復(fù)合順序?qū)?fù)合板抗侵徹能力影響的數(shù)值分析

楊海坤,張國(guó)偉,王一鳴,時(shí)文超

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

復(fù)合順序?qū)?fù)合板抗侵徹能力影響的數(shù)值分析

楊海坤,張國(guó)偉,王一鳴,時(shí)文超

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原 030051)

文中研究了在一系列彈體著速下,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)?fù)合板的彈道特征量的影響。文中建立了兩種不同復(fù)合順序下彈體正侵徹復(fù)合靶板的模型,運(yùn)用顯示動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA,對(duì)彈體正侵徹復(fù)合靶板進(jìn)行了數(shù)值仿真。單獨(dú)分析和對(duì)比分析兩種模型的彈道特征量,得出復(fù)合板的抗侵徹能力隨復(fù)合順序和彈體著速改變的規(guī)律。數(shù)值分析的結(jié)果對(duì)提高復(fù)合裝甲的抗侵徹能力具有一定的參考價(jià)值。

復(fù)合;順序;侵徹;裝甲

0 引言

隨著軍事科技的發(fā)展,迫切需要研發(fā)高性能的輕質(zhì)裝甲材料,滿足防護(hù)裝甲重量輕,防護(hù)性好的要求。鈦合金是性能優(yōu)異的裝甲防護(hù)材料,密度是裝甲鋼的60%,強(qiáng)度相當(dāng),但價(jià)格是裝甲鋼的10～20倍,因此未廣泛應(yīng)用,未來(lái)會(huì)得到廣泛應(yīng)用。所以研究其抗彈能力很有意義[1]。

文中運(yùn)用顯示動(dòng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA,對(duì)彈體正侵徹裝甲鋼/鈦合金復(fù)合板的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,再現(xiàn)了侵徹過(guò)程,研究了復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊?。為?fù)合裝甲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 計(jì)算模型的建立

文中的計(jì)算模型基于以下假設(shè):彈體和靶板均為連續(xù)介質(zhì),侵徹過(guò)程絕熱,不計(jì)空氣阻力影響,不計(jì)重力影響,不考慮靶板的側(cè)邊效應(yīng)以及整體運(yùn)動(dòng),彈體和靶板的初始應(yīng)力為零。

1.1 幾何模型

文中建立了兩種幾何模型。

模型Ⅰ:彈體為4340#鋼,復(fù)合板的第一層為4340#鋼,第二層為TP650#鈦合金[2]。復(fù)合板兩層之間緊密貼合。彈體頭部為半球形,桿體部為圓柱體。彈體垂直侵徹,無(wú)攻角。

模型Ⅱ:彈體為4340#鋼,復(fù)合板的第一層為TP650#鈦合金,第二層為4340#鋼。復(fù)合板兩層之間緊密貼合。彈體頭部為半球形,桿體部為圓柱體。彈體垂直侵徹,無(wú)攻角。模型尺寸與模型Ⅰ相同。

1.2 有限元模型

模型結(jié)構(gòu)、載荷、約束以及彈著條件具有對(duì)稱性,為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,建模時(shí)采用1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。采用3維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分和Lagrange算法。采用單點(diǎn)積分以節(jié)省機(jī)時(shí),求解過(guò)程中,全局調(diào)整體積粘性和增加彈性剛度進(jìn)行沙漏控制。模型共有614 939個(gè)節(jié)點(diǎn)和575 744個(gè)單元。

1.3 彈著條件以及材料的相關(guān)參數(shù)

1)模擬彈的彈頭部半徑為1.4 cm,桿體部長(zhǎng)度為15 cm。兩層靶板的厚度各為2 cm,長(zhǎng)度與寬度均為15 cm。先采用彈體著速為700 m/s、750 m/s、1 400 m/s的彈體分別侵徹兩種靶板模型,研究靶板在未穿透和穿透條件下的抗侵徹能力。然后采用其它速度的彈體分別侵徹兩種靶板模型。研究復(fù)合順序?qū)?fù)合板的抗侵徹能力的影響。

2)在數(shù)值模擬彈體侵徹復(fù)合靶板時(shí),所選用的4340#鋼和TP650#鈦合金強(qiáng)度高,為便于分析,選用材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。該模型是各向同性、隨動(dòng)硬化或各向同性和隨動(dòng)硬化的混合模型,且與應(yīng)變率有關(guān),可考慮失效。通過(guò)在0(僅隨動(dòng)硬化)和1(僅各向同性硬化)間調(diào)整參數(shù)β來(lái)選擇各向同性或隨動(dòng)硬化。文中選擇β=0。應(yīng)變率用Cowper-Symonds模型來(lái)考慮,其基本數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

