湯雪志,王志軍,董理贏,董方棟
(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院, 太原 030051; 2.瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點實驗室, 北京 102202)
彈丸對靶板的撞擊是一個復(fù)雜的過程,要想達到一定的侵徹效果,不僅與彈靶的幾何尺寸、形狀及材料屬性有關(guān),撞擊時彈靶的接觸姿態(tài)對侵徹效果也有很大影響。
國內(nèi)外學(xué)者對彈靶撞擊問題進行了相關(guān)的研究,W.Goldsmith等[1]用平頭彈撞擊薄鋁板和鋼板,在零傾角和適當(dāng)?shù)墓ソ窍陆椀罉O限理論模型,對比試驗結(jié)果進行理論模型的數(shù)據(jù)修正;李劍峰等[2]用彈丸侵徹單層鋁板,其中攻角和傾角分別取0°~60°并進行角度組合,研究了薄鋁靶板的抗侵徹能力。袁亞楠等[3]用鎢合金對三層不同強度的間隔靶板進行了斜侵徹的數(shù)值計算,分析了彈丸穿靶前后動能以及質(zhì)量的變化,并通過試驗證實了仿真結(jié)果可靠度。前人的研究主要是對單層薄靶板進行撞擊侵徹,沒有考慮靶板疊層數(shù)目以及順序,缺少對彈靶接觸時多種撞擊角度的研究。
本研究定義彈丸速度矢量與自身中軸線的夾角為攻角,取值為0°~60°,賦予彈丸一定初速,對間隔靶設(shè)置兩種疊層順序,分析不同攻角下彈靶接觸時彈丸的侵徹特性以及靶板的破壞情況。
本研究采用平頭彈對靶板進行撞擊,為了保證彈丸質(zhì)心位置,對彈丸尾部進行了挖空處理,彈丸直徑12 mm,彈體全長50 mm,挖空部分直徑10 mm,長度15 mm,其結(jié)構(gòu)如圖1所示;間隔靶采用四層靶板組合,每層靶板尺寸均為長100 mm、寬100 mm、高4 mm、間隔4 mm,靶板結(jié)構(gòu)分為兩種,定義一二層靶板為鋼,三四層靶板為鎂的結(jié)構(gòu)為A結(jié)構(gòu);一三層靶板為鋼,二四層靶板為鎂的結(jié)構(gòu)為B結(jié)構(gòu)。圖2中α為攻角,逆時針為正向。
圖1 彈丸結(jié)構(gòu)尺寸
圖2 彈靶接觸示意圖
運用AUTODYN-3D軟件建立所需模型,由于本研究中彈靶撞擊產(chǎn)生的破壞變形不存在對稱性,故建立全模型,其有限元模型如圖3所示,左圖上面兩個靶板的材料為鋼,下面兩個靶板為鎂合金,右圖一、三靶板為鋼,二、四靶板為鎂合金。其中攻角的選擇根據(jù)計算時具體需求來確定。
本文中所用的材料全部來自AUTODYN自帶的標(biāo)準(zhǔn)模型材料庫。文中的彈丸采用的是鎢合金,靶板采用的是40CrNiMoA合金結(jié)構(gòu)鋼和鎂合金,材料均采用Shock狀態(tài)方程,Johnson Cook強度模型。在本文中,為了更好地觀察靶板被高速侵徹的過程,對第一層靶板采用SPH算法,其余均采用拉格朗日算法,以降低計算時間。
圖3 有限元模型
穿甲彈利用自身的動能破甲,以同一初速擊穿靶板時,彈丸的剩余速度越小,靶板的抗侵徹性能就越好。如表1所示為彈丸以不同攻角侵徹兩種靶板結(jié)構(gòu)的彈丸剩余速度。
由表1可以看出,同等情況下,彈丸穿透B結(jié)構(gòu)的靶板比A結(jié)構(gòu)靶板所需的時間少,但是彈丸速度的損耗大。攻角越大,彈丸穿透靶板所需的時間越長,剩余速度越小。
