鎢合金球形破片對低碳鋼的穿甲極限

徐豫新，王樹山，伯雪飛，梁 勇

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081;2.中國兵器工業(yè)集團5103廠，南召 473000)

鎢合金球形破片對低碳鋼的穿甲極限

徐豫新1，王樹山1，伯雪飛2，梁 勇2

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081;2.中國兵器工業(yè)集團5103廠，南召 473000)

研究特定質(zhì)量鎢合金球形破片對低碳鋼侵徹與貫穿中的極值。針對鎢合金球形破片對半無限和有限厚度低碳鋼的高彈速穿甲，首先通過數(shù)值仿真得到了典型直徑破片的極限侵徹深度，同時獲得了球形破片直徑與極限穿透厚度的關(guān)系;在此基礎上，針對不同直徑破片進行了穿甲實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值仿真及分析具有較好的一致性，根據(jù)實驗現(xiàn)象和數(shù)值仿真分析了不同撞靶速度下破片的破損形式。研究結(jié)果具有重要的應用價值。

鎢合金球形破片;低碳鋼;極限侵徹深度;極限穿透厚度

鎢合金球形破片由于其密度大，保持速度和穿甲的能力強，已逐漸成為殺傷戰(zhàn)斗部的首選毀傷元素，因此，鎢合金球形破片的穿甲特性研究具有十分重要的應用價值［1～6］。以往針對破片穿甲問題，大多集中在常規(guī)彈速［7、8］(500 m/s～1 300 m/s)撞靶條件下鋼制破片對單一均質(zhì)鋼靶的穿甲實驗與機理研究，且大都認為:相同彈靶條件下，完全貫穿靶板的厚度隨撞靶速度的增加一定增大。對于高彈速［7、8］(1 300 m/s ～3 000 m/s)穿甲，錢偉長［6］指出:壓強接近或超過材料強度，撞擊體和靶體材料呈現(xiàn)流動性。此外，午新民［9］的研究結(jié)果表明:隨撞靶速度的增加，鎢合金撞擊體侵入有限厚度鋼板初期出現(xiàn)侵蝕及破碎現(xiàn)象，對穿甲過程有較大影響。由此可推測，特定質(zhì)量的鎢合金破片對鋼靶體的侵徹與貫穿存在極限。針對鎢合金球形破片這一典型殺傷元素對低碳鋼的穿甲極限問題，進行了數(shù)值仿真，分別獲得了極限侵徹深度與撞靶速度、極限穿透厚度與破片直徑的關(guān)系;此外，利用彈道槍和輕氣炮拋射不同直徑鎢破片進行了穿甲實驗，實驗結(jié)果與數(shù)值仿真及分析具有較好的一致性。

1 彈－靶作用系統(tǒng)

綜合考慮牽連速度、破片初速和飛行中的速度衰減及裝甲目標的防護特性，研究選取球形破片直徑在5.0 mm～9.0 mm范圍之間，鎢合金撞擊體材料為典型的W152(93 W)，低碳鋼靶體材料為典型的Q235A鋼;針對所關(guān)注的高彈速穿甲，選取破片撞靶速度范圍在1 300 m/s～2 400 m/s之間。根據(jù)上述條件組成彈靶作用系統(tǒng)進行數(shù)值仿真與實驗。

2 數(shù)值仿真

2.1 極限侵徹深度

首先，研究鎢合金球形破片的極限侵徹深度。選用典型7.0 mm直徑鎢合金球形破片作為侵徹體，考慮靶體背部隆起或盤狀變形相關(guān)力對穿透過程的影響，結(jié)合文獻［7］中靶厚判據(jù)，取靶體厚度為30 mm。據(jù)此，建立破片侵徹半無限靶體數(shù)值仿真所需要幾何模型并離散化，破片最小網(wǎng)格尺寸為:2 mm，靶板網(wǎng)格中心加密，最小網(wǎng)格尺寸為:6 mm，設置邊界約束及無反射邊界條件，如圖1所示。設定鎢材料密度為:17.5 g/cm3，選用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程予以描述;Q235A鋼材料密度為密度:7.83 g/cm3，選用PLASTIC_KINEMATIC材料模型予以描述，根據(jù)文獻［10］進行具體材料參數(shù)賦值，建立有限元計算模型。型變形情況，如圖3所示，經(jīng)計算可得到7 mm直徑破片的極限穿透厚度為:18.30 mm，該值大于極限侵徹深度值(14.45 mm)。據(jù)此可知，對于有限厚度靶板，靶板中的初始壓縮波傳到邊界，迅速反射的稀疏波拉伸效應明顯影響破片穿甲過程。因此，鎢合金球形破片高彈速侵徹鋼靶板時，極限穿透厚度大于極限侵徹深度。

