PELE侵徹復合裝甲數值模擬

李　干,王志軍,王　妍,李　碩

(1.中北大學 機電工程學院,太原 030051;2.中國兵器工業(yè)第208研究所,北京 102202)

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PELE侵徹復合裝甲數值模擬

李干1,王志軍1,王妍1,李碩2

(1.中北大學 機電工程學院,太原 030051;2.中國兵器工業(yè)第208研究所,北京 102202)

為了探究橫向增強型侵徹體(PELE)侵徹復合裝甲后的毀傷效果,采用顯式非線性動力分析軟件AUTODYN,對裝填特氟龍(聚四氟乙烯)的侵徹膨脹彈以900 m/s著靶速度侵徹復合靶板的過程進行了數值模擬,得到PELE彈對復合靶侵徹破壞效應及相關參數。結果表明:聚碳酸酯(玻璃纖維)、聚氨酯(泡沫塑料)與凱夫拉復合裝甲的結構均被PELE的橫向效應所破壞;復合裝甲的夾心材料不同,靶板的破壞程度也不盡相同;復合裝甲能對PELE的橫向效應起到一定的抑制作用,而凱夫拉材料抑制作用較好。

橫向增強型侵徹體;復合裝甲;侵徹;數值模擬

橫向增強型侵徹體(penetrator with enhanced lateral efficiency,PELE),是一種基于新型毀傷機理的新概念彈藥,它由高密度的外層殼體和殼體內的低密度惰性填充材料組成。PELE彈丸穿透目標后,部分殼體碎裂形成大量破片,對目標后的設備、有生力量等進行殺傷,使PELE彈丸兼有穿甲和毀傷功能,實現了一彈多用。

隨著軍事技術的進步,越來越多的裝甲目標已經采用復合裝甲[1-4],而現階段關于PELE侵徹靶板的研究主要集中在金屬薄靶[5-9]和鋼筋混凝土靶[10-11],對復合裝甲的研究較少。因此,本文擬采用數值模擬的方法,對PELE侵徹復合裝甲的過程進行初步研究,探尋復合裝甲中的夾層對PELE毀傷元的影響,為PELE實際研究工作提供一定的參考。

1　仿真模型的建立

利用顯式非線性動力分析軟件AUTODYN,對PELE垂直侵徹復合靶板進行數值計算,圖1即為采用顯式線性動力分析軟件AUTODYN建立的PELE垂直侵徹復合靶板的數值計算模型。

圖1　PELE垂直侵徹復合靶板的數值計算模型

PELE為理想的短圓柱桿,外徑12.7 mm,內徑10.16 mm,后端密封部長為5 mm,全長50.8 mm,填充物長45.8 mm。復合靶板長度與寬度均為40 mm,兩側的裝甲鋼厚度為3 mm,中間夾層厚度為4 mm。由于彈桿對靶板垂直侵徹具有對稱性,所以建立1/4計算模型,對稱面設置對稱約束。計算對象為鎢合金外殼裝填特氟龍的PELE垂直侵徹復合靶板,著靶速度為900 m/s,計算時間為100 μs。模擬過程中忽略熱能損失。

為了能夠較為全面地展示PELE侵徹靶板后的破片情況,采用SPH算法。彈丸和靶板材料參數均來自AUTODYN材料庫,具體參數如材料密度ρ等見表1。

表1　計算所用材料參數及模型

2　計算結果與分析

2.1PELE侵徹復合裝甲過程

以凱夫拉板復合裝甲為例,圖2即為PELE侵徹全過程,從t=0至t=100 μs,每隔20 μs的截圖?？梢钥闯?當t=20 μs時,彈體穿透前靶板進入夾層,彈芯受到軸向擠壓開始徑向擴張;而進入夾層后,由于凱夫拉無論是強度還是密度均遠小于前靶板材料,徑向約束力大大下降,因此在夾層中殼體開始向徑向擴張,將周圍夾層材料排開,形成局部空腔,這一點在t=40 μs時得到體現。隨后,彈體穿透后靶板,開始形成破片云。值得注意的是,前靶板的擠壓作用使得彈頭部變粗,因此可以明顯看出后靶板的擴孔直徑比前靶板大很多。

2.2不同復合裝甲的侵徹結果

圖3～圖5分別為PELE侵徹聚碳酸酯(玻璃纖維)、聚氨酯(泡沫塑料)與凱夫拉板復合裝甲時彈丸穿透靶板后某一時刻(t=100 μs)的狀態(tài)圖(圖3(a)、圖4(a)、圖5(a))和破片速度云圖(圖3(b)、圖4(b)、圖5(b))。為了進行比較,特將未填充任何材料的間隔靶作為比較對象,如圖6所示,圖中,vABS為破片速度。

圖2　PELE侵徹復合裝甲過程

圖3　夾層材料為聚碳酸酯(玻璃纖維)時彈丸侵徹視圖

圖6　間隔靶的彈丸侵徹視圖

從總體效果來看,所有彈體在侵徹復合裝甲后均形成了破片云。復合靶總體效果大致相同,后靶板均比前靶板形成的孔徑大,靶內夾層中形成空腔,且均在靶后形成了破片云。從圖3～圖5可以看出,PELE對復合裝甲夾層的破壞均很嚴重,彈孔周圍的夾層材料被擠向四周,在彈孔周圍形成空腔。

