彈體斜侵徹混凝土靶的跳彈及其規(guī)律研究

薛建鋒,沈培輝,王曉鳴

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

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彈體斜侵徹混凝土靶的跳彈及其規(guī)律研究

薛建鋒,沈培輝,王曉鳴

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

摘要：為了研究侵徹過程中的跳彈問題，對不同頭部形狀的彈體侵徹混凝土靶進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過建立跳彈的計(jì)算模型，對平頭、圓頭和尖頭彈體的跳彈現(xiàn)象進(jìn)行了模擬計(jì)算；研究了3種彈體在不同速度影響下的跳彈規(guī)律和跳彈臨界角范圍；通過正交試驗(yàn)分析了跳彈現(xiàn)象由大到小的影響因素。結(jié)果表明，彈體頭部越銳長，跳彈臨界角越大；隨著侵徹速度從652m/s增加到1022m/s，臨界角從44°增加到66°；跳彈現(xiàn)象由大到小的影響因素分別為：彈體頭部形狀、彈體材料和侵徹速度。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；跳彈；頭部形狀；侵徹試驗(yàn)；正交試驗(yàn)；彈體；跳彈臨界角；混凝土靶

引 言

彈體侵徹過程中的跳彈現(xiàn)象是彈體斜侵徹作用中產(chǎn)生的一種特殊現(xiàn)象。由于初始著角、攻角的存在，以及速度、彈頭形狀、彈靶材料等因素的影響，使得彈體的受力不對稱，從而由靶體對彈體阻力相對于彈體的質(zhì)心產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，造成彈體在侵徹過程中偏航彈道[1-4]。跳彈問題的研究是以避免出現(xiàn)跳彈現(xiàn)象為目的，主要集中在提高侵徹能力，獲得較優(yōu)的侵徹效果[5]。

國內(nèi)外對侵徹過程中的跳彈問題進(jìn)行了較多研究。Goldsmith[6]對彈體非理想撞擊鋼靶進(jìn)行了理論、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究；陳小偉[7]提出了尖頭剛性彈斜侵徹金屬靶的分析模型，以預(yù)測跳彈發(fā)生的臨界條件；李靜海[8]發(fā)現(xiàn)平頂形彈體的跳彈角比尖頂形彈體跳彈的彈著角小，帶防滑環(huán)尖頂彈體發(fā)生跳彈的臨界著角更大；Segletes[9]對長桿彈的跳彈進(jìn)行了分析，得到桿體長度對跳彈的影響規(guī)律；余文力和吳榮波[10-11]研究了初始著靶條件對跳彈現(xiàn)象的影響，得到了跳彈臨界角范圍；郭劉偉[12]提出的半切割環(huán)彈體提高了防跳彈及后續(xù)侵徹性能；胡德安[13]通過數(shù)值模擬研究了不同頭部形狀子彈侵徹鋼靶并得到跳彈規(guī)律及跳彈臨界角范圍。

本研究針對跳彈問題，在考慮頭部形狀和速度的條件下，對彈體侵徹進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了不同頭部形狀彈體的跳彈臨界角。通過正交試驗(yàn)分析得到跳彈現(xiàn)象的影響因素，以期為斜侵徹彈道分析和彈體頭部形狀設(shè)計(jì)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料

侵徹試驗(yàn)中使用平頭和尖頭兩種結(jié)構(gòu)的彈體，如圖1所示。彈身直徑均為10mm，質(zhì)量為80g，材料為35CrMnSiA高強(qiáng)度合金鋼，淬火后其屈服強(qiáng)度為1500MPa，硬度值(HRC)為45。試驗(yàn)用混凝土靶體直徑為300mm，側(cè)面采用3mm厚鋼板圍箍，混凝土靶密度為2400kg/m3。試驗(yàn)采用25mm滑膛炮作為加載裝置。

圖1　彈體實(shí)物圖Fig. 1　Photos of projectiles

1.2侵徹試驗(yàn)

彈體斜侵徹混凝土?xí)r受到靶體的阻力作用，由于阻力與彈體運(yùn)動(dòng)方向不一致，從而導(dǎo)致彈體運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生改變，當(dāng)變?yōu)槠x靶面的方向時(shí)，彈體就會飛出靶面發(fā)生跳彈現(xiàn)象。平頭彈在傾角為51°、侵徹速度達(dá)到805m/s時(shí)發(fā)生跳彈現(xiàn)象。試驗(yàn)后彈體跳飛過程如圖2所示。

