PELE侵徹10mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度和后效研究

何 俊,程 春,鄭紹君,王復(fù)利,王韋霞,蔣洪章

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 3.黑龍江新諾機器人自動化科技有限公司,黑龍江 哈爾濱 150060;4.黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 157013)

PELE侵徹10mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度和后效研究

何 俊1,程 春2,鄭紹君3,王復(fù)利4,王韋霞1,蔣洪章3

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094; 3.黑龍江新諾機器人自動化科技有限公司,黑龍江 哈爾濱 150060;4.黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 157013)

為了研究小口徑集束鎢絲殼體PELE對10 mm厚均值裝甲鋼的極限穿透速度和穿靶后的后效情況,應(yīng)用PELE垂直侵徹薄靶的理論模型對直徑23 mm集束鎢絲PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼進行了理論計算,利用23 mm口徑彈道炮進行了侵徹試驗研究。研究結(jié)果表明:彈丸侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度為623.7 m/s;當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時,該彈丸侵徹10 mm 厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng),試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果基本吻合。

橫向效應(yīng)彈;侵徹;均質(zhì)裝甲鋼;極限穿透速度;后效

Abstract:In order to study the critical penetration velocity and aftereffect of small-caliber cluster tungsten-fiber penetrator with enhanced lateral efficiency(PELE) penetrating rolled homogeneous armor(RHA) with 10 mm thickness,the theoretical calculation of cluster tungsten-fiber PELE of 23 mm diameter penetrating RHA with 10 mm thickness was carried out by using the theoretical model of PELE vertically penetrating thin metallic plate.The penetration experiment by using ballistic gun with 23 mm caliber was conducted.The results show that the critical penetration velocity is 623.7 m/s,and the PELE can produce good aftereffect after penetrating RHA with 10 mm thickness while the impact velocity is more than 685.2 m/s.The experimental result accords with the theoretical calculation result.

Keywords:penetrator with enhanced lateral efficiency;penetration;rolled homogeneous armor;critical penetration velocity;aftereffect

橫向效應(yīng)彈(PELE)是一種無引信和炸藥的新型穿甲彈藥戰(zhàn)斗部,殼體是高密度具有良好侵徹能力的金屬,裝填物是具有儲能性能的低密度材料,穿甲過程中裝填物膨脹使殼體橫向擴展,穿靶后殼體由于應(yīng)力卸載而破碎,形成橫向破片,毀傷和破壞靶后目標(biāo)[1]。近年來對PELE的研究包括應(yīng)用應(yīng)力波理論建立PELE侵徹薄靶的理論分析模型,進行有限元分析,研究不同裝填物PELE侵徹不同厚度不同材料的靶板形成的橫向破片的平均質(zhì)量、最大飛行速度和破片的分布半徑,并與實驗數(shù)據(jù)進行對比[2-3];建立PELE撞擊金屬薄靶的破片橫向速度理論分析模型,通過提高裝填材料的聲阻抗和撞擊速度來增加靶后的橫向效應(yīng)[4]。朱建生認為在一定范圍內(nèi)彈丸的橫向效應(yīng)隨速度的增大而增強,彈丸存在最佳的著速范圍[5]。文獻[6]研究了集束鎢絲殼體PELE撞擊靶板的動態(tài)響應(yīng),并與同口徑鎢合金殼體PELE相比,2種殼體材料PELE撞擊靶板后形成的后效靶破壞情況如圖1、圖2所示。

研究表明,與鎢合金殼體PELE相比,集束鎢絲

殼體PELE侵徹過程中具有自銳能力,既能發(fā)揮鎢絲高強度、大長徑比、侵徹性能好的特點,又能利用黏結(jié)相抗拉強度低、易于離散的優(yōu)勢,在靶后產(chǎn)生更顯著的橫向毀傷效應(yīng)。集束鎢絲是一種以鎢絲為增強相,鋯基合金為黏結(jié)相的復(fù)合材料,具有高密度、良好的絕熱剪切和“自銳”等特點[7-9],可應(yīng)用于穿甲彈等軍事領(lǐng)域[10-11]。