計算中撞靶速度按“低—高”次序，從1 300 m/s開始遞增，每次遞增100 m/s，直至2 400 m/s，7 mm直徑球形破片未完全貫穿30 mm厚Q235A鋼，且靶板背部未出現(xiàn)隆起或盤狀變形，依據(jù)計算結(jié)果擬合獲得侵徹深度與破片撞靶速度關(guān)系曲線，如圖2所示。根據(jù)圖2可以看出，侵徹深度隨撞靶速度的增加并非一直增加，撞靶速度為2 230 m/s時，存在極限值。

2.2 極限穿透厚度

進一步研究鎢合金球形破片的極限穿透厚度。仍采用相同計算參數(shù)、網(wǎng)格尺寸，以2 230 m/s的撞靶速度，對7 mm直徑破片貫穿有限厚度Q235板進行仿真，并將球形破片恰好完全貫穿的靶板厚度作為數(shù)值仿真得到的極限穿透厚度，慣穿靶板后鎢合金球形破片典

在上述基礎上，接下來研究不同直徑破片對有限厚度鋼板的極限貫穿。選用破片直徑在5.0 mm～9.0 mm之間，撞靶速度為2 230 m/s進行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果擬合獲得極限穿透厚度與破片直徑的關(guān)系曲線，如圖4所示，對應的破片極限穿透厚度計算公式為:

式中:T為極限穿透厚度/mm，D為破片直徑/mm;據(jù)此式經(jīng)分析可知:直徑為5.0 mm、6.0 mm、7.0 mm、8.0 mm、9.0 mm的鎢合金球形破片極限穿透厚度分別為:14.03 mm、15.60 mm、18.10 mm、21.70 mm、26.18 mm;對于其逆命題:欲恰好完全貫穿15 mm、18 mm、20 mm厚Q235鋼板，破片直徑則需分別大于5.68 mm、6.97 mm、7.57 mm，如圖4 所示。

3 實驗及結(jié)果分析

選用牌號為W243(93 W)的鎢合金材制球形破片(實測硬度(HRC):27)和不同厚度Q235A鋼板(實測硬度(HRC):3)，進行不同直徑球形破片對有限厚度鋼板的垂直穿甲實驗，驗證上述計算及結(jié)論的可信度。

3.1 實驗方案

根據(jù)現(xiàn)有條件，通過12.7 mm彈道槍速度加載，拋射直徑為6.0 mm、7.0 mm和7.9 mm的球形破片垂直侵徹15 mm、18 mm和20 mm厚的Q235A鋼板，通過改變發(fā)射藥量來調(diào)整拋射速度，拋射破片撞靶速度范圍在1 300 m/s～1 800 m/s之間，具體實驗布置如圖5所示;通過二級輕氣炮加載，拋射7.0 mm直徑破片垂直侵徹20 mm厚Q235鋼板，通過改變發(fā)射膛壓來調(diào)整拋射速度，拋射破片撞靶速度范圍在1 900 m/s～2 400 m/s之間，具體實驗布置如圖6所示。

3.2 實驗結(jié)果及分析

逐發(fā)實驗、觀察、檢查破片對靶侵體入及貫穿情況，典型穿孔情況，如圖7所示，通過軟回收裝置回收的靶板沖塞塊和破片殘余體，如圖8所示。

記錄破片在不同撞靶速度條件下對Q235A的穿甲特性，部分列于表1中，可以看出:6.0 mm直徑破片可完全貫穿14.8 mm厚Q235A靶板;7.0 mm直徑破片可完全貫穿17.6 mm厚Q235A靶板;17.9 mm直徑破片可完全貫穿19.7 mm厚Q235A靶板。實驗結(jié)果與數(shù)值仿真及分析具有較好的一致性。

圖7 Q235鋼靶典型破壞情況Fig.7 The typical damage of Q235 steel target plate

表1 破片貫穿Q235鋼板部分實驗結(jié)果Tab.1 the some the experiment outcome of the fragments perforated Q235 steel plate

