彈丸轉(zhuǎn)速對(duì)PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應(yīng)的影響

何 俊，徐立志，程 春，鄭紹君，杜忠華，蔣洪章

(1. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.黑龍江新諾機(jī)器人自動(dòng)化科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

彈丸轉(zhuǎn)速對(duì)PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應(yīng)的影響

何 俊1，徐立志2，程 春2，鄭紹君3，杜忠華2，蔣洪章3

(1. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.黑龍江新諾機(jī)器人自動(dòng)化科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

為了研究彈丸轉(zhuǎn)速對(duì)橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體(PELE)侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應(yīng)的影響，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA軟件在著靶速度600、700和800m/s條件下，對(duì)具有不同轉(zhuǎn)速的PELE侵徹鋼筋混凝土靶進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)不同著靶條件下的仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，開(kāi)孔尺寸的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差小于5%，仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬PELE侵徹鋼筋混凝土靶的過(guò)程；隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，損失更多的轉(zhuǎn)速動(dòng)能轉(zhuǎn)化為鋼筋混凝土靶開(kāi)孔破壞所需的能量，使鋼筋混凝土靶的開(kāi)孔尺寸增大；在同一著靶速度下，轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min提高至25000r/min，開(kāi)孔尺寸提高了約(8±2)%。因此，在同一著靶速度下，增加彈丸轉(zhuǎn)速有利于提高PELE對(duì)鋼筋混凝土靶的開(kāi)孔尺寸。

鋼筋混凝土靶；橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體；PELE；轉(zhuǎn)速；橫向效應(yīng)

引 言

橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體(Penetrator with Enhanced Lateral Effects，PELE )是近年來(lái)受到高度關(guān)注并發(fā)展起來(lái)的新概念彈藥，這種新型彈藥無(wú)需裝填炸藥和引信，主要基于殼體和裝填物不同的物理性能，借助于高密度殼體良好的侵徹能力和低密度裝填物較好的儲(chǔ)能性能，當(dāng)PELE與目標(biāo)相互作用時(shí)侵徹能力強(qiáng)的殼體先于侵徹能力差的裝填物侵入目標(biāo)靶，將裝填物擠壓在殼體和目標(biāo)靶之間，隨著侵徹深度不斷加深，裝填物不斷增大的壓力使周圍的殼體膨脹，同時(shí)裝填物儲(chǔ)備一定量的勢(shì)能。當(dāng)侵徹體穿透目標(biāo)靶的瞬間，裝填物存儲(chǔ)的勢(shì)能沿徑向釋放，使殼體形成大量破片，形成靶后殺傷[1-2]。

將PELE的作用原理應(yīng)用于大口徑PELE彈藥，該彈藥的作用目標(biāo)主要是鋼筋混凝土靶，當(dāng)大口徑PELE侵徹鋼筋混凝土靶時(shí)，應(yīng)用裝填物在圍壓下的動(dòng)態(tài)膨脹效應(yīng)，致使殼體橫向運(yùn)動(dòng)，對(duì)鋼筋混凝土形成開(kāi)孔破壞。在大口徑PELE侵徹鋼筋混凝土方面，葉小軍和徐立志等[3-6]分別研究了鋼筋混凝土的靶標(biāo)參數(shù)和彈丸結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PELE橫向效應(yīng)的影響。Jimmy Verreault[7]、Zijian Fan[8]、朱建生[9]和梁民族[10]等對(duì)小口徑PELE侵徹金屬靶的著靶速度和轉(zhuǎn)速對(duì)橫向效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究。而PELE侵徹鋼筋混凝土靶的轉(zhuǎn)速對(duì)橫向效應(yīng)的影響國(guó)內(nèi)外尚未有研究報(bào)道。

本研究通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件，建立彈丸和鋼筋混凝土靶仿真模型，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下PELE侵徹鋼筋混凝土靶進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了轉(zhuǎn)速對(duì)PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應(yīng)的影響規(guī)律，對(duì)有關(guān)鋼筋混凝土目標(biāo)的PELE設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 仿真模型的建立及驗(yàn)證

