預(yù)控破片形成及侵靶行為數(shù)值模擬*

萬(wàn)仁毅， 李德元

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

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預(yù)控破片形成及侵靶行為數(shù)值模擬*

萬(wàn)仁毅， 李德元

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

為了優(yōu)化預(yù)控破片彈的彈體預(yù)制槽加工方案，增強(qiáng)彈丸殺傷威力，提高彈體材料利用率，運(yùn)用有限元軟件ANSYS模擬了局部彈體材料爆轟形成預(yù)控破片的過(guò)程，研究了預(yù)控破片分別以不同初速度和不同侵徹角侵徹三種靶板的行為，并對(duì)模型應(yīng)力分布和破片速度衰減變化進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明，預(yù)制槽附近首先發(fā)生破碎，形成了形狀規(guī)則的預(yù)控破片，破片的初速度、靶板材料和侵徹角都將顯著影響預(yù)控破片的侵徹能力.模擬結(jié)果可為預(yù)控破片彈的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.

ANSYS軟件； 有限元； 侵徹； 靶板； 預(yù)控破片； 彈體材料； 數(shù)值模擬； 模型

爆炸型彈藥形成的破片存在自然破片、預(yù)制破片和預(yù)控破片三種形式.多數(shù)爆炸型彈藥和通用炸彈會(huì)在爆炸時(shí)形成自然破片，彈丸殼體在爆炸作用下發(fā)生破碎并形成自然破片后，會(huì)向四周高速飛散，這些自然破片形狀各異、尺寸不一，初速度也并不相同，而破片的形狀、尺寸和初速度會(huì)對(duì)殺傷效果產(chǎn)生較大影響[1].增加破片的動(dòng)能是增加榴彈殺傷威力的主要方式之一，可以考慮通過(guò)降低破片質(zhì)量的方式增加破片數(shù)量[2].預(yù)控破片是指在炸藥爆炸后形成的爆轟波作用下，戰(zhàn)斗部殼體以特定的破碎形式形成的形狀規(guī)則的破片.常用的預(yù)控破片形成技術(shù)包括殼體刻槽、裝藥內(nèi)表面刻槽和殼體內(nèi)嵌金屬罩等.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值仿真模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真模擬成為解決這類問(wèn)題的重要手段.由于預(yù)控破片的形成、飛散及其終點(diǎn)毀傷效應(yīng)等都是非常復(fù)雜的物理、力學(xué)過(guò)程，理論分析比較困難，而數(shù)值仿真方法能夠模擬介質(zhì)間的高速碰撞、相互作用、變形相變和斷裂等復(fù)雜過(guò)程，從而獲得清晰、連續(xù)變化的物理圖像與各種物理量的變化規(guī)律，進(jìn)而可以準(zhǔn)確了解破片的形成過(guò)程[3].采用計(jì)算機(jī)模擬方法分析破片的形成過(guò)程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以為預(yù)控破片彈的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論參考.

國(guó)外學(xué)者針對(duì)預(yù)控破片戰(zhàn)斗部方面的研究起步得較早，尤其是在破片侵徹方面取得了很多研究成果[4].Finnegan[5]等研究了在不同侵徹狀態(tài)下，戰(zhàn)斗部空間破片的質(zhì)量和速度分布規(guī)律.隨著研究的進(jìn)一步深入，Joseph[6]等研究了質(zhì)量不等的自然破片撞擊裝甲復(fù)合靶板的過(guò)程，建立了自然破片侵徹速度、破片質(zhì)量與侵徹深度之間的關(guān)系.目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)民用和軍用領(lǐng)域內(nèi)戰(zhàn)斗部侵徹、毀傷作用數(shù)值模擬方面的研究較多，取得的數(shù)值模擬結(jié)果可為各種結(jié)構(gòu)和新型彈丸的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供理論參考[7-8].

