發(fā)展,迫切需要研發(fā)高性能的輕質(zhì)裝甲材料,滿足防護裝甲重量輕,防護性好的要求。鈦合金是性能優(yōu)異的裝甲防護材料,密度是裝甲鋼的60%,強度相當(dāng),但價格是裝甲鋼的10～20倍,因此未廣泛應(yīng)用,未來會得到廣泛應(yīng)用。所以研究其抗彈能力很有意義[1]。

文中運用顯示動力分析軟件ANSYS/LS-DYNA,對彈體正侵徹裝甲鋼/鈦合金復(fù)合板的過程進行了數(shù)值模擬,再現(xiàn)了侵徹過程,研究了復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊?。為?fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1 計算模型的建立

文中的計算模型基于以下假設(shè):彈體和靶板均為連續(xù)介質(zhì),侵徹過程絕熱,不計空氣阻力影響,不計重力影響,不考慮靶板的側(cè)邊效應(yīng)以及整體運動,彈體和靶板的初始應(yīng)力為零。

1.1 幾何模型

文中建立了兩種幾何模型。

模型Ⅰ:彈體為4340#鋼,復(fù)合板的第一層為4340#鋼,第二層為TP650#鈦合金[2]。復(fù)合板兩層之間緊密貼合。彈體頭部為半球形,桿體部為圓柱體。彈體垂直侵徹,無攻角。

模型Ⅱ:彈體為4340#鋼,復(fù)合板的第一層為TP650#鈦合金,第二層為4340#鋼。復(fù)合板兩層之間緊密貼合。彈體頭部為半球形,桿體部為圓柱體。彈體垂直侵徹,無攻角。模型尺寸與模型Ⅰ相同。

1.2 有限元模型

模型結(jié)構(gòu)、載荷、約束以及彈著條件具有對稱性,為了節(jié)約計算機資源,建模時采用1/4結(jié)構(gòu)進行建模。采用3維8節(jié)點實體單元進行網(wǎng)格劃分和Lagrange算法。采用單點積分以節(jié)省機時,求解過程中,全局調(diào)整體積粘性和增加彈性剛度進行沙漏控制。模型共有614 939個節(jié)點和575 744個單元。

1.3 彈著條件以及材料的相關(guān)參數(shù)

1)模擬彈的彈頭部半徑為1.4 cm,桿體部長度為15 cm。兩層靶板的厚度各為2 cm,長度與寬度均為15 cm。先采用彈體著速為700 m/s、750 m/s、1 400 m/s的彈體分別侵徹兩種靶板模型,研究靶板在未穿透和穿透條件下的抗侵徹能力。然后采用其它速度的彈體分別侵徹兩種靶板模型。研究復(fù)合順序?qū)?fù)合板的抗侵徹能力的影響。

2)在數(shù)值模擬彈體侵徹復(fù)合靶板時,所選用的4340#鋼和TP650#鈦合金強度高,為便于分析,選用材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。該模型是各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型,且與應(yīng)變率有關(guān),可考慮失效。通過在0(僅隨動硬化)和1(僅各向同性硬化)間調(diào)整參數(shù)β來選擇各向同性或隨動硬化。文中選擇β=0。應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來考慮,其基本數(shù)學(xué)表達式為:

(1)

(2)

式中:Etan為正切模量;E為彈性模量[3]。材料的主要力學(xué)性能以及數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。表中ρ為密度,μ為泊松比,SIGY為屈服應(yīng)力,FS為失效系數(shù)。

表1 材料的主要力學(xué)性能

表2 材料的基本參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

在特定彈體著速ν下對彈體侵徹復(fù)合板的毀傷效應(yīng)進行評估。對比兩種模型,分析彈體的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr、剩余速度vr、峰值加速度ap、峰值沖擊力Fp以及模型的等效應(yīng)力云圖。

2.1 以700 m/s的彈體著速侵徹靶板

分析仿真結(jié)果,彈體侵徹靶板模型Ⅰ用時T=424μs,在侵徹第二層靶板時和靶板均發(fā)生質(zhì)量侵蝕,未穿透靶板。彈體的侵徹深度D=25.8mm,剩余質(zhì)量為mr=340g,侵蝕比例p=55.7%。在侵徹第二層鈦合金靶板時由于質(zhì)量侵蝕以及受徑向壓力,鐓粗現(xiàn)象減弱。圖1和圖2分別為彈體侵徹兩種靶板模型的等效壓力云圖以及毀傷效果。

