何 俊,程 春,鄭紹君,王復(fù)利,王韋霞,蔣洪章

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 3.黑龍江新諾機(jī)器人自動(dòng)化科技有限公司,黑龍江 哈爾濱 150060;4.黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 157013)

PELE侵徹10mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度和后效研究

何 俊1,程 春2,鄭紹君3,王復(fù)利4,王韋霞1,蔣洪章3

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 3.黑龍江新諾機(jī)器人自動(dòng)化科技有限公司,黑龍江 哈爾濱 150060;4.黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 157013)

為了研究小口徑集束鎢絲殼體PELE對(duì)10 mm厚均值裝甲鋼的極限穿透速度和穿靶后的后效情況,應(yīng)用PELE垂直侵徹薄靶的理論模型對(duì)直徑23 mm集束鎢絲PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼進(jìn)行了理論計(jì)算,利用23 mm口徑彈道炮進(jìn)行了侵徹試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:彈丸侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度為623.7 m/s;當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時(shí),該彈丸侵徹10 mm 厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng),試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

橫向效應(yīng)彈;侵徹;均質(zhì)裝甲鋼;極限穿透速度;后效

Abstract:In order to study the critical penetration velocity and aftereffect of small-caliber cluster tungsten-fiber penetrator with enhanced lateral efficiency(PELE) penetrating rolled homogeneous armor(RHA) with 10 mm thickness,the theoretical calculation of cluster tungsten-fiber PELE of 23 mm diameter penetrating RHA with 10 mm thickness was carried out by using the theoretical model of PELE vertically penetrating thin metallic plate.The penetration experiment by using ballistic gun with 23 mm caliber was conducted.The results show that the critical penetration velocity is 623.7 m/s,and the PELE can produce good aftereffect after penetrating RHA with 10 mm thickness while the impact velocity is more than 685.2 m/s.The experimental result accords with the theoretical calculation result.

Keywords:penetrator with enhanced lateral efficiency;penetration;rolled homogeneous armor;critical penetration velocity;aftereffect

橫向效應(yīng)彈(PELE)是一種無(wú)引信和炸藥的新型穿甲彈藥戰(zhàn)斗部,殼體是高密度具有良好侵徹能力的金屬,裝填物是具有儲(chǔ)能性能的低密度材料,穿甲過(guò)程中裝填物膨脹使殼體橫向擴(kuò)展,穿靶后殼體由于應(yīng)力卸載而破碎,形成橫向破片,毀傷和破壞靶后目標(biāo)[1]。近年來(lái)對(duì)PELE的研究包括應(yīng)用應(yīng)力波理論建立PELE侵徹薄靶的理論分析模型,進(jìn)行有限元分析,研究不同裝填物PELE侵徹不同厚度不同材料的靶板形成的橫向破片的平均質(zhì)量、最大飛行速度和破片的分布半徑,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[2-3];建立PELE撞擊金屬薄靶的破片橫向速度理論分析模型,通過(guò)提高裝填材料的聲阻抗和撞擊速度來(lái)增加靶后的橫向效應(yīng)[4]。朱建生認(rèn)為在一定范圍內(nèi)彈丸的橫向效應(yīng)隨速度的增大而增強(qiáng),彈丸存在最佳的著速范圍[5]。文獻(xiàn)[6]研究了集束鎢絲殼體PELE撞擊靶板的動(dòng)態(tài)響應(yīng),并與同口徑鎢合金殼體PELE相比,2種殼體材料PELE撞擊靶板后形成的后效靶破壞情況如圖1、圖2所示。

研究表明,與鎢合金殼體PELE相比,集束鎢絲

殼體PELE侵徹過(guò)程中具有自銳能力,既能發(fā)揮鎢絲高強(qiáng)度、大長(zhǎng)徑比、侵徹性能好的特點(diǎn),又能利用黏結(jié)相抗拉強(qiáng)度低、易于離散的優(yōu)勢(shì),在靶后產(chǎn)生更顯著的橫向毀傷效應(yīng)。集束鎢絲是一種以鎢絲為增強(qiáng)相,鋯基合金為黏結(jié)相的復(fù)合材料,具有高密度、良好的絕熱剪切和“自銳”等特點(diǎn)[7-9],可應(yīng)用于穿甲彈等軍事領(lǐng)域[10-11]。

