可變形小口徑槍彈的侵徹特性研究

梁化鵬，沈培輝，薛建鋒，章程浩

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京 210094)

【裝備理論與裝備技術】

可變形小口徑槍彈的侵徹特性研究

梁化鵬，沈培輝，薛建鋒，章程浩

(南京理工大學 智能彈藥技術國防重點學科實驗室，南京 210094)

為提高子彈的殺傷性，在標準小口徑槍彈的基礎上進行了新彈型的設計；利用LS-DYNA軟件對開花彈和標準彈入水過程進行數(shù)值模擬，得到了兩種不同彈型的頭部變形圖像和他們的速度衰減曲線、位移曲線以及相對動能曲線；最后進行了開花彈侵徹水介質的試驗研究。結果表明：開花彈頭部變形更大，呈花瓣狀，且在低侵徹性和高殺傷性方面均優(yōu)于標準彈。

標準彈；開花彈；高殺傷；低侵徹

目前，國內武裝販毒、劫持人質和搶劫銀行等恐怖活動不斷出現(xiàn)，為應對這些危險的武裝犯罪事件，同時從保護民眾和警察自身安全的要求考慮，需要一些殺傷效果大、侵徹力低的武器裝備，以達到使罪犯喪失活動能力的目的。而我國目前主要的警用武器裝備均存在穿透力太大，毀傷效果不明顯的缺點，使罪犯中彈后仍然具有反抗能力，造成罪犯殺害人質或引爆炸彈的可能性加大。國外警方在遇到這種緊急情況時都會使用特制的低侵徹手槍彈頭[1]?；谶@種背景，本文設計了一種新型小口徑槍彈，該彈擊中目標后彈體頭部會向外開裂，故名為“開花彈”，具有低侵徹高毀傷的特性。通過對“開花彈”的毀傷特性進行數(shù)值模擬和試驗研究，使之具有比標準彈更好的軍用價值。

1 理論分析

為滿足工程要求，減小分析研究的難度，提出如下假設：彈丸為軸對稱回轉體；水中環(huán)境穩(wěn)定，以準定常流處理彈丸在水中運動；忽略彈丸在水中運動時的浮力。

彈丸以初速v0侵徹水介質，根據(jù)牛頓第二定律，彈體在水中運動時有以下方程：

(1)

式(1)中：m表示彈體質量，vp為水中彈丸速度，F(xiàn)為彈丸在水中所受合力，ρw為水密度，A0為彈體最大橫截面積，Cd為阻力系數(shù)[2]。

高速侵徹條件下，可忽略重力效應，故式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

實際上，在彈丸入水過程中，阻力系數(shù)與空泡數(shù)有關，且隨著彈丸初速和頭部形狀變化而變化。由于空泡是在彈丸頭部開始發(fā)展起來的，由于空心彈在彈丸頭部設有凹槽，導致其入水后空泡數(shù)明顯大于標準彈，使阻力系數(shù)Cd增大，同時入水后彈丸頭部向外開裂，增大彈體的最大橫截面積A0，因此開花彈入水過程中受到的阻力大于標準彈。

通過式(2)積分，得到侵徹速度隨時間衰減的關系式：

(3)

式(3)中：b=ρw/2m為速度衰減系數(shù)?？梢?，開花彈的侵徹速度衰減的速率明顯高于標準彈。

積分式(3)可得侵徹距離xp與時間的關系式：

(4)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元建模及算法

彈頭入水的三維有限元模型如圖1所示。其中，彈頭沒在空氣中，空氣和水的邊界采用無反射邊界，空氣和水的接觸面采用的是共節(jié)點。

圖1 彈頭入水的有限元模型

彈頭由紫銅構成，保證了彈體材料的一致性。在算法的選擇上：紫銅選用的是Lagrange算法，空氣和水選用的是歐拉算法，彈頭和水之間采用的是耦合算法[3]。

2.2 材料模型和狀態(tài)方程

在材料模型的選擇上，空氣和水采用的是LS-DYNA提供的MAT_NULL流體模型(圖2)。紫銅選用的是Johnson-Cook材料模型，這種本構方程考慮了高速下的應變率效應和溫度效應，適用于高速下的流固耦合。在狀態(tài)方程的選擇上，紫銅、空氣和水都采用的是Gruneisen狀態(tài)方程[4-6]。