1　實(shí)體模型的建立

截取彈丸圓柱部的中間段進(jìn)行數(shù)值模擬分析，上下斷面均為軸向約束.由于圓柱形彈丸殼體具有對(duì)稱性，因此，采用自頂向下的方法建立四分之一實(shí)體模型.在實(shí)體模型中，圓柱形殼體的外徑為122 mm，壁厚為10 mm，高為92 mm.在圓柱形殼體外表面刻出方形槽，且槽寬為4 mm，槽深為2 mm，槽間隔為12 mm.為了提高數(shù)值模擬的精度，選用SOLID164三維實(shí)體單元進(jìn)行建模，殼體材料選用50SiMnVB.由于戰(zhàn)斗部在爆炸過(guò)程中伴隨高溫、高壓和高應(yīng)變率等現(xiàn)象，因此，可以釆用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬金屬爆炸成型、彈道侵徹和沖擊過(guò)程.殼體和靶板材料的具體參數(shù)如表1所示.此外，試驗(yàn)中選用HMX炸藥，采用高能炸藥材料模型和JWL狀態(tài)方程進(jìn)行建模，且JWL狀態(tài)方程表達(dá)式為

(1)

式中：p為轟炸產(chǎn)物的壓力；V為轟炸產(chǎn)物的相對(duì)比容；ω、A、B、R1、R2為表征炸藥特性的相關(guān)參數(shù)；E為初始比內(nèi)能.JWL狀態(tài)方程各參數(shù)的具體數(shù)值如表2所示.

表1　模型殼體材料參數(shù)

表2　JWL狀態(tài)方程參數(shù)

靶板材料分別選用杉木板、均質(zhì)鋼板和LY12靶板，規(guī)格均為100 mm×100 mm×10 mm.彈塑性模型可以很好地描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因此，采用MAT-PLASTIC-KINEMATIC模型對(duì)靶板進(jìn)行建模.建立破片侵徹靶板的實(shí)體模型后，為了使計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際情況，劃分網(wǎng)格時(shí)破片和靶板的網(wǎng)格邊長(zhǎng)均取為1 mm，并采用映射方式劃分網(wǎng)格.模型建立后，需要設(shè)定分析選項(xiàng).在模型對(duì)稱面施加法向的對(duì)稱約束，靶板邊界處施加反射界面.采用單面侵蝕接觸算法分析破片和靶板之間的關(guān)系.建立實(shí)體模型后，采用拉格朗日算法對(duì)殼體材料和炸藥進(jìn)行仿真.劃分網(wǎng)格時(shí)殼體材料和炸藥網(wǎng)格邊長(zhǎng)也均取為1 mm.采用映射方式對(duì)殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用掃略方式對(duì)炸藥進(jìn)行網(wǎng)格劃分.在建立的實(shí)體模型的對(duì)稱面上施加約束，殼體刻槽后的彈丸戰(zhàn)斗部與預(yù)控破片侵靶模型如圖1所示.

實(shí)體模型完成網(wǎng)格劃分后，需要設(shè)置分析選項(xiàng).首先，需要設(shè)定能量選項(xiàng)，從而方便考察炸藥面與殼體表面在接觸碰撞過(guò)程中的能量傳遞和變化過(guò)程，以及炸藥爆炸過(guò)程中炸藥面與殼體表面接觸時(shí)的能量耗損過(guò)程.然后，需要設(shè)置求解時(shí)間和時(shí)間步，將時(shí)長(zhǎng)同步比例因子設(shè)置為0.6，輸出結(jié)果的時(shí)間步大小設(shè)置為0.5 μs.同時(shí)，需要在模擬計(jì)算過(guò)程中，保證時(shí)間步的間隔大小與數(shù)值解的精度要求相匹配.分析選項(xiàng)設(shè)置完成后生成了k文件，需要修改k文件中的材料模型和狀態(tài)方程關(guān)鍵字，注意材料號(hào)和狀態(tài)方程號(hào)需要一一對(duì)應(yīng)，并設(shè)置炸藥的起爆方式.當(dāng)完成對(duì)k文件的參數(shù)設(shè)定后，調(diào)用LS-DYNA970求解器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值求解.求解結(jié)束后，利用LS-PREPOST軟件調(diào)取計(jì)算結(jié)果，輸出應(yīng)力、應(yīng)變和速度曲線，同時(shí)對(duì)預(yù)控破片的速度隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析.利用通用后處理器POST1，觀察殼體和炸藥的變形、應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài).利用時(shí)間歷程后處理器POST2繪制時(shí)間歷程曲線.