圖2　侵徹試驗(yàn)中的跳彈現(xiàn)象Fig. 2　Ricochet phenomenon in penetration experiments

從圖2可以看出，彈體侵入靶體后經(jīng)過彈道偏轉(zhuǎn)從靶板表面跳出，跳飛彈道與靶面法線夾角很大。在撞擊局部區(qū)域內(nèi)，彈道上方混凝土材料也會由于自由面拉伸作用而全部脫落，最終形成橢圓形彈坑。

不同侵徹速度下兩種結(jié)構(gòu)彈體侵徹混凝土靶試驗(yàn)中對應(yīng)的跳彈臨界角如表1所示。

表1　不同侵徹速度下兩種結(jié)構(gòu)彈體對應(yīng)的跳彈臨界角

2有限元模型

分別建立了平頭、圓頭和尖頭彈體侵徹混凝土靶的計(jì)算模型，見圖3。

圖3　不同頭部形狀的彈體結(jié)構(gòu)圖Fig. 3　Structure diagrams of projectiles with different nose shapes

計(jì)算中采用1/2模型以節(jié)約機(jī)時(shí)。彈體采用彈塑性模型，材料參數(shù)如下：密度為7.83g/cm3，彈性模量為207GPa，泊松比為0.3?；炷涟邪宀捎肏JC累計(jì)損傷強(qiáng)度模型， HJC模型中材料的本構(gòu)關(guān)系為：

σ*=[A(1-D)+BP*N](1+Clnε*)

(1)

混凝土材料模型參數(shù)為：壓潰點(diǎn)的壓力(Pc)和體積應(yīng)變(μc)，其值分別為0.016和0.0011；材料壓實(shí)點(diǎn)的壓力(Plock)和體積應(yīng)變(μlock)，其值分別為0.07和0.0008；K1、K2和K3為材料參數(shù)，其值分別為85、-171和208。

靶板四周均設(shè)置為固定約束，彈體和靶體對稱面采用對稱邊界條件。計(jì)算中采用Lagrange算法，采用Solid 64六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對彈體頭部及靶板的受沖擊區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。彈靶模型中設(shè)置的接觸類型為面面接觸，接觸中的靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.15和0.10。

3結(jié)果與討論

3.1跳彈現(xiàn)象的影響因素

對3種不同頭部形狀的彈體分別進(jìn)行了侵徹速度為800、900、1000m/s和傾角分別為50°、55°、60°、65°、70°、75°的54種工況的計(jì)算，用于分析侵徹過程中出現(xiàn)的跳彈現(xiàn)象。3種頭部形狀的彈體以不同侵徹速度和傾角侵徹混凝土，在800μs時(shí)彈體剩余速度(νr)在與靶板初始表面垂直方向的分量隨傾角(θ)的關(guān)系如圖4所示。

圖4　800μs時(shí)不同侵徹速度下彈體剩余速度和傾角的關(guān)系Fig. 4　Residual velocity of projectiles vs. oblique anglewith different penetrating velocity at 800μs

垂直于靶體上表面并指向上面外方向的速度分量為正，若出現(xiàn)跳彈現(xiàn)象，剩余速度在垂直方向的分量必會反向，即速度分量由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值。因此可從圖4中得出，當(dāng)侵徹速度為800m/s，平頭彈跳彈臨界角在50°左右，傾角為50°～70°時(shí)均發(fā)生跳彈現(xiàn)象；圓頭和尖頭彈跳彈臨界角分別為51°～56°、56°～61°。侵徹速度為900m/s 時(shí)，平頭、圓頭和尖頭彈跳彈臨界角分別為53°～58°、55°～60°、60°～65°。侵徹速度為1000m/s 時(shí)，3種頭部形狀彈體跳彈臨界角分別為60°～65°、65°～70°、65°～70°。不同頭部形狀彈體在800m/s侵徹速度下加載時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5　800m/s時(shí)不同頭部形狀彈體加載時(shí)程曲線Fig. 5　Load time history curves of projectiles with different nose shape at 800m/s

由圖5可知，平頭彈加載曲線變化最大，因此最易發(fā)生跳彈。模擬計(jì)算得出的結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果一致，不同頭部形狀彈體對應(yīng)的跳彈臨界角范圍見表2。