圖4為彈丸侵徹不同結(jié)構(gòu)靶板速度曲線圖,對于不同攻角,彈丸在侵徹兩種靶板時的平均速度變化相似。在圖6中,以攻角0°為例,彈丸穿透第一層靶板所用的時間相同,侵徹第二層靶板時,A結(jié)構(gòu)靶板是鋼,B結(jié)構(gòu)是鎂合金,第一種結(jié)構(gòu)擊穿前兩層靶板所需的時間是30 μs,,穿過后彈丸頭部速度為898.7m/s,第二種結(jié)構(gòu)擊穿前兩層靶板所需的時間是20 μs,穿過后彈丸頭部速度為824 m/s。由于靶板之間的間隔不大,彈丸侵徹每一層靶板時,都不是直接侵徹,而是通過上一層靶板的變形間接對下一層靶板產(chǎn)生破壞,所以彈丸在接觸到第三層靶板時,第二層靶板正在被侵徹。對于A結(jié)構(gòu),由于鎂合金沒有鋼的硬度大,所以彈丸在即將穿透第二層鋼靶板時,第三層的鎂合金靶板也受到了很大的破壞,在時間到達30 μs時,第二層靶板被穿透,第三層靶板也幾乎被擊穿,35 μs時第三層靶板被完全穿透,彈丸頭部的速度為891.9 m/s,此時第四層靶板發(fā)生了輕微變形,彈丸繼續(xù)侵徹,直到完全穿透四層靶板,頭部剩余速度為897.3 m/s,相比前三層靶板,彈丸的侵徹速度一直在降低。對于B結(jié)構(gòu),彈丸穿透第二層靶板時,第三層靶板只是發(fā)生了輕微的變形,40 μs時,彈丸穿透第三層靶板,頭部速度為883.8 m/s,此時,第四層靶板發(fā)生很大變形,隨著彈丸繼續(xù)侵徹,50 μs時,四層靶板被全部打穿,彈丸頭部速度為878.6 m/s,在整個侵徹過程中,彈丸頭部的速度發(fā)生了兩次跳躍,侵徹結(jié)束后的頭部速度最小。
表1 彈丸的剩余速度(A結(jié)構(gòu)/B結(jié)構(gòu))
圖4 彈丸侵徹不同結(jié)構(gòu)靶板速度曲線
當(dāng)攻角為20~60°時,兩種結(jié)構(gòu)的靶板對彈丸平均速度的影響幾乎一致,但是彈丸侵徹每一層靶板時的速度變化不同。以攻角60°為例,對于A結(jié)構(gòu)的靶板,由于攻角的存在,彈靶之間的接觸面積會越來越大,所以彈丸在35 μs穿透第二層靶板時,第三層靶板已經(jīng)被侵徹出一個很大的縫,此時彈丸頭部的速度為664.5 m/s,40 μs時彈丸穿透第三層靶板,頭部速度為669.3 m/s,彈丸在侵徹過程中,頭部速度變化發(fā)生了輕微跳躍,65 μs時完全穿透四層靶板時,彈丸頭部剩余速度為663.4 m/s。對于B結(jié)構(gòu)的靶板,彈丸在20 μs就已經(jīng)穿透第二層靶板,第三層靶板發(fā)生輕微變形,彈丸頭部速度為683.3 m/s,45 μs時,彈丸擊穿第三層靶板,此時第四層靶板被侵徹出一道縫,彈丸頭部速度為646.7 m/s,60 μs時彈丸穿透全部靶板,此時彈丸頭部剩余速度為667 m/s。
彈靶接觸姿態(tài)對侵徹效果具有很大的影響。本研究中雖然每次碰撞靶板時彈丸動能均相同,但由于每次撞擊時彈丸的攻角不同,導(dǎo)致了每次的接觸面積不同,直接影響了能量轉(zhuǎn)化和質(zhì)量銷蝕的不同,從而對目標(biāo)的打擊威力產(chǎn)生了影響。本研究以平頭彈丸撞擊間隔靶板為例,賦予彈丸初速1 000 m/s,方向始終垂直于靶板向下,飛行時的攻角分別取0°、20°、30°、40°、50°、60°。以為A結(jié)構(gòu)靶板為例,彈丸質(zhì)量銷蝕圖如圖5所示。