1.1 仿真模型的建立

通過(guò)ANSYS/LS-DYNA軟件建立彈丸和鋼筋混凝土靶仿真模型，為了保證模型與試驗(yàn)彈丸結(jié)構(gòu)的一致性，建立切縫結(jié)構(gòu)PELE的幾何模型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，各參數(shù)值見(jiàn)表1。鋼筋混凝土靶板模型尺寸為2m×2m×0.24m，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，鋼筋直徑為12mm，含筋率2.83%。因彈丸具有轉(zhuǎn)速，屬于非對(duì)稱模型，建立彈靶全模型。彈靶各部分組件的材料參數(shù)及材料模型如表2所示。彈丸以一定的著靶速度和不同的轉(zhuǎn)速垂直侵徹鋼筋混凝土靶中心位置。

圖1 切縫PELE模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of lancing PELE model structure

L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmD/mmd/mmβ/(°)320300210301058060

圖2 鋼筋混凝土靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of reinforced concrete target structure

彈靶部件模型材料類型ρ/(g·cm-3)E/GPaμ殼體Johnson-cook30GrMnSi7.832.100.290裝填物Johnson-cook尼龍1.092.830.400靶板Concrete-damage混凝土2.45鋼筋Plastic-kinematicQ2357.892100.284

注：ρ為密度；E為模量；μ為泊松比。

1.2 仿真模型的驗(yàn)證

對(duì)彈丸具有轉(zhuǎn)速和不具有轉(zhuǎn)速的橫向效應(yīng)彈侵徹鋼筋混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究的彈丸基本尺寸與仿真模型相同。試驗(yàn)采用105mm線膛炮和分裝式藥筒，通過(guò)改變發(fā)射藥量控制彈丸速度，根據(jù)線膛炮的膛線纏角可計(jì)算彈丸的旋轉(zhuǎn)速度，見(jiàn)式(1)：

r=(v·tanη)/(πd)

(1)

式中：v為彈丸初速；η為纏角；d為火炮口徑。

在距離炮口200m處放置2m×2m×0.24m的鋼筋混凝土靶，采用網(wǎng)孔靶測(cè)量彈丸速度，在鋼筋混凝土靶的一側(cè)布置高速攝像儀，拍攝彈丸侵徹目標(biāo)靶的整個(gè)過(guò)程。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 彈丸侵徹目標(biāo)靶試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of penetrating target for projectile experimental device

為了驗(yàn)證彈丸轉(zhuǎn)速對(duì)PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應(yīng)影響數(shù)值模擬研究方法的正確性，在800m/s著靶速度下，共進(jìn)行了6組試驗(yàn)(具有轉(zhuǎn)速和不具有轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)各3組)。每組試驗(yàn)均測(cè)量靶板的破孔尺寸，包括靶前崩落尺寸、通孔尺寸和靶后崩落尺寸。由于靶板的破壞并非均勻規(guī)則的圓形開(kāi)孔，因此在測(cè)量靶板的開(kāi)孔尺寸時(shí)，測(cè)量開(kāi)孔的最小尺寸(X)和最大尺寸(Y)，求取二者的平均值作為開(kāi)孔破壞尺寸(D)。試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 彈丸侵徹鋼筋混凝土靶試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果