圖1　彈丸戰(zhàn)斗部和預(yù)控破片侵靶模型Fig.1　Models for projectile warhead and penetration target of pre-formed fragments

2　分析與討論

利用LS-PREPOST軟件調(diào)用實(shí)體模型的計(jì)算結(jié)果后，可以動(dòng)態(tài)演示預(yù)控破片的形成過(guò)程.圖2為在預(yù)控破片形成過(guò)程中，不同時(shí)刻下殼體所受的應(yīng)力分布.由圖2可見(jiàn)，當(dāng)炸藥采用中心起爆方式時(shí)，殼體由刻槽的位置開(kāi)裂破碎，形成了形狀規(guī)則的破片.由于炸藥從中心開(kāi)始起爆，爆炸后產(chǎn)生的爆轟波會(huì)向殼體兩端傳播，在殼體上下兩個(gè)端面處存在氣體大量溢出的現(xiàn)象，因此，殼體中間部分破碎后產(chǎn)生的破片速度明顯大于殼體兩端.

利用圖2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立當(dāng)具有規(guī)則形狀的預(yù)控破片以1 100 m/s的初速度垂直侵徹杉木板時(shí)的應(yīng)力分布模型，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬.侵徹杉木板時(shí)破片的應(yīng)力分布和速度變化曲線如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，在開(kāi)坑過(guò)程中破片消耗的能量較少，破片剩余速度較大.當(dāng)貫穿靶板后，破片剩余速度達(dá)到1 040 m/s，超過(guò)了其初速度的94.5%，即預(yù)控破片穿透10 mm厚的杉木靶板后仍具備殺傷威力.

當(dāng)破片以500～1 100 m/s的初速度對(duì)LY12靶板進(jìn)行侵徹時(shí)，侵徹鋁板時(shí)破片的速度變化與剩余速度-初速度關(guān)系曲線如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，當(dāng)破片侵徹10 mm厚的LY12靶板時(shí)，穿透靶板的破片初速度極限為550 m/s；當(dāng)破片初速度大于極限穿靶速度后，破片的剩余速度隨著其初速度的增大近似呈線性關(guān)系增大.

圖2　不同時(shí)刻下殼體的應(yīng)力分布Fig.2　Stress distribution of shell at different time

當(dāng)模擬預(yù)控破片侵徹均質(zhì)鋼板時(shí)，預(yù)控破片的初速度為1 100 m/s，侵徹角分別為0°(垂直入射)、15°、30°和45°，侵徹鋼板時(shí)破片的速度變化與剩余速度-侵徹角關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，當(dāng)侵徹角處于0°～30°范圍內(nèi)時(shí)，隨著侵徹角的增大，破片剩余速度逐漸減少，且侵徹角越大，破片的剩余速度衰減程度越大.這是由于當(dāng)侵徹角增大時(shí)，破片在靶板水平方向的分速度增大，破片斜侵徹距離也隨之增大，因而消耗了大量動(dòng)能，導(dǎo)致破片剩余速度降低.當(dāng)侵徹角大于30°時(shí)，破片的剩余速度逐漸增大.這是由于此時(shí)破片并沒(méi)有穿透靶板，而是在斜侵徹一段距離后從靶板的右上方跳飛.