本文通過理論計算和試驗研究,研究集束鎢絲殼體PELE對10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度和產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最佳穿透速度。

1 理論計算

1.1 極限穿透速度

彈丸的極限穿透速度是衡量彈丸對靶板的作用效果的重要指標(biāo),是評價彈藥威力的主要參量[12]。彈丸的極限穿透速度實際工程計算中常用的經(jīng)驗公式有:德馬爾公式,該公式將彈丸假定為剛體;貝爾金公式,該公式考慮了彈丸和靶板的機械性能;另外還有針對次口徑穿甲彈和長桿式次口徑穿甲彈的經(jīng)驗公式[13]。利用文獻[14]中建立的PELE垂直侵徹薄靶的理論模型,得到集束鎢絲殼體PELE侵徹靶板之后彈體的軸向剩余速度:

式中:

式中:c0,j為彈芯殼體中的波速,ρj為彈芯殼體密度,D0為彈芯殼體外徑,D為彈芯殼體內(nèi)徑,L0為彈芯殼體長度,c0,f為裝填物中的波速,ρf為裝填物密度,l0為裝填物長度,ρt為靶板密度,ht為靶板厚度,σYt,D為靶板的動態(tài)屈服應(yīng)力,cHt為靶板內(nèi)的波速。各參數(shù)的取值參見表1,表中,E為裝填物楊氏模量,μ為裝填物泊松比。

表1 各參數(shù)取值[4,15]

1.2 彈芯殼體中的波速計算

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

試驗采用23 mm口徑彈道炮,炮口距離靶板100 m,采用天幕靶測速;試驗用彈丸為23 mm全口徑彈丸,彈托為直徑23 mm的鋁制彈托,彈托底部有銅質(zhì)彈帶,并配有風(fēng)帽,彈芯直徑15 mm,彈芯殼體材料為集束鎢絲,裝填物為尼龍,彈芯示意圖如圖4所示。

試驗靶板主靶為10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼靶,后效靶為2 mm厚鋁靶,主靶和后效靶的間距為60 mm,試驗現(xiàn)場靶板布置如圖5所示。

2.2 試驗方法

試驗著速調(diào)整步驟為:若首發(fā)著速700 m/s(轉(zhuǎn)速1 800 r/s)發(fā)生穿透,則減少發(fā)射藥量,降低1%～3%著速進行第2發(fā)試驗;若第2發(fā)未穿透,實際著速差又不超過第1發(fā)著速的3%時,再取第1發(fā)和第2發(fā)的著速各試驗1發(fā),作為驗證,此時最高穿透著速與最低不穿透速度之差不超過3%,則其中的最低穿透速度即為該彈的極限穿透速度,若第2發(fā)穿透,依次類推。

若首發(fā)著速不發(fā)生穿透,則提高1%～3%著速進行第2發(fā)試驗,直到出現(xiàn)穿透。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 集束鎢絲殼體PELE對10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度

國軍標(biāo)規(guī)定彈丸的極限穿透速度是指彈丸穿透某一厚度的裝甲鋼所必需的最小著速,通常將穿甲彈穿透裝甲目標(biāo)的穿透概率為90%的著速(v90)定義為穿甲彈的極限穿透速度;將彈丸著靶,靶板背面有穿孔定義為穿透。試驗中按照國軍標(biāo)中的極限穿透速度試驗方法進行試驗,試驗結(jié)果見表2。表中,m為裝藥量,v為彈丸著靶速度,Dc為穿孔直徑。