圖8 靶板沖塞塊和破片破損情況Fig.8 Plugging blocks and fragments damage situation

通過數(shù)值仿真并結(jié)合實驗現(xiàn)象分析得出:球形鎢合金對低碳鋼板的穿甲過程可分:反擠壓縮(開坑翻邊，破片產(chǎn)生變形、侵蝕或破碎)→侵徹→剪切沖塞三個階段，隨撞靶速度的增加，破片損傷形式表現(xiàn)為:變形→侵蝕→破碎，在撞靶速度大于1 600 m/s時侵蝕及破碎較為明顯，此時為一破碎團在強約束環(huán)境中的侵徹與貫穿，隨撞靶速度的進一步增大，靶板開坑翻邊直徑有明顯增加，而侵徹深度的增加不再明顯。

4 結(jié)論

通過高彈速球形鎢合金破片對低碳鋼穿甲特性的數(shù)值仿真和實驗研究，得到主要研究結(jié)論如下:

(1)隨撞靶速度增加，鎢合金球形破片對半無限低碳鋼的穿甲過程出現(xiàn)侵蝕及破碎現(xiàn)象，侵徹深度隨撞靶速度的增加存在極值;

(2)鎢合金球形破片對有限厚度低碳鋼板存在極限穿透厚度，極限穿透厚度主要由破片的質(zhì)量所決定;

(3)研究所得到的極限侵徹深度與撞靶速度、極限穿透厚度與破片直徑的關(guān)系對殺傷戰(zhàn)斗部毀傷元設計和威力分析有重要應用和參考價值。

［1］譚多望，李 翔，溫殿英，等.球形鎢合金破片終點彈道性能試驗研究［J］.爆炸與沖擊，2003(5):425－429.

［2］陳志斌.鎢合金預制破片對靶板侵徹機理研究［D］.北京:北京理工大學，2007.

［3］黃長強，朱鶴松.球形破片對靶板極限穿透速度公式的建立［J］.彈箭與制導學報，1993(4):58－61.

［4］賈光輝，孫學清，裴思行.極限穿透速度與靶板材料動態(tài)屈服強度［J］.彈道學報，1998(4):46－49.

［5］ Czarnecki G J.Estimation of the V50Using Sem-empirical(1-point)Procedures ［J］.Com-posites part B:Engneering，1998(3):321－329.

［6］ Martineau R L，Prime M B，Duffey T.Penetration of HSLA-100 SteelWith Tungsten Carbide SpheresAtStriking Velocities Between 0.8 and 2.5 km/s［J］.International Journal of Impact Engineering，2004(5):505 －520.

［7］錢偉長.穿甲力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1984.

［8］馬曉青，韓 峰.高速碰撞動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1998.

［9］午新民，鎢合金球體對有限厚靶板侵徹的理論與實驗研究［D］.北京:北京理工大學，2007.

［10］徐豫新，王樹山，翟 喆，等.高速鎢合金破片對中厚鋼靶的穿甲效應研究［C］.2009年第九屆沖擊動力學學術(shù)會議，2009:678－682.

Armor-piercing ultimate of tungsten alloy spherical fragment against low-carbon steel

XU Yu-xin1，WANG Shu-shan1，BO Xue-fei2，LIANG Yong2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.Factory 5103 China North Industries Group Corporation，NanZhao 473000，China)

The extreme values of specific mass tungsten alloy spherical fragment penetrating and perforating lowcarbon steel were studied.For armor-piercing of tungsten alloy spherical fragment against semi-infinite and finite thickness low-carbon steel with higher projectile penetration speed，firstly，ultimate penetration depth of the spherical fragment with typical diameter was obtained using numerical simulation，at the same time，the relation between ultimate pierced thickness and the diameter of the spherical fragment was gained.Based on the above results，armor-piercing tests of different diameter fragments against Q235 steel plate were done，the test results agreed well with those of numerical simulations.According to test phenomena and numerical simulations，the damage form of the spherical fragment was analyzed with different impact speed.The research results were valuable for engineering applications.

tungsten alloy spherical fragment;low-carbon steel;ultimate penetration depth;ultimate pierced thickness

TJ012.4

A

2010－02－23 修改稿收到日期:2010－03－18

徐豫新 男，博士生，1982年8月生