注：Xi,Yj表示最小和最大開(kāi)孔尺寸，i，j=1，2，3依次表示靶前崩落尺寸，通孔尺寸，靶后崩落尺寸。

由表3可知，不具有轉(zhuǎn)速的橫向效應(yīng)彈在800m/s著靶速度條件下，對(duì)鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3組試驗(yàn)的平均值)依次約為650、810和400mm，而數(shù)值模擬結(jié)果鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次約為630、760和385mm；具有2.2×104r/min轉(zhuǎn)速的橫向效應(yīng)彈在800m/s著靶速度條件下，對(duì)鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3組試驗(yàn)的平均值)依次約為700、860和455mm，而數(shù)值模擬結(jié)果鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次約為690、850和440mm。侵徹后靶板表面的試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比如圖4所示，結(jié)合圖4和表3可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果略小于試驗(yàn)結(jié)果，主要由于數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)為節(jié)省計(jì)算資源沒(méi)有計(jì)算出足夠長(zhǎng)的崩坍形態(tài)，并且采用失效準(zhǔn)則，單元因失效被刪除，單元間的相互作用沒(méi)有完全完成，崩坍現(xiàn)象縮短，而導(dǎo)致結(jié)果偏小，但兩者之間的誤差不超過(guò)5%。同時(shí)，圖4中模擬結(jié)果圖的紅色區(qū)域?yàn)榈刃苄詰?yīng)變最大值區(qū)，該部分實(shí)際情況是產(chǎn)生崩落和試驗(yàn)結(jié)果相符合，圖中模擬結(jié)果崩落區(qū)和通孔區(qū)與試驗(yàn)結(jié)果相應(yīng)區(qū)域吻合較好。綜上可知，試驗(yàn)很好地驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法和結(jié)果。

圖4 侵徹后靶板表面的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of the experimental results and the simulation ones of penetrating target for projectile

2 結(jié)果與討論

2.1 能量分析

著速800m/s、轉(zhuǎn)速10000r/min的PELE不同時(shí)刻侵徹鋼筋混凝土靶的狀態(tài)如圖5所示。由圖5可以看出，在100μs時(shí)彈丸殼體產(chǎn)生一定的膨脹，隨著侵徹過(guò)程推進(jìn)，彈丸殼體的膨脹量不斷增大，并且靶前產(chǎn)生一定量的凸起；在200μs時(shí)可以明顯發(fā)現(xiàn)殼體膨脹，并且靶板的背面開(kāi)始發(fā)生一定量的凸起；在1100和1500μs時(shí)彈丸穿出靶板，彈丸殼體膨脹成花瓣?duì)?，?duì)靶板形成開(kāi)孔破壞。

不同著靶速度條件下，總動(dòng)能(考慮轉(zhuǎn)速和軸向速度)的損失量和軸向剩余速度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖6所示。由于仿真模型無(wú)法直接獲得彈丸轉(zhuǎn)速在侵徹過(guò)程中的損失，因此通過(guò)彈丸總動(dòng)能的損失量和軸向剩余速度兩個(gè)參量定性的分析轉(zhuǎn)速的影響。由圖6(a)可知，當(dāng)著速分別為600、700、800m/s時(shí)，彈丸總動(dòng)能的損失均隨轉(zhuǎn)速的提高基本保持不變(增量?jī)H在0.1～0.3kJ范圍內(nèi))；由圖6(b)可知，當(dāng)著速分別為600、700、800m/s時(shí)，彈丸的軸向剩余速度卻隨轉(zhuǎn)速的提高而不斷增大，說(shuō)明在同一著靶速度條件下，彈丸損失的動(dòng)能(軸向速度)均隨轉(zhuǎn)速的提高而不斷減小。綜合分析圖6可知，在彈丸總動(dòng)能損失隨轉(zhuǎn)速提高基本保持不變的情況下，彈丸軸向速度動(dòng)能損失卻減小。因此，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)速動(dòng)能損失不斷增加。

圖5 著速800m/s、轉(zhuǎn)速1000r/min的彈丸在不同時(shí)刻侵徹鋼靶筋混凝土靶的過(guò)程Fig.5 The penetration process of projectile with impact target velocities of 800m/s,rotation rate of 10000r/min

圖6 軸向轉(zhuǎn)速對(duì)彈丸能量的影響Fig.6 Effect of rotation rate on the energy of projectile