彈體侵徹靶板模型Ⅱ用時T=548μs,穿透第一層靶板后彈體速度vr=60m/s,與第二層靶板沒有質(zhì)量侵蝕,剩余動能轉(zhuǎn)化為第二層靶板的彈性勢能。彈體的侵徹深度D=20mm,剩余質(zhì)量為mr=328g,侵蝕比例p=57.3%,鐓粗現(xiàn)象明顯。兩種靶板模型的破壞形式均是延性擴孔穿甲[4-6]。彈體的速度v、加速度a、沖擊力F隨時間t的變化情況如圖3、圖4和圖5所示。

圖1 模型Ⅰ的等效壓力云圖及毀傷效果

圖2 模型Ⅱ的等效壓力云圖及毀傷效果

圖3 彈體的速度曲線

圖4 彈體的加速度曲線

由圖3和圖4可以看出,彈體的速度減為0后,彈體加速度很小,剩余彈體又被第二層靶板輕微反彈,反彈速度可忽略不計。由圖4和圖5可以看出,模型Ⅰ中,彈體在tp1=298μs時達到加速度峰值ap=2.45×106m/s2,在tp2=164μs時侵徹第二層靶板,達到?jīng)_擊力峰值Fp=280kN;模型Ⅱ中,彈體在tp1=235μs時達到加速度峰值ap=2.75×106m/s2,在tp2=12μs時侵徹第一層靶板,達到?jīng)_擊力峰值Fp=330kN。兩種模型中,彈體的加速度峰值和沖擊力峰值產(chǎn)生的時間和大小差異較大。

圖5 彈體的沖擊力曲線

2.2 以750 m/s的彈體著速侵徹靶板

根據(jù)仿真結(jié)果,彈體均穿透第一層靶板,未能穿透第二層靶板。兩種靶板模型的毀傷形式均為延性擴孔穿甲。兩種靶板模型的毀傷效果如圖6所示。彈體侵徹兩種靶板的主要彈道特征量如表3所示。

圖6

ModelD/mmmr/gap/(m·s-2)tp1/μsFp/kNp/%Ⅰ27.63142.62×10624027359.1Ⅱ22.52762.7×10628232064.0

2.3 以1 400 m/s的彈著速度侵徹靶板

彈體穿入靶板時延性擴孔,穿出時先進行延性擴孔,然后對靶板進行花瓣形的拉伸破壞。這是彈體在侵入靶板的四周產(chǎn)生的徑向和環(huán)向高值拉伸應(yīng)力造成的[4]。兩種靶板模型的破壞形式?jīng)]有較大差異。兩種靶板模型的毀傷效果如圖7所示,主要彈道特征量如表4所示。

表4 彈體侵徹靶板的主要彈道特征量

由表4可以看出,彈體以v=1 400m/s的速度侵徹靶板模型時,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊懖⒉淮?模型Ⅰ的抗侵徹能力略強。

3 分析其它彈體著速下的侵徹結(jié)果

進一步研究在一定速度條件下,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)?fù)合板的抗侵徹性能的影響。彈體在一系列彈著速度下分別侵徹兩種靶板模型。對比兩種靶板模型的mr、vr彈道特征量,如表5和表6所示。

表5 不同彈體著速下彈體的剩余質(zhì)量

表6 不同彈體著速下彈體的剩余速度

由表5數(shù)據(jù)可以得出,存在一臨界速度vc,其中vc略高于彈體穿透靶板的極限速度,當(dāng)彈體著速v滿足v≤vc時,隨著彈體著速的增加,彈體的剩余質(zhì)量mr逐漸減少;當(dāng)彈體著速滿足v≥vc時,隨著彈體著速v的增加,彈體的剩余質(zhì)量mr又逐漸增加。

對比兩種模型,彈體的剩余質(zhì)量mr的差異隨彈體著速v的提高先增加后減小。復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量mr的影響隨彈體著速v的提高先增加后減小。從彈體的剩余質(zhì)量mr方面優(yōu)化設(shè)計復(fù)合靶板,當(dāng)彈體著速小于某一略高于穿透靶板的臨界速度vc時,靶板模型Ⅱ的抗侵徹能力更強。在低彈體著速下,復(fù)合板的外層應(yīng)選用強度高、韌性好的材料。