表2　不同頭部形狀彈體在不同侵徹速度下的跳彈臨界角范圍

從表2中可以看出，隨著侵徹速度的增大，不同頭部形狀彈體的跳彈臨界角都逐漸增大，且平頭彈比圓頭彈的跳彈臨界角要小，頭部越尖的彈體跳彈臨界角越大。

3.2跳彈現(xiàn)象影響因素的正交試驗(yàn)分析

選取尖頭、圓頭和平頭3種彈形，彈體材料分別為鋁合金、35CrMnSiA和鎢合金，材料的屈服強(qiáng)度和硬度依次增加，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析彈頭形狀、彈體材料和侵徹速度3種因素對跳彈臨界角的影響。

待考察指標(biāo)為跳彈臨界角，待考察因素定為彈體頭部形狀、彈體材料及侵徹速度3項(xiàng)，每個(gè)因素取3個(gè)水平，3個(gè)水平對應(yīng)取值如表3所示。

表3　正交試驗(yàn)因素及各因素水平表

根據(jù)表3中因素及水平，選用L9(34)的正交表，根據(jù)模型參數(shù)表，構(gòu)建3因素3水平正交試驗(yàn)，如表4所示。根據(jù)上述分析，進(jìn)行極差分析可以得到各因素對指標(biāo)影響的顯著性排序。

表4　正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表4中給出待考察指標(biāo)在A、B、C 3個(gè)因素的不同水平條件下的極差分析，極差R越大表明該因素的影響程度越高，可以得到因素主次順序?yàn)锳、B、C，即因素A彈頭形狀對跳彈的影響最大，因素B彈體材料的影響次之，因素C侵徹速度對彈體的跳彈角影響最小。通過極差分析，選取因素的水平變化和跳彈臨界角的平均值分別作為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，繪制水平與指標(biāo)關(guān)系圖，觀察各因素指標(biāo)變化情況，如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)彈體頭部形狀為尖頭、材料為鎢合金和侵徹速度為1000m/s時(shí)跳彈臨界角最大，表明抗跳彈能力最強(qiáng)，與試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果一致，說明正交試驗(yàn)結(jié)果的可行性。

圖6　因素水平與跳彈臨界角關(guān)系圖Fig. 6　Relationship of the factor level and critical angle of ricochet

對尖頭、材料為35CrMnSiA的彈體在不同侵徹速度下侵徹混凝土靶進(jìn)行跳彈極限角研究，得到侵徹速度為652、743、858、922和1022m/s時(shí)，跳彈臨界角分別為40°、45°、50°、55°和66°。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，擬合曲線如圖7所示。

圖7　跳彈極限角與侵徹速度的關(guān)系Fig. 7　Relation between ricochet limit angle and velocity

由圖7可得到跳彈極限角與侵徹速度之間的變化函數(shù)關(guān)系式為

η=65.3-0.1ν+0.012ν2

(3)

因此可以得到跳彈極限角隨侵徹速度的變化規(guī)律為：侵徹速度越高，抗跳飛能力越高，彈體的跳彈極限角越大。

4結(jié)論

(1) 針對侵徹過程中的跳彈現(xiàn)象，對不同頭部形狀的彈體侵徹混凝土靶進(jìn)行試驗(yàn)，并建立對應(yīng)的計(jì)算模型，兩者結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

(2) 針對不同頭部形狀的彈體，以剩余速度進(jìn)行分析得到跳彈臨界角的變化規(guī)律，即隨著侵徹速度的增大，不同彈體的跳彈臨界角都逐漸增大。由此可知，彈頭越尖，跳彈臨界角越大；侵徹速度越高，抗跳飛能力越高，彈體的跳彈極限角越大。

(3) 通過正交試驗(yàn)，獲得了彈體頭部形狀、彈體材料和侵徹速度3種因素對跳彈的影響規(guī)律，由大到小的順序?yàn)椋簭楊^形狀、彈體材料和侵徹速度。

參考文獻(xiàn)：

[1]Johnson W, Reid S R. Ricochet of spheres of water [J]. Journal of Mechanic and Science, 1975, 17(2):71-81.

[2]Backman M E, Goldsmith W. The mechanics of penetration of projectiles into targets [J]. International Journal of Engineering Science, 1978, 16(1):1-99.

[3]葉小軍,杜忠華,胡傳輝,等. PELE侵徹破壞鋼筋混凝土靶的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2012, 35(4):86-91.

