邵長(zhǎng)順，孟祥光，孔祥磊，李洪奎，劉雪婷，岳學(xué)民

(1.國(guó)營(yíng)945廠(chǎng) 研發(fā)中心,山東 淄博 255075;2.國(guó)營(yíng)945廠(chǎng) 檢驗(yàn)處,山東 淄博 255075; 3.山東理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,山東 淄博 255049;4.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049;5.國(guó)營(yíng)945廠(chǎng) 技術(shù)處,山東 淄博 255075)

低貫徹彈發(fā)展至今，基本集中在速度較低的手槍彈范疇，至今為止，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是軟尖結(jié)構(gòu)，另一種是空心結(jié)構(gòu)。低貫徹彈的作用原理是彈頭進(jìn)入目標(biāo)之后，頭部受到很大的阻力，急速膨脹變形，彈頭與目標(biāo)的作用面積加大，導(dǎo)致彈頭所受阻力加大，根據(jù)動(dòng)能定理，彈頭貫徹深度變小，最終實(shí)現(xiàn)手槍彈低貫徹的效果。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)步槍彈低貫徹技術(shù)的研究停留在初始階段，主要原因是：手槍彈的速度一般在200～350 m/s，低于步槍彈750～950 m/s的速度；手槍彈頭部為鈍頭或球形，而步槍彈頭部為尖弧形；手槍彈長(zhǎng)徑比為4～6，而步槍彈長(zhǎng)徑比僅為2左右。國(guó)外對(duì)低貫徹步槍彈做過(guò)很多仿真，Salisbury等[1]采用SHPB的方法研究了明膠在各種應(yīng)變率前提下，其應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系。Ndompetelo等[2]基于試驗(yàn)研究采用有限元軟件AUTODYN模擬了鋼球侵入彈道肥皂的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。Datoc[3]使用LS-DYNA仿真軟件模擬手槍彈貫徹明膠靶標(biāo)的作用過(guò)程，并且采用不同材料本構(gòu)時(shí)的明膠對(duì)仿真結(jié)果的影響進(jìn)行了分析。Koene等[4]通過(guò)試驗(yàn)與仿真分別對(duì)球形殺傷元以較低速度撞擊明膠的過(guò)程進(jìn)行分析。目前，國(guó)內(nèi)外僅能采用軟件仿真的方法研究步槍彈的終點(diǎn)效應(yīng)。本文主要對(duì)3個(gè)方案模型在明膠中的速度、加速度和貫徹深度進(jìn)行分析，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 仿真模型的建立

ANSYS AUTODYN作為顯示動(dòng)力學(xué)分析軟件，以顯示求解為主，另外有隱式求解，其主要算法是拉格朗日算法，另外配有歐拉和ALE算法，可以模擬高速?zèng)_、貫徹等非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，在國(guó)防領(lǐng)域與彈道仿真方面應(yīng)用廣泛。

本文主要從普通正裝結(jié)構(gòu)、普通反裝結(jié)構(gòu)、鉛芯重量改變的反裝結(jié)構(gòu)3個(gè)方面建立模型。圖1顯示方案1的彈頭結(jié)構(gòu)，位置1采用F11鋼，位置2采用鉛Pb-4，位置3空心。圖2顯示方案2的彈頭結(jié)構(gòu)，位置1采用F11鋼，位置2采用鉛Pb-4，位置3空心。方案3中，調(diào)整圖1中位置2部分的長(zhǎng)度和重量，尋找合適的彈頭。

圖1 方案1的彈頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Warhead structure of programme 1

圖2 方案2的彈頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Warhead structure of programme 2

彈頭采用材料模型JOHNSON-COOK，侵徹速度為950 m/s。由于明膠材料的應(yīng)變率是由它的力學(xué)性能決定的，因此明膠有流變的性質(zhì)，所以采用線(xiàn)性多項(xiàng)式狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL 對(duì)其在貫徹體作用下的變形響應(yīng)進(jìn)行描述，并且材料也有流體的彈性及固體塑性特征，因此本文選用AUTODYN 中的材料模型MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO 對(duì)其進(jìn)行模擬[5]。采用彈頭和明膠靶板尺寸建立有限元模型。設(shè)明膠尺寸40 cm ×25 cm ×25 cm，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用拉格朗日算法，彈頭與明膠的接觸采用面面侵蝕(ERODING_SURFACE_TO_SUR FACE)接觸[6]。各原材料的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原材料的參數(shù)
Tab.1 Parameters of raw material

序號(hào)材料密度/g·cm-3彈性模量/GPa泊松比1被甲7.922000.32鉛芯11.34170.42

2 仿真結(jié)果及分析

采用彈頭垂直入侵明膠靶的方式對(duì)方案1—方案3進(jìn)行模擬仿真。方案1從入侵明膠到彈頭停止歷時(shí)0.08 ms，開(kāi)始破碎時(shí)間為0.04 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖3所示。方案2從入侵明膠到彈頭停止歷時(shí)0.12 ms，開(kāi)始破碎時(shí)間為0.06 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖4所示。方案3從入侵明膠到彈頭停止歷時(shí)0.10 ms，開(kāi)始破碎時(shí)間為0.04 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖5所示。