本文通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究,研究集束鎢絲殼體PELE對(duì)10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度和產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最佳穿透速度。

1 理論計(jì)算

1.1 極限穿透速度

彈丸的極限穿透速度是衡量彈丸對(duì)靶板的作用效果的重要指標(biāo),是評(píng)價(jià)彈藥威力的主要參量[12]。彈丸的極限穿透速度實(shí)際工程計(jì)算中常用的經(jīng)驗(yàn)公式有:德馬爾公式,該公式將彈丸假定為剛體;貝爾金公式,該公式考慮了彈丸和靶板的機(jī)械性能;另外還有針對(duì)次口徑穿甲彈和長(zhǎng)桿式次口徑穿甲彈的經(jīng)驗(yàn)公式[13]。利用文獻(xiàn)[14]中建立的PELE垂直侵徹薄靶的理論模型,得到集束鎢絲殼體PELE侵徹靶板之后彈體的軸向剩余速度:

式中:

式中:c0,j為彈芯殼體中的波速,ρj為彈芯殼體密度,D0為彈芯殼體外徑,D為彈芯殼體內(nèi)徑,L0為彈芯殼體長(zhǎng)度,c0,f為裝填物中的波速,ρf為裝填物密度,l0為裝填物長(zhǎng)度,ρt為靶板密度,ht為靶板厚度,σYt,D為靶板的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力,cHt為靶板內(nèi)的波速。各參數(shù)的取值參見(jiàn)表1,表中,E為裝填物楊氏模量,μ為裝填物泊松比。

表1 各參數(shù)取值[4,15]

1.2 彈芯殼體中的波速計(jì)算

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用23 mm口徑彈道炮,炮口距離靶板100 m,采用天幕靶測(cè)速;試驗(yàn)用彈丸為23 mm全口徑彈丸,彈托為直徑23 mm的鋁制彈托,彈托底部有銅質(zhì)彈帶,并配有風(fēng)帽,彈芯直徑15 mm,彈芯殼體材料為集束鎢絲,裝填物為尼龍,彈芯示意圖如圖4所示。

試驗(yàn)靶板主靶為10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼靶,后效靶為2 mm厚鋁靶,主靶和后效靶的間距為60 mm,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)靶板布置如圖5所示。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)著速調(diào)整步驟為:若首發(fā)著速700 m/s(轉(zhuǎn)速1 800 r/s)發(fā)生穿透,則減少發(fā)射藥量,降低1%～3%著速進(jìn)行第2發(fā)試驗(yàn);若第2發(fā)未穿透,實(shí)際著速差又不超過(guò)第1發(fā)著速的3%時(shí),再取第1發(fā)和第2發(fā)的著速各試驗(yàn)1發(fā),作為驗(yàn)證,此時(shí)最高穿透著速與最低不穿透速度之差不超過(guò)3%,則其中的最低穿透速度即為該彈的極限穿透速度,若第2發(fā)穿透,依次類(lèi)推。

若首發(fā)著速不發(fā)生穿透,則提高1%～3%著速進(jìn)行第2發(fā)試驗(yàn),直到出現(xiàn)穿透。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 集束鎢絲殼體PELE對(duì)10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度

國(guó)軍標(biāo)規(guī)定彈丸的極限穿透速度是指彈丸穿透某一厚度的裝甲鋼所必需的最小著速,通常將穿甲彈穿透裝甲目標(biāo)的穿透概率為90%的著速(v90)定義為穿甲彈的極限穿透速度;將彈丸著靶,靶板背面有穿孔定義為穿透。試驗(yàn)中按照國(guó)軍標(biāo)中的極限穿透速度試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表中,m為裝藥量,v為彈丸著靶速度,Dc為穿孔直徑。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)彈丸速度為664.5 m/s時(shí),彈丸穿透靶板,彈丸的鋁外殼尾部嵌在靶板中;比該速度小約5%(即v=628 m/s)時(shí)彈丸未穿透靶板。以628 m/s為基準(zhǔn)重復(fù)試驗(yàn),得到誤差約為-0.8%(v=623.7 m/s)時(shí),彈丸穿透靶板;誤差約為-1.8%(v=617 m/s)時(shí),彈丸未穿透靶板?？烧J(rèn)為623.7 m/s為直徑23 mm集束鎢絲PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度。試驗(yàn)值和理論值計(jì)算誤差為4.4%,通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證可以確定直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度為623.7 m/s。