由表6可以看出,當(dāng)彈體穿透靶板模型后,彈體的剩余速度vr隨彈體著速v的提高逐漸增加。對比兩種靶板模型,彈體的剩余速vr的差異隨彈體著速v的提高先增加后減小。彈體穿透靶板后,當(dāng)彈體著速v≥800m/s時,靶板模型Ⅰ中彈體的剩余速度vr更小。從彈體的剩余速度上評估復(fù)合板的抗侵徹性能,靶板模型Ⅰ的抗侵徹能力更強。

圖7 靶板的毀傷效果

4 結(jié)論

彈體以低彈體著速正侵徹兩層等厚無間隙貼合的復(fù)合板時,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr以及剩余速度vr影響較大;隨著彈體著速v的提高,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ι鲜龈鲝椀捞卣髁康挠绊懴仍黾雍鬁p小。

當(dāng)彈體著速低于某一臨界速度vc1時,復(fù)合板的外層應(yīng)選用高強度、高韌性的材料,彈體的剩余質(zhì)量mr和剩余速度vr更小,其中vc1略高于靶板的極限穿透速度vj,此時復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量mr影響較大,但對彈體的剩余速度vr影響較小。

當(dāng)彈體著速高于某一臨界速度vc2時,復(fù)合板的外層應(yīng)選用強度和韌性相對較低的材料,彈體的剩余質(zhì)量mr和剩余速度vr更小,此時復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量影響較小,但對彈體的剩余速度影響較大。隨著彈體著速v的進一步提高,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊憣p小。

5 展望

文中運用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,數(shù)值仿真彈體正侵徹兩層等厚貼合的復(fù)合板。研究了復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊?。著重分析了?fù)合順序?qū)楏w的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr以及剩余速度vr三個彈道特征量的影響。在后續(xù)研究中繼續(xù)研究復(fù)合順序?qū)楏w的峰值加速度ap,峰值沖擊力Fp的影響。在其它彈著條件下,研究復(fù)合順序?qū)?fù)合板抗侵徹能力影響的規(guī)律。

[1] 房凌暉, 鄭翔玉, 蔡宏圖, 等. 坦克裝甲車輛防護技術(shù)發(fā)展研究 [J]. 四川兵工學(xué)報, 2014, 35(3): 23-26.

[2] 趙永慶, 奚正平, 曲恒磊. 我國航空用鈦合金材料研究現(xiàn)狀 [J]. 航空材料學(xué)報, 2003, 23(增刊): 215-219.

[3] 王澤鵬, 胡仁喜, 康士延. ANSYS 13.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導(dǎo)教程 [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011: 40-47.

[4] 錢偉長. 穿甲力學(xué) [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1984: 6-18.

[5] 趙文宣. 彈丸設(shè)計原理 [M]. 北京: 北京工業(yè)學(xué)院出版社, 1988: 106-107.

[6] 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: 132-138.

[7] 陳斌, 于起鋒, 楊躍能, 等. 30 mm半穿甲彈斜侵徹陶瓷/鋼復(fù)合裝甲的彈著角效應(yīng)研究 [J]. 國防科技大學(xué)學(xué)報, 2009, 31(6): 139-143.

[8] 時黨勇, 李裕春, 張勝民. 基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005: 97-178.

Numerical Analysis on the Effect of Composite Order on the Penetration Resistance of Composite Plate

YANG Haikun,ZHANG Guowei,WANG Yiming,SHI Wenchao

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In this paper, the influence of the composite order of the composite plate on the ballistic characteristics of the composite plate was studied in a series of projectile velocities. The models of the projectile penetrating target under two different composite sequences were established, and the numerical simulation of the projectile penetrating target was performed by using the display dynamic analysis software ANSYS/LS-DYNA. The ballistic characteristics of the two models were analyzed and compared, thereby the law that the anti penetration ability of the composite plate changed with the composite order and the projectile velocity was derived. The results of numerical analysis had certain reference value for improving the anti penetration ability of the composite armor.

composite; sequence; penetration; armor

2016-04-04

楊海坤(1990-),男,湖北恩施人,碩士研究生,研究方向:彈藥工程與毀傷技術(shù)。

O385

A