(1)

(2)

式中:Etan為正切模量;E為彈性模量[3]。材料的主要力學(xué)性能以及數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。表中ρ為密度,μ為泊松比,SIGY為屈服應(yīng)力,FS為失效系數(shù)。

表1 材料的主要力學(xué)性能

表2 材料的基本參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

在特定彈體著速ν下對(duì)彈體侵徹復(fù)合板的毀傷效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。對(duì)比兩種模型,分析彈體的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr、剩余速度vr、峰值加速度ap、峰值沖擊力Fp以及模型的等效應(yīng)力云圖。

2.1 以700 m/s的彈體著速侵徹靶板

分析仿真結(jié)果,彈體侵徹靶板模型Ⅰ用時(shí)T=424μs,在侵徹第二層靶板時(shí)和靶板均發(fā)生質(zhì)量侵蝕,未穿透靶板。彈體的侵徹深度D=25.8mm,剩余質(zhì)量為mr=340g,侵蝕比例p=55.7%。在侵徹第二層鈦合金靶板時(shí)由于質(zhì)量侵蝕以及受徑向壓力,鐓粗現(xiàn)象減弱。圖1和圖2分別為彈體侵徹兩種靶板模型的等效壓力云圖以及毀傷效果。

彈體侵徹靶板模型Ⅱ用時(shí)T=548μs,穿透第一層靶板后彈體速度vr=60m/s,與第二層靶板沒(méi)有質(zhì)量侵蝕,剩余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為第二層靶板的彈性勢(shì)能。彈體的侵徹深度D=20mm,剩余質(zhì)量為mr=328g,侵蝕比例p=57.3%,鐓粗現(xiàn)象明顯。兩種靶板模型的破壞形式均是延性擴(kuò)孔穿甲[4-6]。彈體的速度v、加速度a、沖擊力F隨時(shí)間t的變化情況如圖3、圖4和圖5所示。

圖1 模型Ⅰ的等效壓力云圖及毀傷效果

圖2 模型Ⅱ的等效壓力云圖及毀傷效果

圖3 彈體的速度曲線

圖4 彈體的加速度曲線

由圖3和圖4可以看出,彈體的速度減為0后,彈體加速度很小,剩余彈體又被第二層靶板輕微反彈,反彈速度可忽略不計(jì)。由圖4和圖5可以看出,模型Ⅰ中,彈體在tp1=298μs時(shí)達(dá)到加速度峰值ap=2.45×106m/s2,在tp2=164μs時(shí)侵徹第二層靶板,達(dá)到?jīng)_擊力峰值Fp=280kN;模型Ⅱ中,彈體在tp1=235μs時(shí)達(dá)到加速度峰值ap=2.75×106m/s2,在tp2=12μs時(shí)侵徹第一層靶板,達(dá)到?jīng)_擊力峰值Fp=330kN。兩種模型中,彈體的加速度峰值和沖擊力峰值產(chǎn)生的時(shí)間和大小差異較大。

圖5 彈體的沖擊力曲線

2.2 以750 m/s的彈體著速侵徹靶板

根據(jù)仿真結(jié)果,彈體均穿透第一層靶板,未能穿透第二層靶板。兩種靶板模型的毀傷形式均為延性擴(kuò)孔穿甲。兩種靶板模型的毀傷效果如圖6所示。彈體侵徹兩種靶板的主要彈道特征量如表3所示。

圖6

ModelD/mmmr/gap/(m·s-2)tp1/μsFp/kNp/%Ⅰ27.63142.62×10624027359.1Ⅱ22.52762.7×10628232064.0

2.3 以1 400 m/s的彈著速度侵徹靶板

彈體穿入靶板時(shí)延性擴(kuò)孔,穿出時(shí)先進(jìn)行延性擴(kuò)孔,然后對(duì)靶板進(jìn)行花瓣形的拉伸破壞。這是彈體在侵入靶板的四周產(chǎn)生的徑向和環(huán)向高值拉伸應(yīng)力造成的[4]。兩種靶板模型的破壞形式?jīng)]有較大差異。兩種靶板模型的毀傷效果如圖7所示,主要彈道特征量如表4所示。

表4 彈體侵徹靶板的主要彈道特征量

由表4可以看出,彈體以v=1 400m/s的速度侵徹靶板模型時(shí),復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊懖⒉淮?模型Ⅰ的抗侵徹能力略強(qiáng)。