分析圖3～圖6可以看出,雖然彈丸均穿透靶板,但在靶后的現象卻差別較大,具體差別如表2所示,表中,vmax為最大破片速度,vr為彈體靶后剩余速度,rs為橫向效應區(qū)域半徑,r為靶板開孔半徑。對于vmax來說,間隔靶最高,聚碳酸酯(玻璃纖維)與聚氨酯(泡沫塑料)復合靶次之,凱夫拉復合靶最低。彈體侵徹凱夫拉復合裝甲后的剩余速度vr最低,速度降幅達34%,聚氨酯(泡沫塑料)復合裝甲居中,聚碳酸酯(玻璃纖維)和間隔靶最高。而在橫向效應區(qū)域rs方面,凱夫拉復合靶面積最小,聚氨酯(泡沫塑料)與間隔靶居中,聚碳酸酯(玻璃纖維)復合靶的面積最大。3種復合裝甲在靶板開孔半徑r上區(qū)別不大,均高于間隔靶。

表2　PELE在靶后的參數

比較聚碳酸酯(玻璃纖維)、聚氨酯(泡沫塑料)、凱夫拉與間隔靶4種靶板所對應的破片橫向速度曲線,如圖7所示,其中,vl為破片橫向速度,可以觀察到聚氨酯(泡沫塑料)與凱夫拉的速度變化情況相似,橫向速度最高峰均出現在20～40 μs之間,即彈體在靶板夾層內,而聚碳酸酯(玻璃纖維)與間隔靶出現在40～60 μs之間,即彈體穿透靶板后。在t=100 μs時破片的橫向速度間隔靶最高,約為40 m/s,而凱夫拉復合靶的最低,約32 m/s。比較聚碳酸酯(玻璃纖維)、聚氨酯(泡沫塑料)與凱夫拉3種夾層材料可以看出,聚氨酯(泡沫塑料)與凱夫拉對破片橫向速度具有比聚碳酸酯(玻璃纖維)更強的抑制作用;尤以凱夫拉材料最明顯,從速度最高峰(t=20 μs)至計算結束時(t=100 μs)破片橫向速度降幅達27.84%,這有利于減輕破片帶來的毀傷。

圖7　侵徹復合裝甲的彈體破片橫向速度曲線

凱夫拉纖維的抗彈道沖擊性應歸功于其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高結晶性、高取向結構及高拉伸性能。熱穩(wěn)定性可以保證纖維在受到彈丸沖擊時保持其力學穩(wěn)定性;較高的結晶度和取向度使其具有較高模量;而凱夫拉纖維所特有的柔韌性使其在高應力下具有高斷裂延伸率。具體來說,當彈體穿過第1層裝甲鋼進入凱夫拉纖維后,殼體破碎的能量被纖維層吸收了一部分,雖然隨后彈體又穿透第2層裝甲鋼,但比較間隔靶來說,正如圖7及表2所示,凱夫拉吸收了彈體在穿透第1層裝甲鋼時積蓄的能量。而彈體在侵徹第2層裝甲鋼時,彈體前端被大量凱夫拉纖維碎片所包裹且凱夫拉纖維具有特有的柔韌性,使得殼體破碎需要額外克服這種阻力,這進一步使彈體破片橫向速度降低。

聚碳酸酯(玻璃纖維)雖然也有較高的柔韌性,但其柔韌性不如凱夫拉。而對于聚氨酯(泡沫塑料)來說,良好的壓縮性使其吸能效果好,因此對彈體的動能也具有較好的吸收作用。

綜合分析以上3種夾層材料可以看出,凱夫拉材料可以抑制靶后破片速度,減小彈體在靶后的剩余速度和橫向效應區(qū)域,對PELE的橫向效應具有一定的抑制作用。

3　結論

PELE以900 m/s的速度侵徹不同夾層材料的復合靶時,10 mm厚的復合靶被完全貫穿破壞,靶板背面的破壞程度比正面嚴重,整體結構遭到嚴重破壞。靶板破壞模式為拉伸斷裂、彎曲斷裂及剪切斷裂。彈體仍具有橫向效應,復合靶的夾層材料不同對PELE在靶后的橫向效應影響很大。具體來說,破片速度、橫向效應區(qū)域、靶后剩余速度及后靶板開孔半徑均存在明顯差異,凱夫拉材料對PELE的橫向效應阻礙作用最明顯。

雖然本文僅對PELE侵徹復合裝甲進行了分析,討論了具體夾層材料性能,未對斜侵徹情況進行分析,但仍能看出復合裝甲在防御PELE彈方面擁有巨大潛力。

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Numerical Simulation of PELE Penetrating Composite Armor

LI Gan1,WANG Zhi-jun1,WANG Yan1,LI Shuo2

(1.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industry,Beijing 102202,China)

In order to analyze the damage effect of the penetrator with enhanced lateral efficiency(PELE)penetrating composite armor,an explicit nonlinear dynamic analysis software AUTODYN was used to simulate the process of PELE filled with Teflon(polytetrafluoroethylene)penetrating composite target plate using the speed of 900 m/s,and the destructive effect and relevant parameters of PELE penetrating composite armor were obtained finally.The result shows that the composite armor constructed by polycarbonate(glass fibre),polyurethane and Kevlar is damaged seriously by lateral efficiency of PELE.The different composite-armors have different damage.The composite armor has definite inhibitory effect on lateral efficiency of PELE,and the inhibitory effect of Kevlar is better.

PELE;composite armor;penetration;numerical simulation

2016-05-03

李干(1991- ),男,碩士研究生,研究方向為毀傷與彈藥工程。E-mail:1301804771@qq.com。

王志軍(1963- ),男,教授,博士生導師,研究方向為彈藥工程及毀傷。E-mail:wzj@nuc.edu.cn。

TJ411

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1004-499X(2016)03-0081-05