3.2 集束鎢絲殼體PELE產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)(后效)的最低著靶速度

文獻(xiàn)[5]認(rèn)為,在一定著速范圍內(nèi)破片橫向速度、破片飛散角度和破片分布半徑隨彈丸著速的提高而增大,超出這一范圍,破片橫向速度開(kāi)始降低,就作用效果而言,PELE存在最佳的著速范圍。本文通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析、研究最佳著速范圍中的最小速度,即PELE產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最低著靶速度。圖6是彈丸著速分別為623.7 m/s,664.5 m/s,685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s時(shí),后效靶板的毀傷情況。

從圖6可以看出,當(dāng)著靶速度為623.7 m/s時(shí),穿靶后的剩余彈丸在后效靶板上留下一個(gè)較大穿孔和一些靶后顆粒留下的痕跡,并沒(méi)有明顯的橫向破片留下的痕跡,說(shuō)明該著速下彈丸并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的橫向效應(yīng),后效不明顯;當(dāng)著靶速度為664.5 m/s時(shí),后效靶板上留有2個(gè)較大穿孔和一些小破片留下的痕跡,說(shuō)明彈丸產(chǎn)生了少量較小的橫向破片,后效一般;當(dāng)著靶速度為685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s時(shí),可以看到后效靶板產(chǎn)生較大的破壞,靶板上留有非常大的穿孔,穿孔面積分別約為209.73 cm2,207.18 cm2,203.37 cm2,穿孔的邊緣參差不齊,有一些變形或裂紋已經(jīng)擴(kuò)展的齒狀結(jié)構(gòu)和一些小的穿孔,后效靶板的破壞情況可以說(shuō)明,彈丸在穿透裝甲鋼板后產(chǎn)生了較大數(shù)量的橫向破片,具有良好的橫向效應(yīng)。從后效靶的破壞情況可以看出,直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最佳穿透速度為685.2 m/s?？烧J(rèn)為當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時(shí),該彈丸穿透10 mm厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究,得到直徑23 mm集束鎢絲殼體對(duì)10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼板的極限穿透速度為623.7 m/s,利用理論模型計(jì)算的結(jié)果是593 m/s,試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果基本一致,誤差在5%以?xún)?nèi)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知,當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時(shí),該彈丸穿透10 mm厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng)。本文得到的直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼板的極限穿透速度和產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最低著靶速度,對(duì)于直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE的進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 徐立志,杜忠華,王德勝,等.墊塊結(jié)構(gòu)對(duì) PELE 橫向效應(yīng)的影響[J].彈道學(xué)報(bào),2016,28(1):70-75. XU Li-zhi,DU Zhong-hua,WANG De-sheng,et al.Influence of block structure on lateral effect of PELE[J].Journal of Ballistics,2016,28(1):70-75.(in Chinese)

[2] VERREAULT J.Analytical and numerical description of the PELE fragmentation upon impact with thin target plates[J].International Journal of Impact Engineering,2015,76(6):196-206.

[3] PAULUS G,SCHIRM V.Impact behaviour of PELE projectiles perforating thin target plates[J].International Journal of Impact Engineering,2006,33(1):566-579.

[4] 杜忠華,宋麗麗.橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體撞擊金屬薄靶理論模型[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,35(6):822-826. DU Zhong-hua,SONG Li-li.Theoretical model of penetrator with enhanced lateral effect impacting thin metal target[J].Journal of Nanjing University of Science & Technology,2011,35(6):822-826.(in Chinese)

[5] 朱建生,趙國(guó)志,杜忠華,等.小口徑PELE作用薄靶板影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2007,22(5):505-510. ZHU Jian-sheng,ZHAO Guo-zhi,DU Zhong-hua,et al.Experimental study of the influence factors on small caliber PELE impacting thin target[J].Journal of Experimental Mechanics,2007,22(5):505-510.(in Chinese)

[6] 朱建生,杜忠華.集束鎢絲殼體 PELE 撞擊靶板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].彈道學(xué)報(bào),2014,26(3):77-81. ZHU Jian-sheng,DU Zhong-hua.Dynamic response of PELE with tungsten fiber composite jacket impacting target[J].Journal of Ballistics,2014,26(3):77-81.(in Chinese)

[7] MA W,KOU H,CHEN C,et al.Compressive deformation behaviors of tungsten fiber reinforced Zr-based metallic glass composites[J].Materials Science and Engineering:A,2008,486:308-312.