圖2 結構和流體界面

彈體和靶板均采用Johnson-Cook模型。Gruneisen狀態(tài)方程的壓力表達式為

(5)

式(5)中，ρ0為初始密度，u為內能，u=ρ/ρ0-1，ρ為當前密度，C、S、γ0和a為材料參數(shù)，見表1。

Johnson-Cook強度模型的表達式：

(6)

(7)

式(7)中，Tmelt為材料融化溫度;Troom為室溫。 材料狀態(tài)方程參數(shù)如表2所示。

表1 彈體材料參數(shù)

表2 材料狀態(tài)方程參數(shù)

3 仿真結果比較

3.1 彈體入水后產生的變形

標準彈和開花彈的結構簡圖如圖3所示，為保證兩種彈體具有相同的動能，增大了標準彈的長度。

標準彈和開花彈入水后產生的變形過程見圖4、圖5，時間間隔為100 μs。彈頭入水速度為800 m/s。經過變形比較可以看到，標準彈頭部變形很小，頭部出現(xiàn)鐓粗，而開花彈則綻裂成蘑菇形狀，損傷面加大。

圖3 彈體結構簡圖

圖4 標準彈

圖5 開花彈

這是由于開花彈在彈丸頭部開有矩形凹槽，如圖3所示。開花彈在侵徹靶體過程中，彈體頭部受到很大的壓力，產生變形，并不斷壓縮頭部空腔，產生沿彈丸徑向的剪切力，同時，使彈丸頭部矩形槽的邊界處產生拉應力。隨著彈丸頭部變形增加，空腔不斷被壓縮，橫向力增大，拉應力也不斷增大，最后使矩形槽邊界處被拉斷，頭部向外開裂。開裂部分在壓力作用下向后翻轉，形成“花瓣”，穩(wěn)定侵徹階段彈丸最大橫截面積達到彈體直徑2倍。而標準彈由于頭部未設有凹槽，在侵徹過程中頭部不斷鐓粗，穩(wěn)定侵徹階段彈丸最大橫截面積為彈體直徑的1.25倍。根據(jù)式(2)和式(3)可知，彈丸最大橫截面積越大，彈丸在水中所受阻力越大，侵徹速度隨時間衰減越快。

3.2 彈頭入水速度衰減和位移比較

圖6為2種彈型的速度衰減曲線，圖7為2種彈型的位移曲線。從曲線中可以看出，在0.02～0.07 ms時，開花彈的速度高于標準彈，這是因為侵徹初期，彈丸接觸水箱時，開花彈開有凹槽，使其頭部的橫截面積小于標準彈，而此時開花彈頭部還未開裂，彈丸與靶的接觸面積小。根據(jù)式(2)可知，此時彈丸所受的阻力小，所以在這個階段開花彈的速度高于標準彈。在0.07 ms時，開花彈和標準彈的侵徹速度相等；0.07 ms之后，開花彈的侵徹速度明顯低于標準彈，且速度降低的速率更高。這是因為開花彈入水后彈體頭部受到橫向力發(fā)生開裂，并向四周擴張，使彈體的最大橫截面積增加，阻力增大，速度降低明顯。從位移曲線中也可看出，彈丸侵徹初期，開花彈的位移要大于標準彈。開花彈頭部開裂后，位移增長減緩，在1.0 ms時，標準彈的位移是開花彈的1.5倍。

經過比較可得：開花彈入水后速度衰減性明顯好于標準彈。

圖6 速度衰減曲線

圖7 位移曲線

3.3 彈型損傷性能比較

彈頭入水后，其動能的減少將會轉化為2部分能量：一部分為消耗在水中的能量，另一部分用于自身的變形。其相對動能變化為E=(E0-Et)/E0，E為相對動能變化；E0為初始時刻彈頭的動能；Et為t時刻彈頭動能。兩種彈型的相對動能變化曲線如圖8所示。經過比較得，開花彈的相對動能變化是最大的。

4 試驗結果與分析

鑒于生物組織的復雜性，本文實驗中采用水介質來模擬生物組織。因為大多數(shù)生物組織含水80%左右，其密度與水相近，而且水具有均勻、透明便于直接觀察的特點。以5.8 mm彈道槍作為發(fā)射平臺進行彈體侵徹水介質試驗，試驗現(xiàn)場布置如圖9所示。采用XX火藥作為發(fā)射藥，通過裝藥量控制彈體著靶速度，用錫箔靶和雙通道測試儀測量速度。