3 分析其它彈體著速下的侵徹結(jié)果

進(jìn)一步研究在一定速度條件下,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)?fù)合板的抗侵徹性能的影響。彈體在一系列彈著速度下分別侵徹兩種靶板模型。對(duì)比兩種靶板模型的mr、vr彈道特征量,如表5和表6所示。

表5 不同彈體著速下彈體的剩余質(zhì)量

表6 不同彈體著速下彈體的剩余速度

由表5數(shù)據(jù)可以得出,存在一臨界速度vc,其中vc略高于彈體穿透靶板的極限速度,當(dāng)彈體著速v滿足v≤vc時(shí),隨著彈體著速的增加,彈體的剩余質(zhì)量mr逐漸減少;當(dāng)彈體著速滿足v≥vc時(shí),隨著彈體著速v的增加,彈體的剩余質(zhì)量mr又逐漸增加。

對(duì)比兩種模型,彈體的剩余質(zhì)量mr的差異隨彈體著速v的提高先增加后減小。復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量mr的影響隨彈體著速v的提高先增加后減小。從彈體的剩余質(zhì)量mr方面優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)合靶板,當(dāng)彈體著速小于某一略高于穿透靶板的臨界速度vc時(shí),靶板模型Ⅱ的抗侵徹能力更強(qiáng)。在低彈體著速下,復(fù)合板的外層應(yīng)選用強(qiáng)度高、韌性好的材料。

由表6可以看出,當(dāng)彈體穿透靶板模型后,彈體的剩余速度vr隨彈體著速v的提高逐漸增加。對(duì)比兩種靶板模型,彈體的剩余速vr的差異隨彈體著速v的提高先增加后減小。彈體穿透靶板后,當(dāng)彈體著速v≥800m/s時(shí),靶板模型Ⅰ中彈體的剩余速度vr更小。從彈體的剩余速度上評(píng)估復(fù)合板的抗侵徹性能,靶板模型Ⅰ的抗侵徹能力更強(qiáng)。

圖7 靶板的毀傷效果

4 結(jié)論

彈體以低彈體著速正侵徹兩層等厚無(wú)間隙貼合的復(fù)合板時(shí),復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr以及剩余速度vr影響較大;隨著彈體著速v的提高,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ι鲜龈鲝椀捞卣髁康挠绊懴仍黾雍鬁p小。

當(dāng)彈體著速低于某一臨界速度vc1時(shí),復(fù)合板的外層應(yīng)選用高強(qiáng)度、高韌性的材料,彈體的剩余質(zhì)量mr和剩余速度vr更小,其中vc1略高于靶板的極限穿透速度vj,此時(shí)復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量mr影響較大,但對(duì)彈體的剩余速度vr影響較小。

當(dāng)彈體著速高于某一臨界速度vc2時(shí),復(fù)合板的外層應(yīng)選用強(qiáng)度和韌性相對(duì)較低的材料,彈體的剩余質(zhì)量mr和剩余速度vr更小,此時(shí)復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)楏w的剩余質(zhì)量影響較小,但對(duì)彈體的剩余速度影響較大。隨著彈體著速v的進(jìn)一步提高,復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊憣p小。

5 展望

文中運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件,數(shù)值仿真彈體正侵徹兩層等厚貼合的復(fù)合板。研究了復(fù)合板的復(fù)合順序?qū)ζ淇骨謴啬芰Φ挠绊?。著重分析了?fù)合順序?qū)楏w的侵徹深度D、剩余質(zhì)量mr以及剩余速度vr三個(gè)彈道特征量的影響。在后續(xù)研究中繼續(xù)研究復(fù)合順序?qū)楏w的峰值加速度ap,峰值沖擊力Fp的影響。在其它彈著條件下,研究復(fù)合順序?qū)?fù)合板抗侵徹能力影響的規(guī)律。

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Numerical Analysis on the Effect of Composite Order on the Penetration Resistance of Composite Plate

YANG Haikun,ZHANG Guowei,WANG Yiming,SHI Wenchao

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In this paper, the influence of the composite order of the composite plate on the ballistic characteristics of the composite plate was studied in a series of projectile velocities. The models of the projectile penetrating target under two different composite sequences were established, and the numerical simulation of the projectile penetrating target was performed by using the display dynamic analysis software ANSYS/LS-DYNA. The ballistic characteristics of the two models were analyzed and compared, thereby the law that the anti penetration ability of the composite plate changed with the composite order and the projectile velocity was derived. The results of numerical analysis had certain reference value for improving the anti penetration ability of the composite armor.

composite; sequence; penetration; armor

2016-04-04

楊海坤(1990-),男,湖北恩施人,碩士研究生,研究方向:彈藥工程與毀傷技術(shù)。

O385

A