靶板狀況對亞音速射彈引信觸發(fā)彈道環(huán)境的影響

劉 鵬，王雨時，聞 泉，張志彪

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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靶板狀況對亞音速射彈引信觸發(fā)彈道環(huán)境的影響

劉 鵬，王雨時，聞 泉，張志彪

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對靶場射擊試驗中試驗條件差異可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的問題，應(yīng)用有限元仿真軟件ANSYS/LS-DYNA對不同目標狀態(tài)等進行了仿真，得到了亞音速射彈撞擊不同狀況靶板(包括靶板固定狀況、雙層靶板間的間隙大小、靶上彈著點區(qū)域、射彈重孔或連孔、靶架質(zhì)量大小和靶板傾角等)的前沖過載系數(shù)。其中靶板固定狀況、雙層靶板間的間隙和靶架質(zhì)量影響不大，而靶板上彈著點區(qū)域、射彈重孔或連孔、靶板傾角影響較大。仿真結(jié)果可為靶場射擊試驗實施及結(jié)果分析提供參考。

引信；仿真；試驗條件；靶板；觸發(fā)環(huán)境

0 引言

引信觸發(fā)性能直接影響所配用射彈作用效能。在引信觸發(fā)特性考核時常采用對靶射擊試驗方法，而在射擊試驗中的目標狀態(tài)等試驗條件往往存在差異，如靶板固定狀況、雙層靶板間的間隙大小、靶上彈著點區(qū)域、射彈重孔或連孔、靶架質(zhì)量大小和靶板傾角等。這些因素都可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。文獻[1]利用輕氣炮進行了卵形桿彈正撞擊單層板和等厚雙層板的實驗研究，分析了靶板間隙大小對雙層靶板失效模式以及抗侵徹性能的影響，得到間隙大小對間隙式雙層板抗侵徹性能影響較小并且該影響隨著彈體初始速度的增加而減小的結(jié)論。除此文之外目前未見有其他文獻涉及此研究領(lǐng)域。為了了解靶板狀態(tài)對亞音速射彈引信觸發(fā)彈道環(huán)境(亦即觸發(fā)靈敏度和鈍感度特性)的影響，本文利用有限元模型進行了詳細的計算機仿真分析。

1 仿真模型的建立

本文以低速和高速兩種40 mm口徑榴彈發(fā)射器用射彈為例進行分析。假設(shè)兩種射彈外形相同，如圖1所示。其中射彈長79 mm，射彈直徑40 mm，頭部為半球形。低速射彈速度76 m/s，質(zhì)量177 g；高速射彈速度244 m/s ，質(zhì)量245 g。靶板尺寸1×1 m2，同時還建立了相應(yīng)的靶架模型，靶架材料為鋼，質(zhì)量90 kg，靶架結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)心位置如圖2所示。射彈材料為鋁合金，采用RIGID材料模型；靶架采用RIGID和Johnson-Cook兩種材料模型；靶板材料為水曲柳膠合板、松木板、2A12鋁合金、Q235鋼，仿真材料模型及參數(shù)如表1和表2所列。由于目前對于水曲柳膠合板和松木板還沒有比較成熟的仿真材料模型，故將其近似為各項同性均質(zhì)材料。利用LS-DYNA軟件模擬彈丸撞擊不同靶板狀態(tài)的過程，忽略速度衰減的影響，上述初速即為彈丸著速，以彈丸撞擊靶板時所受加速度峰值(前沖過載系數(shù))大小來定量評定靶板狀態(tài)對射彈引信觸發(fā)特性的影響。

圖1 射彈結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 The structure and dimension

圖2 靶架結(jié)構(gòu)尺寸Fig.2 The structure and dimension of target frame

材料密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比屈服應(yīng)力/MPa失效應(yīng)變水曲柳膠合板0.80150.303.50.05松木板0.6412.50.304.00.05

表2 2A12鋁合金和Q235鋼Johnson-Cook材料模型主要參數(shù)[4-5]

2 仿真結(jié)果

2.1 靶板固定狀態(tài)對彈丸最大前沖過載系數(shù)的影響

靶板通常由靶架邊框支撐，應(yīng)用ANSYS/LS-DYNA軟件使用“點焊約束”將靶板固定在靶架上。由于剛體上不能施加點焊約束，故此時靶架采用Johnson-Cook模型，材料為Q235鋼。彈丸垂直命中靶板，彈著點位置為靶板中心。兩點固定的約束位置為A點及其對稱點，四點固定的約束位置為B點、C點及其對稱點，八點固定的約束位置為D點、E點、F點、G點及其對稱點。各點位置如圖3 所示，仿真結(jié)果如表3所列。

2.2 靶板上彈著點區(qū)域?qū)椡枳畲笄皼_過載系數(shù)的影響

靶架采用RIGID材料模型，靶板支撐在靶架上，利用靶架邊框結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上、下、左、右和后方約束。射彈在靶板上的彈著點區(qū)域如圖4所示，仿真結(jié)果如表4所列。