圖3 方案1的 彈頭狀態(tài)Fig.3 Warhead state of programme 1

圖4 方案2的 彈頭狀態(tài)Fig.4 Warhead state of programme 2

圖5 方案3的彈頭狀態(tài)Fig.5 Warhead state of programme 3

3個(gè)方案的質(zhì)心距彈底距離百分比、貫徹時(shí)間、貫徹深度和貫徹最大加速度見(jiàn)表2。

表2 3個(gè)方案貫徹效果對(duì)比表
Tab.2 The contrast table of penetration effect of three plans

方案號(hào)質(zhì)心距彈底距離百分比/%貫徹時(shí)間/ms貫徹深度/cm最大加速度/mm·ms-2139.50.08255 000239.50.12354 000339.70.09283 500

由仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論：

1) 彈頭在明膠中的阻力和其結(jié)構(gòu)特征使得彈頭在明膠中破碎，彈頭與明膠接觸面積增加，使得明膠受到的阻力變大，因此彈頭在明膠靶標(biāo)中全面破碎。

2)對(duì)比方案1—方案3，其質(zhì)心距彈底距離的百分比分別為：39.5%、39.5%和39.7%。對(duì)于方案1和方案2，質(zhì)心距彈底距離的百分比相同，而結(jié)構(gòu)不同，方案1是反裝結(jié)構(gòu)，方案2是正裝結(jié)構(gòu)；從貫徹時(shí)間和貫徹深度來(lái)看，反裝結(jié)構(gòu)更利于設(shè)計(jì)方案的選擇。對(duì)于方案1和方案3，都采用反裝結(jié)構(gòu)，但是質(zhì)心距彈底百分比不同；仿真結(jié)果顯示，質(zhì)心也是制約破碎貫徹效果的一個(gè)重要因素，質(zhì)心位置后移時(shí)彈頭破碎會(huì)提前。按照低貫徹彈的使用要求，在確保殺傷威力的同時(shí)，最大程度地減小貫徹深度，參考彈頭破碎機(jī)制和影響因素分析的研究結(jié)論，可以得出控制貫徹的途徑有兩個(gè)：(1)采取使彈頭質(zhì)心后移的方法來(lái)增大彈頭的加速度，讓彈頭破碎時(shí)間提前。(2)采取合理的結(jié)構(gòu)保證彈頭的破碎，減小碎片的貫徹深度。

3 試驗(yàn)研究

在方案1的基礎(chǔ)上，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制裝藥量，保證彈頭初速950 m/s，彈頭殼采取F11鋼，內(nèi)部包裹彈芯，質(zhì)心距彈底百分比為39.5%。試驗(yàn)采取測(cè)速?gòu)椀罉尠l(fā)射槍彈，射擊距離分別為50 m和100 m，明膠靶采用4 ℃、10%濃度的靶標(biāo)能很好地模擬彈頭對(duì)生物肌肉組織的侵徹殺傷效果,而且明膠靶標(biāo)有較好的透明度，可以明顯獲得彈頭的貫徹效果，明膠靶尺寸設(shè)定為 35 cm × 25 cm × 25 cm，采取高靈敏度光幕靶監(jiān)測(cè)彈頭初速，初速為950±10 m/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 50 m貫徹效果Fig.6 The penetration effect of 50 m

圖7 100 m貫徹效果Fig.7 The penetration effect of 100 m

試驗(yàn)共射擊槍彈20發(fā)，試驗(yàn)結(jié)果如下：50 m射擊10發(fā)，平均穿深為27.5 cm；100 m射擊10發(fā)，平均穿深為32 cm。

與現(xiàn)有同口徑制式步槍彈相比，穿深降低了1/2左右，試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了方案的設(shè)計(jì)意圖。按照美國(guó)FBI標(biāo)準(zhǔn)，貫徹10%軍用明膠，穿深不超過(guò)35.5 cm，代表對(duì)人體不產(chǎn)生過(guò)穿透。此外，彈頭在目標(biāo)中破碎分解，能量全部傳遞給目標(biāo)，造成較大的殺傷效果，收集的破片如圖8所示。

圖8 破片收集Fig.8 Fragment image

比較射擊距離50 m和100 m的試驗(yàn)結(jié)果可知：初速相同的前提下，彈頭到達(dá)50 m時(shí)的速度降低量小于100 m時(shí)的速度降低量；射擊距離50 m時(shí)的彈頭能量比100 m時(shí)的大；能量越大，彈頭受到的沖擊力也越大，變形時(shí)間越早，與明膠接觸面積越大，受到阻力越大，彈頭穿深越小。