YE Xiao-jun, DU Zhong-hua, HU Chuan-hui, et al. Numerical calculation and experiment of PELE penetrated and broken reinforced concrete targets[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2012, 35(4):86-91.

[4]徐文崢，王晶禹，李小東，等.PBXN-5裝藥侵徹混凝土過載力學(xué)響應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2011，34(1)：59-62.XU Wen-zheng, WANG Jing-yu, LI Xiao-dong, et al. Experiment study on the deceleration mechanical response of PBXN-5 charges into concrete[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants,2011,34(1):59-62.

[5]錢偉長. 穿甲力學(xué)[M]. 北京:國防工業(yè)出版 社,1984.

QIAN Wei-chang. Mechanics of Perforation [M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1984.

[6]Goldsmith W. Non-ideal projectile impact on targets: review [J]. International Journal of Impact Engineering, 1999, 22(2): 95-395.

[7]Chen X W, Li Q M. Deep penetration of a non-deformable projectile with different geometrical characteristics [J]. International Journal of Impact Engineering, 2002, 27(6):619-637.

[8]李靜海.半穿甲爆破型反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部毀傷效果分析[J].飛航導(dǎo)彈,2005(7): 52-55.

LI Jing-hai. Semi-armor-piercing blast of anti-ship missile warhead damage effects [J]. Cruise Missile, 2005(7): 52-55.

[9]Segletes S B. A model for rod ricochet [J]. International Journal of Impact Engineering, 2006, 32:1403-1439.

[10] 余文樂,王濤,董亮.戰(zhàn)斗部對混凝土靶板的斜侵徹跳彈極限角的計(jì)算[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2008, 28(5):109-112.

YU Wen-le, WANG Tao, DONG Liang. Computation of ricochet angle for oblique penetration of warhead into concrete targets [J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2008, 28(5):109-112.

[11] 吳榮波,陳智剛,王慶華.入射角對跳彈現(xiàn)象影響 的數(shù)值模擬[J].設(shè)計(jì)與研究,2011(10):18-20.

WU Rong-bo, CHEN Zhi-gang, WANG Qing-hua. Numerical simulation on the impact effect of incidence angle impacting ricochet [J]. Design and Research, 2011(10):18-20.

[12] 郭劉偉,譚多望.帶切割環(huán)彈體斜侵徹鋼靶行為的數(shù)值模擬[J].高壓物理學(xué)報(bào),2013,27(6):833-838.

GUO Liu-wei, TAN Duo-wang. Numerical studies on the oblique penetration behavior of the projectile with cutting mechanism into a steel target [J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2013, 27(6):833-838.

[13] 胡德安,李霞,梁超.不同頭部形狀子彈侵徹鋼板的跳彈及規(guī)律研究[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2012,29(6):752-757.

HU De-an, LI Xia, LIANG Chao. Research on ricochet and its regularity of projectiles with different nose shapes penetrating steel target [J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2012, 29(6):752-757.

Research on Ricochet and Its Regularity of Projectiles Obliquely Penetrating into Concrete Targets

XUE Jian-feng, SHEN Pei-hui, WANG Xiao-ming

(ZNDY Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To study the ricochet problem in penetrating process, the experiment study on penetrating into concrete targets of projectiles with different nose shape was carried out. The simulation and calculation of the ricochet phenomenon of projectiles with different nose shapes (blunt, hemispherical and conical) were performed through the establishment of calculation model of ricochet. The regularity and range of critical angle of ricochet under the influence of different velocity for three kinds of projectiles were studied. The factors affecting the ricochet from big to small were analyzed via orthogonal test. The results show that with increasing the penetrating velocity from 652m/s to 1022m/s, the critical angle increases from 44° to 66°. The order of factors affecting the ricochet from big to small is the shape of the nose, the material of the projectiles and the penetrating velocity, respectively.

Keywords:explosion mechanics; ricochet; head shape; penetration test; orthogonal experiment; projectile; ricochet critical angle; concrete target

中圖分類號：TJ55；O38

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)02-0054-05

作者簡介:薛建鋒(1987-)，男，博士研究生，從事終點(diǎn)效應(yīng)與目標(biāo)毀傷研究。E-mail:xuejianfeng666@163.com

基金項(xiàng)目:國家“973”資助項(xiàng)目(6131430203)

收稿日期:2015-11-06；修回日期:2016-01-11

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.011