2.3 雙層靶間隙對彈丸最大前沖過載系數(shù)的影響

靶架采用RIGID材料模型；靶板支撐在靶架上，利用靶架邊框約束；有間隙的雙層靶在靶板邊緣采用與間隙等厚的木塊隔開；彈丸著點為靶板中心。雙層靶間隙大小如圖5所示，仿真結(jié)果如表5所列。與其對比的2倍厚度單層靶仿真結(jié)果如表6所列。表6中單層靶支撐面為鋼質(zhì)靶架，而表5中雙層靶第一層靶板支撐面為木板。

圖3 靶板固定點位置Fig.3 The fixed positions of target plate

圖4 彈丸著靶位置Fig.4 The target impact point of projectile

固定點數(shù)量低速射彈高速射彈2mm鋁合金板3mm水曲柳膠合板3mm鋼板2mm鋁合金板3mm水曲柳膠合板3mm鋼板222793554728620439491294522100242280156642882843949129472210848228005661288284394912945221121

表4 彈丸撞擊靶板不同位置時對應(yīng)的最大前沖過載系數(shù)

圖5 靶板間間隙變化Fig.5 The variation of the double layer target plate’s gap

間隙大小/mm低速射彈高速射彈3mm水曲柳膠合板9mm水曲柳膠合板3mm水曲柳膠合板9mm水曲柳膠合板0569316790141103251755483137251410932351205477137261265632351

表6 撞擊單層靶板時的最大前沖過載系數(shù)

2.4 靶板上彈著點“連孔”對彈丸最大前沖過載系數(shù)的影響

靶架采用RIGID材料模型；靶板支撐在靶架上，利用靶架邊框約束。模擬彈丸連續(xù)射擊過程的仿真模型如圖6所示：第一發(fā)彈丸著點為靶板中心，兩彈丸彈軸之間的距離為a，a模擬靶板上彈著點“連孔”對彈丸前沖過載的影響；兩彈丸軸向間距為X，為避免前一發(fā)射彈侵徹對后一發(fā)的影響，取低速射彈X為50.4 cm，高速射彈X為97.6 cm。第一發(fā)彈撞擊靶板時前沖過載仿真結(jié)果如表7所列，第二發(fā)彈丸撞擊靶板時前沖過載仿真結(jié)果如表8所列。

表7 第一發(fā)彈丸撞擊靶板的最大前沖過載系數(shù)

表8 彈丸與彈孔中心距不同時第二發(fā)彈丸撞擊靶板的最大前沖過載系數(shù)

2.5 靶架質(zhì)量對彈丸最大前沖過載系數(shù)的影響

靶架采用RIGID材料模型，調(diào)節(jié)靶架材料密度來模擬不同質(zhì)量的靶架；靶板支撐在靶架上，利用靶架邊框約束；彈丸著點為靶板中心。仿真結(jié)果如表9所列。

2.6 靶板傾角對彈丸最大前沖過載系數(shù)的影響

靶架采用RIGID材料模型，靶架質(zhì)量為90 kg；靶板支撐在靶架上，利用靶架邊框約束；彈丸著點為靶板中心。靶板平面與豎直平面之間的夾角為α，仿真模型如圖7所示，仿真結(jié)果如表10所列。

圖6 彈丸連續(xù)射擊仿真模型Fig.6 The simulation model of projectile continuous shooting

圖7 靶板傾斜時彈丸射擊仿真模型Fig.7 The simulation model of projectile when it impacts the obliquetarget plate

3 仿真驗證與結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果說明

文獻[6]對截錐形彈丸以200～1 000 m/s速度垂直貫穿薄靶板時動態(tài)特性進行了分析和計算，故在此只驗證高速射彈的仿真結(jié)果。截錐形彈丸碰擊薄靶板時將產(chǎn)生兩個破壞過程：一是彈頭引信前端面對靶板的沖塞剪切過程；二是彈丸錐面對靶板的擴孔撕裂過程。

表9 靶架質(zhì)量不同時彈丸撞擊靶板的最大前沖過載系數(shù)

表10 靶板傾角不同時彈丸撞擊靶板的最大前沖過載系數(shù)

沖塞過程靶板對彈丸總抗力的表達式為：

(1)

式(1)中,D為彈頭引信前端直徑；τs為靶板抗剪強度；h為靶板厚度；v為沖擊碰靶瞬態(tài)速度；A為彈頭引信前端面積；ρ為膠合板材料密度；Fiw為沖塞階段水曲柳膠合板靶板對彈丸的總抗力。

撕裂過程靶板對彈丸總抗力的表達式為：

(2)

式中rb為擴孔半徑；α為彈頭引信前段錐角；E為靶板彈性模量σs為鋁合金板的屈服應(yīng)力；σb為水曲柳膠合板的強度極限；Fw為撕裂階段水曲柳膠合板靶板對彈丸的總抗力。

將該球頭彈丸近似看作截錐形彈丸進行計算，近似彈頭結(jié)構(gòu)如圖8所示，利用式(1)和式(2)近似計算彈丸撞擊薄靶板時的最大前沖過載系數(shù)，所用計算參數(shù)如表11所列。