[8] ZHANG H,ZHANG Z F,WANG Z G,et al.Deformation and damage evolution of tungsten fiber reinforced metallic glass matrix composite induced by compression[J].Materials Science and Engineering:A,2008,483:164-167.

[9] CONNER R D,DANDLIKER R B,SCRUGGS V,et al.Dynamic deformation behavior of tungsten-fiber/metallic-glass matrix composites[J].International Journal of Impact Engineering,2000,24(5):435-444.

[10] 張朝暉,王富恥,李樹(shù)奎.鎢絲集束復(fù)合材料穿甲彈芯穿甲過(guò)程的數(shù)值模擬研究[J].稀有金屬材料與工程,2003,32(6):440-442. ZHANG Zhao-hui,WANG Fu-chi,LI Shu-kui.Numerical simulation on penetrating process of tungsten fiber composite penetrators[J].Rare Metal Materials & Engineering,2003,32(6):440-442.(in Chinese)

[11] 榮光,黃德武.鎢纖維復(fù)合材料穿甲彈芯侵徹時(shí)的自銳現(xiàn)象[J].爆炸與沖擊,2009,29(4):351-355. RONG Guang,HUANG De-wu.Self-sharpening phenomena of tungsten fiber composite material penetrators during penetration[J].Explosion & Shock Waves,2009,29(4):351-355.(in Chinese)

[12] 戴喜會(huì),智小琦,施兵,等.長(zhǎng)徑比及著靶姿態(tài)對(duì)鎢柱極限穿透速度的影響[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2012,32(6):89-92. DAI Xi-hui,ZHI Xiao-qi,SHI Bing,et al.The influence of aspect ratio and hitting attitude on limit penetration velocity of tungsten cylinder[J].Journal of Projectiles,Rockets Missiles & Guidance,2012,32(6):89-92.(in Chinese)

[13] 王志軍,尹建平.彈藥學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014:101-106. WANG Zhi-jun,YIN Jian-ping.Ammunition theory[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2014:101-106.(in Chinese)

[14] 朱建生,趙國(guó)志,杜忠華,等.PELE 垂直侵徹薄靶的機(jī)理分析[J].爆炸與沖擊,2009,29(3):281-288. ZHU Jian-sheng,ZHAO Guo-zhi,DU Zhong-hua,et al.Mechanism of PELE projectiles perpendicularly impacting on thin target plates[J].Explosion & Shock Waves,2009,29(3):281-288.(in Chinese)

[15] 康愛(ài)花,陳智剛,付建平.球形破片侵徹高強(qiáng)度裝甲鋼的彈道極限穿透速度計(jì)算[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào),2015,36(6):647-651. KANG Ai-hua,CHEN Zhi-gang,FU Jian-ping.Calculation of ballistic limiting velocities of spherical fragment to high hardness armor steel[J].Journal of North University of China,2015,36(6):647-651.(in Chinese)

[16] CHEN J H,CHEN Y,JIANG M Q,et al.Dynamic shear punch behavior of tungsten fiber reinforced Zr-based bulk metallic glass matrix composites[J].International Journal of Impact Engineering,2015,79(3):22-31.

CriticalPenetrationVelocityandAftereffectofPELEPenetratingRHAWith10mmThickness

HE Jun1,CHENG Chun2,ZHENG Shao-jun3,WANG Fu-li4,WANG Wei-xia1,JIANG Hong-zhang3

(1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 3.Heilongjiang Xinnuo Robot Automation Technology Co.Ltd,Harbin 150060,China; 4.Heilongjiang North Tools Co.Ltd,Mudanjiang 157013,China)

2017-04-11

安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2015A441)

何俊(1978- ),男,副教授,碩士,研究方向?yàn)閺椝幑こ碳白矒魟?dòng)力學(xué)。E-mail:ahjdhj@126.com。

TJ410.1

A

1004-499X(2017)03-0063-05