圖5 彈丸質(zhì)量銷蝕曲線
由圖7可知,對于同一靶板結(jié)構(gòu),雖然彈丸撞擊靶板時的動能相同,但彈丸穿靶前后的質(zhì)量變化不同。從圖7可以看出,當(dāng)攻角小于30°時,且彈丸質(zhì)量的變化較平緩;當(dāng)攻角為0°時,靶板受到的是正撞擊,靶板受到正撞擊后,質(zhì)量基本成線性下降,但是在11.4 μs時有一個質(zhì)量突變,此時彈丸開始侵徹第三層靶板,在對第三層靶板開始侵徹時,彈丸還沒有完全穿透第二層靶板,這時候的彈丸在同時對兩種材料的靶板進行侵徹,在時間為50 μs時彈丸將四層靶板全部打穿,此時彈丸的剩余質(zhì)量為72.72 g,在整個穿靶過程中,彈丸質(zhì)量的消耗率為12.5%。隨著攻角的增大,彈丸穿靶時間增長,穿靶的質(zhì)量銷蝕率基本為下降趨勢。如表2所示為彈丸穿靶后質(zhì)量銷蝕率。
表2 彈丸穿靶后質(zhì)量銷蝕率
當(dāng)攻角大于30°時,彈丸在50 μs后打穿靶板,且角度的增大,使得彈靶之間的接觸面積增大,彈丸的質(zhì)量呈現(xiàn)出階梯式的突變。當(dāng)攻角為60°時,彈丸在擊穿每層靶板所需的時間更長,在時間為20 μs時,彈丸開始侵徹第三層靶板,且彈丸質(zhì)量沒有減小,而正撞擊時,10 μs彈丸就已經(jīng)開始侵徹第三層靶板,且彈丸質(zhì)量基本成線性下降,彈丸對靶板的擊穿是材料發(fā)生塑性變形的累積過程,當(dāng)靶板達到最大失效應(yīng)變值時,彈丸質(zhì)量發(fā)生損耗,并且隨著侵徹的進行,損耗加劇,所以對第二、三、四兩層靶板進行侵徹時,彈丸質(zhì)量的損耗均比前一層的大。
穿甲彈侵徹靶板共分為3個階段:開坑、侵徹、沖塞。由于靶板材料不同,彈靶接觸姿態(tài)不同,彈丸對靶板的侵徹過程也不同。表3為第一層和最后一層靶板被侵徹的狀態(tài)。
表3 靶板變形狀態(tài)
由表3可知,彈丸侵徹靶板時,攻角越大,彈丸對靶板的侵徹口徑越大。
對于正撞擊,靶板被侵徹出的形狀比較規(guī)則,跟彈丸頭部形狀一致,鋼靶板被侵徹出很多破片,并且隨著彈丸的運動,破片被帶到了最后一層,由于材料的性能不同,靶板對鎂合金的侵徹,沒有過多的破片產(chǎn)生,而是直接被侵徹,形成韌性破壞;當(dāng)攻角為20°時,靶板被侵徹出的孔形狀不規(guī)則,成撕裂式,由于撞擊時,彈靶之間的接觸面積越來越大,彈丸頭部成墩粗狀且隨著侵徹時間的增加,孔越來越大,產(chǎn)生的破片形狀比正撞擊時要大,成片狀式,且產(chǎn)生的破片中有一些片狀式鋰鎂合金破片;當(dāng)攻角增大到40°時,彈丸對靶板侵徹所開的孔比前兩種都大,開孔時彈丸與靶板的接觸面積也比前兩者大,產(chǎn)生的破片片狀更大,由于彈丸對靶板的沖塞,靶板被穿透后,有很多第三層靶板的破片。
1) B結(jié)構(gòu)的靶板可以更好地抵抗彈丸的侵徹,對彈丸速度的降低更明顯,但是彈丸穿透靶板的時間比A結(jié)構(gòu)的短。
2) 對于A結(jié)構(gòu)而言,彈丸侵徹時的質(zhì)量銷蝕隨攻角的增大而減小,攻角小于30°時,質(zhì)量銷蝕呈線性下降,大于30°時呈階梯式下降,彈丸侵徹鋼比侵徹鎂合金的質(zhì)量銷蝕更大。
3) 彈丸對靶板的侵徹隨著攻角的增大產(chǎn)生的破片形狀由點狀式變成片狀式,且侵徹形成的孔越來越不規(guī)則,呈撕裂式破壞,整個侵徹過程,產(chǎn)生的鋼破片比鎂合金破片多。