表2 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果,當(dāng)彈丸速度為664.5 m/s時,彈丸穿透靶板,彈丸的鋁外殼尾部嵌在靶板中;比該速度小約5%(即v=628 m/s)時彈丸未穿透靶板。以628 m/s為基準(zhǔn)重復(fù)試驗,得到誤差約為-0.8%(v=623.7 m/s)時,彈丸穿透靶板;誤差約為-1.8%(v=617 m/s)時,彈丸未穿透靶板。可認為623.7 m/s為直徑23 mm集束鎢絲PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度。試驗值和理論值計算誤差為4.4%,通過理論計算和試驗驗證可以確定直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼的極限穿透速度為623.7 m/s。

3.2 集束鎢絲殼體PELE產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)(后效)的最低著靶速度

文獻[5]認為,在一定著速范圍內(nèi)破片橫向速度、破片飛散角度和破片分布半徑隨彈丸著速的提高而增大,超出這一范圍,破片橫向速度開始降低,就作用效果而言,PELE存在最佳的著速范圍。本文通過試驗結(jié)果分析、研究最佳著速范圍中的最小速度,即PELE產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最低著靶速度。圖6是彈丸著速分別為623.7 m/s,664.5 m/s,685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s時,后效靶板的毀傷情況。

從圖6可以看出,當(dāng)著靶速度為623.7 m/s時,穿靶后的剩余彈丸在后效靶板上留下一個較大穿孔和一些靶后顆粒留下的痕跡,并沒有明顯的橫向破片留下的痕跡,說明該著速下彈丸并沒有產(chǎn)生明顯的橫向效應(yīng),后效不明顯;當(dāng)著靶速度為664.5 m/s時,后效靶板上留有2個較大穿孔和一些小破片留下的痕跡,說明彈丸產(chǎn)生了少量較小的橫向破片,后效一般;當(dāng)著靶速度為685.2 m/s,695.4 m/s,702.3 m/s時,可以看到后效靶板產(chǎn)生較大的破壞,靶板上留有非常大的穿孔,穿孔面積分別約為209.73 cm2,207.18 cm2,203.37 cm2,穿孔的邊緣參差不齊,有一些變形或裂紋已經(jīng)擴展的齒狀結(jié)構(gòu)和一些小的穿孔,后效靶板的破壞情況可以說明,彈丸在穿透裝甲鋼板后產(chǎn)生了較大數(shù)量的橫向破片,具有良好的橫向效應(yīng)。從后效靶的破壞情況可以看出,直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最佳穿透速度為685.2 m/s。可認為當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時,該彈丸穿透10 mm厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文通過理論計算和試驗研究,得到直徑23 mm集束鎢絲殼體對10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼板的極限穿透速度為623.7 m/s,利用理論模型計算的結(jié)果是593 m/s,試驗結(jié)果和理論計算的結(jié)果基本一致,誤差在5%以內(nèi)。通過試驗結(jié)果分析可知,當(dāng)著靶速度為685.2 m/s以上時,該彈丸穿透10 mm厚均質(zhì)裝甲后可產(chǎn)生良好的橫向效應(yīng)。本文得到的直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE侵徹10 mm厚均質(zhì)裝甲鋼板的極限穿透速度和產(chǎn)生良好橫向效應(yīng)的最低著靶速度,對于直徑23 mm集束鎢絲殼體PELE的進一步設(shè)計具有一定的參考價值。

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CriticalPenetrationVelocityandAftereffectofPELEPenetratingRHAWith10mmThickness

HE Jun1,CHENG Chun2,ZHENG Shao-jun3,WANG Fu-li4,WANG Wei-xia1,JIANG Hong-zhang3

(1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu 241000,China; 2.School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 3.Heilongjiang Xinnuo Robot Automation Technology Co.Ltd,Harbin 150060,China; 4.Heilongjiang North Tools Co.Ltd,Mudanjiang 157013,China)

2017-04-11

安徽省高校自然科學(xué)研究重點項目(KJ2015A441)

何俊(1978- ),男,副教授,碩士,研究方向為彈藥工程及撞擊動力學(xué)。E-mail:ahjdhj@126.com。

TJ410.1

A

1004-499X(2017)03-0063-05