2.2 開(kāi)孔尺寸

由于轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致殼體所受的離心力增大，離心力有利于殼體的膨脹，同時(shí)在侵徹過(guò)程中殼體的膨脹量越大對(duì)鋼筋混凝土的破壞也越大。在著速分別為600、700、800m/s下，鋼筋混凝土靶的平均開(kāi)孔破壞尺寸(D)隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著轉(zhuǎn)速的不斷提高，開(kāi)孔破壞尺寸不斷增大。在同一著靶速度條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min提高到25000r/min時(shí)，鋼筋混凝土的開(kāi)孔尺寸提高了約(8±2)%。結(jié)合圖6可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)速動(dòng)能損失不斷增加，該部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為對(duì)鋼筋混凝土靶開(kāi)孔破壞所需的能量，使鋼筋混凝土靶平均開(kāi)孔破壞尺寸增大。因此，在同一著靶速度條件下，增加彈丸轉(zhuǎn)速有利于提高PELE對(duì)鋼筋混凝土靶的開(kāi)孔破壞尺寸。

圖7 鋼筋混凝土靶的開(kāi)孔尺寸與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.7 Relation between the opening size of reinforced concrete target and rotation rate

3 結(jié) 論

(1)在不同著靶條件下，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，二者的開(kāi)孔尺寸誤差在5%范圍內(nèi)，表明仿真模型能夠準(zhǔn)確模擬PELE侵徹鋼筋混凝土靶的過(guò)程。

(2)從能量角度分析，隨著彈丸轉(zhuǎn)速的不斷提高，PELE侵徹鋼筋混凝土靶總動(dòng)能(考慮轉(zhuǎn)速和軸向速度)的損失量基本保持不變，而彈丸損失的軸向速度動(dòng)能卻不斷減小，轉(zhuǎn)速動(dòng)能損失在不斷增加。

(3)從開(kāi)孔尺寸角度分析，隨著彈丸轉(zhuǎn)速的不斷提高，PELE侵徹鋼筋混凝土靶平均開(kāi)孔破壞尺寸不斷增大，鋼筋混凝土靶開(kāi)孔破壞所需的能量不斷增加。損失更多的轉(zhuǎn)速動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了鋼筋混凝土靶開(kāi)孔破壞所需的能量。因此，在同一著靶速度條件下，增加彈丸轉(zhuǎn)速有利于提高PELE對(duì)鋼筋混凝土靶的開(kāi)孔破壞尺寸和彈丸的軸向剩余速度，從而提高了PELE的毀傷威力，當(dāng)彈丸轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min提高到25000r/min時(shí)，鋼筋混凝土的開(kāi)孔尺寸提高了約(8±2)%。

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EffectofProjectileRotationRateonLateralEffectofPELEPenetratingReinforcedConcreteTarget

HEJun1,XULi-zhi2,CHENGChun2,ZHENGShao-jun3,DUZhong-hua2,JIANGHong-zhang3

(1.AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhuAnhui241000，China；2.SchoolofMachineryEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China；3.HeilongjiangXinnuoRobotAutomationTechnologyCo.Ltd.,Harbin150060,China)

To study the effect of projectile rotation rate on the lateral effect of penetrator with enhanced lateral effects (PELE)penetrating reinforced concrete target, the numerical simulation of PELE penetrating reinforced concrete target with different rotation rates was performed under the condition of three impact target velocities of 600，700 and 800m/s,and the simulation model under the conditions of different impact target was verified by testing method. The results show that the error of opening size between the simulation results and the experimental ones is less than 5%, showing that the simulation model can accurately simulate the process of PELE penetrating reinforced concrete target.With increasing the rotation rate, more rotation rate kinetic energy lost translates into the energy that used to break the reinforced concrete target and make the opening size of reinforced concrete target increase. Under the same impact target velocity, opening size is improved by (8±2)% when the rotation rate increases from 10000r/min to 25000r/min. Therefore, increasing projectile rotation rate is beneficial to improve the opening size of the PELE penetrating reinforced concrete target.

reinforced concrete target; penetrator with enhanced lateral effect; PELE; rotation rate; lateral effect

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.015

2017-03-07；

2017-04-11

安徽高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(No.KJ2015A441)

何俊(1978-)，男，副教授，從事彈藥工程及撞擊動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：ahjdhj@126.com

TJ55;TJ

A

1007-7812(2017)04-0081-05