圖8 相對動能變化曲線

圖9 試驗現(xiàn)場示意圖

試驗中開花彈的直徑為5.8 mm，長徑比為4，質量為4.8 g，彈丸頭部開有圓槽，直徑為0.4 mm，凹槽邊界上沿軸向設有預開槽，如圖10所示。

圖10 試驗用開花彈

試驗中開花彈著靶速度為825 m/s，試驗結果如圖11所示，從圖11可以看出，開花彈侵徹水箱后，彈丸頭部開裂成4瓣，彈體剩余長度為14 mm，最大橫截面積為10.58 mm2，約為彈體直徑的兩倍。實驗后在水箱中收集到彈丸殘體，進一步體現(xiàn)了開花彈的低侵徹性能。

圖11 試驗結果

圖12為實驗結果和仿真結果的對比圖片，可以看出，實驗中彈體變形情況與仿真結果基本吻合。回收到的彈體最大橫截面積為10.58 mm2，彈體剩余長度為14 mm，仿真結果中彈體最大的橫截面積為11.03 mm2，剩余彈體長度為13.49 mm，可見，仿真可以很好的模擬開花彈入水過程中的變形情況。

圖12 試驗和仿真結果對比

5 結論

利用LS-DYNA軟件對標準彈和開花彈進行數(shù)值模擬，并對開花彈進行試驗研究，得到了兩種槍彈在不同工況下的侵徹特性，主要結論如下：

1) 開花彈頭部綻裂成蘑菇狀，穩(wěn)定侵徹階段最大橫截面直徑為彈體直徑的2倍，損傷面加大；標準彈頭部變形很小，頭部出現(xiàn)鐓粗，穩(wěn)定侵徹階段最大橫截面直徑為彈體直徑的1.25倍。

2) 開花彈的速度衰減性和相對動能變化均好于標準彈，故在低侵徹性和高殺傷性方面開花彈是優(yōu)于標準彈的。

[1] 尹生.中國反恐法制的現(xiàn)狀、問題和對策研究[J].當代法學,2008,22(3):12.

[2] 顧建農,張志宏,范武杰.旋轉彈丸入水侵徹規(guī)律[J].爆炸與沖擊,2005,25(4):341-349.

[3] 張雄,陸明萬,王建軍.任意拉格朗日-歐拉描述法研究進展[J].計算力學學報,1997,14(1):91-102.

[4] 時黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯式動力分析[M].北京:清華大學出版社,2004:12.

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[6] LINDHOLD U S.Some Experiments with the Split Hopkinson Pressure Bar[J].Journal of Mechanics and Physics of Solids,1964,12:317-335.

(責任編輯周江川)

Study on Warhead Deformation and Penetration Characteristics of a New Type of Bullet

LIANG Hua-peng, SHEN Pei-hui, XUE Jian-feng, ZHANG Cheng-hao

(National Key Laboratory of Fundamental Science on Smart Ammunition Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to improve the bullet destruction, the design of the new type of bullet based on the standard small bore bullet was proposed. The numerical simulation of the process of water penetration about shrapnel standard projectile was performed using LS-DYNA, and we got two different bullet head deformation image and obtained their velocity attenuation curve, displacement curve and relative kinetic curve. Finally, the experimental study on the penetration of water about the shrapnel was provided. The results show that the warhead of the shrapnel has greater deformation than the standard projectile, and likes flower petal and is better than standard ammunition in the low penetration and high destruction.

standard ammunition; shrapnel; high destruction; low penetration

2016-07-27；

梁化鵬(1992—)，男，碩士研究生，主要從事戰(zhàn)斗部設計研究。

10.11809/scbgxb2016.12.016

梁化鵬，沈培輝，薛建鋒，等.可變形小口徑槍彈的侵徹特性研究[J].兵器裝備工程學報，2016(12):64-67.

format:LIANG Hua-peng, SHEN Pei-hui, XUE Jian-feng, et al.Study on Warhead Deformation and Penetration Characteristics of a New Type of Bullet[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(12):64-67.

TJ410.2

A

2096-2304(2016)12-0064-05

修回日期：2016-08-25