圖3　侵徹杉木板時(shí)破片的應(yīng)力分布和速度變化曲線Fig.3　Stress distribution and velocity change curve of fragments when penetrating Chinese fir board

圖4侵徹鋁板時(shí)破片的速度變化與剩余速度-初速度關(guān)系曲線

Fig.4Curves for velocity change and residual velocity-initial velocity of fragments when penetrating aluminum board

圖5侵徹鋼板時(shí)破片的速度變化與剩余速度-侵徹角關(guān)系曲線

Fig.5Curves for velocity change and residual velocity-penetration angle of fragments when penetrating steel board

當(dāng)預(yù)控破片以45°侵徹角對(duì)鋼板進(jìn)行侵徹時(shí)，侵徹鋼板不同時(shí)刻的應(yīng)力分布如圖6所示.由圖6可見(jiàn)，當(dāng)侵徹68 μs后，破片與靶板脫離接觸，即發(fā)生了跳飛現(xiàn)象(見(jiàn)圖6d).當(dāng)預(yù)控破片以1 100 m/s的初速度垂直侵徹不同靶板時(shí)，獲得的模擬結(jié)果如表3所示.由表3可見(jiàn)，當(dāng)預(yù)控破片以相同初速度垂直侵徹不同靶板時(shí)，破片速度衰減程度顯著不同，靶板屈服應(yīng)力是影響破片速度衰減的主要因素.

3　結(jié)　論

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，可以得出如下結(jié)論.

1) 當(dāng)預(yù)控破片以相同初速度垂直侵徹不同靶板時(shí)，破片速度衰減程度顯著不同.

圖6　侵徹鋼板不同時(shí)刻的應(yīng)力分布Fig.6　Stress distribution of penetrated steel board at different time

2) 當(dāng)破片初速度低于550 m/s時(shí)，破片不能穿透LY12靶板；當(dāng)初速度大于極限穿靶速度后，破片的剩余速度隨其初速度的增大近似呈線性關(guān)系增大.

3) 當(dāng)預(yù)控破片垂直侵徹均質(zhì)鋼靶時(shí)，速度衰減很慢；當(dāng)侵徹角增大至30°時(shí)，速度衰減較快；當(dāng)侵徹角增大至45°時(shí)，侵徹過(guò)程中出現(xiàn)跳飛現(xiàn)象.

表3　預(yù)控破片垂直侵徹不同靶板的模擬結(jié)果

[1]吳廣，陳赟，馮順山，等.鋼靶運(yùn)動(dòng)對(duì)彈丸侵徹效應(yīng)影響的仿真研究 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(2)：498-503.

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(WANG Yao.Study on numerical simulation of damage efficiency of prefabricated fragment [D].Taiyuan：North Central University，2012：7-11.)

[4]黃經(jīng)偉.破片式戰(zhàn)斗部破片規(guī)律及破片對(duì)步兵戰(zhàn)車的侵徹作用研究 [D].南京：南京理工大學(xué)，2014：15-20.

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(YANG Lu，SHI Xu-wu.Numerical simulation of plastic damage model for reinforced concrete beams [J].Journal of Shenyang University of Technology，2016，38(1)：97-101.)

(責(zé)任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Numerical simulation for formation and target penetrating behavior of pre-formed fragments

WAN Ren-yi, LI De-yuan

(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to optimize the machining scheme for the pre-formed projectile body grooves of pre-formed fragment projectile, enhance the lethal power of projectile body and improve the utilization rate of projectile body material, the detonation forming process of pre-formed fragments was simulated with finite element software ANSYS. In addition, the penetration behavior of pre-formed fragments on three kinds of target boards at different initial velocities and penetration angles was researched. The model stress distribution and the velocity attenuation of fragments were compared and analyzed. The results indicate that the vicinity of pre-formed grooves is firstly broken, and the pre-formed fragments with regular shape form. Moreover, the initial velocity of fragments, target board material and penetration angle will remarkably affect the penetration capability of pre-formed fragments. The simulated results can provide the

for the design and optimization of pre-formed fragment projectile.

ANSYS software; finite element; penetration; target board; pre-formed fragment; projectile body material; numerical simulation; model

2016-06-17.

遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(LZ2014013).

萬(wàn)仁毅(1979-)，男，重慶人，博士生，主要從事彈體新材料與新工藝等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.06

TG 156.33

A

1000-1646(2016)05-0508-05

*本文已于2016-09-07 16∶10在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1610.058.html