對于高速射彈撞擊3 mm厚水曲柳膠合板時沖塞剪切過程的的近似抗力為：

圖8 近似截錐彈丸尺寸Fig.8 The structure and dimension of approximate cone-shaped projectile

彈丸頭部直徑D/m膠合板抗剪極限強度τ/MPa擴孔半徑rb/m彈丸頭部錐角2α/(°)膠合板強度極限σb/MPa30×10-323.920×10-3903.5

撕裂過程的近似抗力為：

這與仿真結(jié)果得到的12 945接近，高速射彈的計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比如表12所示，考慮到彈丸頭部結(jié)構(gòu)近似處理的影響可認為該仿真結(jié)果基本上可信的。

表12 高速射彈撞擊膠合板最大前沖過載系數(shù)理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果對比

3.2 仿真結(jié)果討論

受仿真精度影響，表8和表9中個別數(shù)據(jù)規(guī)律略有異常，如表8中低速射彈撞擊2 mm鋁合金靶板時出現(xiàn)的16 291g和16 286g。

由表3的結(jié)果可看出，靶板固定狀況對射彈目標反力幾乎沒有影響，射擊試驗中可以利用靶架邊緣約束靶板而不需固定。

由表4的結(jié)果可看出，靶上彈著點區(qū)域?qū)ι鋸椝艿哪繕朔戳τ绊戄^大，射彈命中靶板邊緣處時所受目標反力要比射彈命中靶板中心處時的大，并且射彈速度越低，差異越大。

對比表5和表6可看出，雙層靶對射彈所受目標反力的影響只是略大于單層靶，平均為8.6%。

對比表7和表8可看出，彈著點連孔對射彈所受目標反力的影響較大，并且膠合板的影響遠大于鋁合金板的，低速的影響大于高速的。

由表9可看出，靶架質(zhì)量對射彈所受目標的反力的影響很小，可以忽略。

由表10可看出，靶板傾角對射彈所受目標反力的影響較為明顯，特別是低速情況下對膠合板?？偟囊?guī)律是傾角越大，目標反力越小。因此對于觸發(fā)靈敏度試驗和以膠合板作為靶板材料的引信鈍感度試驗而言，應(yīng)特別關(guān)注靶板傾角的影響。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元仿真軟件ANSYS/LS-DYNA對不同目標狀態(tài)進行了仿真，得到了亞音速射彈撞擊不同狀況靶板(包括靶板固定狀況、雙層靶板間的間隙大小、靶上彈著點區(qū)域、射彈重孔或連孔、靶架質(zhì)量大小和靶板傾角等)的前沖過載系數(shù)。其中靶板固定狀況、雙層靶板間的間隙和靶架質(zhì)量影響不大，而靶板上彈著點區(qū)域、射彈重孔或連孔、靶板傾角影響較大。仿真結(jié)果可為靶場射擊試驗實施及結(jié)果分析提供參考。

[1]鄧云飛，張偉，曹宗勝. 間隙對A3鋼薄板抗卵形頭彈侵徹性能影響的實驗研究[J].振動與沖擊，2013，32(12)：95-99.

[2]曹蘇雅拉圖. 某單兵火箭機電觸發(fā)引信關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2012.

[3]李來福. 某槍榴彈機械觸發(fā)起爆引信關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2014.

[4]張偉，肖新科，魏剛. 2A12鋁合金本構(gòu)關(guān)系和失效模型[J].爆炸與沖擊，2013，34(3)：276-282.

[5]肖新科.雙層金屬靶的抗侵徹性能和Taylor桿的變形與斷裂[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[6]高世橋, 王寶興. 截錐形彈低中速貫穿薄靶板時的動力分析與計算[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué), 1986, 7(11): 1033-1038.

Affection of Target Plate to Subsonic Projectile Fuze Trigger Environment

LIU Peng, WANG Yushi, WEN Quan, ZHANG Zhibiao

(Mechanical Engineering College, NUST, Nanjing 210094，China)

In order to solve the problem of the different conditions of shooting test in firing area may influence the test result,the finite element simulation software ANSYS/LS-DYNA was applied to simulate different target conditions, the blow-forward overload factors of subsonic projectile impacts the different conditions target plate (including target plate fixed conditions, the space between the target plate, the impact location of the target plate,repeated bullet holes or connection bullet holes, the mass of the target frame and target plate oblique angle,etc.) was obtained.The target plate fixed conditions,the space between the target plate and the mass of the target frame has little effect, the impact location of the target plate, repeated bullet holes or connection bullet holes, target plate oblique angle has greater effect. The simulation results can provide a reference for firing area test implementation and results analysis.

fuze; simulation; test condition;target plate; trigger environment

2016-02-22

江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項目資助(BK20140786)

劉鵬(1991—)，男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向：引信及彈藥技術(shù)。E-mail:skiy906@163.com。

TJ430.6

A

1008-1194(2016)05-0058-06