鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板的數(shù)值模擬研究

吳世永，李 慧

(海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264001)

穿甲彈通常是利用彈芯的強(qiáng)大動(dòng)能強(qiáng)行穿透裝甲來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的毀傷[1]。艦炮系統(tǒng)的穿甲彈攔截來襲導(dǎo)彈和飛機(jī)等高速目標(biāo)時(shí)，需要考慮彈芯對高速運(yùn)動(dòng)的雙層或者多層結(jié)構(gòu)的侵徹效能。鎢合金彈對靜止的雙層或者多層靶板的侵徹效能研究最有效的方法就是試驗(yàn)[2-4]，但是由于試驗(yàn)條件的限制，鎢合金彈對運(yùn)動(dòng)靶板的侵徹試驗(yàn)要求較高，因此數(shù)值模擬成為常用的研究方法[5]。鄧云飛等[6]采用數(shù)值模擬的方法研究了攻角對彈靶撞擊過程、靶板失效形式及彈體動(dòng)能變化的影響，發(fā)現(xiàn)彈體攻角的增加導(dǎo)致靶板的損傷面積先增大后保持不變。吳廣等[7]模擬了截錐形彈丸侵徹雙層金屬靶板過程，認(rèn)為厚薄靶板的放置順序?qū)Π邪逭w的防護(hù)性能有很大的影響。鄒運(yùn)等[8]對鎢合金長桿彈斜侵徹運(yùn)動(dòng)靶板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明長桿彈初速度及長細(xì)比、靶板運(yùn)動(dòng)方向及速度、靶板的傾角對彈體的侵徹能力都有很大的影響?？梢姡ㄟ^數(shù)值模擬的方法來研究鎢合金彈對運(yùn)動(dòng)靶板的侵徹效能具有很大的優(yōu)勢，可以為全面評價(jià)鎢合金彈的侵徹效能提供有力的依據(jù)。

本文利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA，通過數(shù)值模擬的方法對具有攻角的鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了鎢合金彈的侵徹性能與攻角、雙層靶板間距和橫向速度的關(guān)系。

1 計(jì)算模型

鎢合金彈由圓柱形彈身和錐狀彈頭構(gòu)成，總長為68 mm，彈徑為15 mm，總質(zhì)量為185 g。雙層靶板由厚度相等的兩層靶板組成，每層厚度為8 mm，兩層靶板的間距d取0、2 mm、4 mm、6 mm和8 mm五種情況，靶板材料為30CrMnSiA。鎢合金彈的著靶速度vB水平向右，垂直于靶板，彈頭上抬，攻角大小用θ來描述，如圖1所示。靶板的橫向速度vT垂直于紙面向里。靶板的邊長為200 mm，在靶板邊界的節(jié)點(diǎn)施加水平向右方向上的約束。

計(jì)算中鎢合金彈和雙層目標(biāo)靶板均采用能夠較好地模擬金屬材料在高速侵蝕過程響應(yīng)的隨動(dòng)塑性材料模型，該模型可通過設(shè)定最大等效塑性應(yīng)變值來模擬材料的失效。鎢合金和30CrMnSiA的主要參數(shù)如表1所示[9-10]，其中，ρ表示密度，E表示彈性模量，μ表示泊松比，σ0表示初始屈服應(yīng)力，Etan表示切線模量，εf為最大等效塑性應(yīng)變。

表1 鎢合金和30CrMnSiA的材料參數(shù)

為了研究具有攻角的鎢合金彈侵徹雙層運(yùn)動(dòng)靶板的性能，對鎢合金彈以不同攻角侵徹間距不同的運(yùn)動(dòng)雙層靶板的過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。鎢合金彈的著靶速度大小vB取為1 000 m/s，攻角θ考慮10°、20°和30°三種情況。雙層靶板的橫向速度大小vT分別取為0、100 m/s、300 m/s、600 m/s和900 m/s。

2 鎢合金彈穿甲姿態(tài)和目標(biāo)靶板的破壞情況

具有攻角的鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板時(shí)，彈頭容易受到靶板的擠壓而形成鈍化和侵蝕，同時(shí)，靶板的橫向運(yùn)動(dòng)還會(huì)對鎢合金彈形成側(cè)向擠壓和侵蝕，導(dǎo)致鎢合金彈的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量發(fā)生變化，從而影響其侵徹效能。

圖2給出了鎢合金彈的攻角分別為10°、20°和30°三種情況下，侵徹橫向速度為300 m/s，間距d不同的雙層靶板的計(jì)算圖像。可以看出，鎢合金彈的攻角越大，靶板的開孔越大，鎢合金彈的變形和侵蝕也隨著攻角增大而加劇。從圖3可以看出，攻角和靶板間距相同時(shí)，靶板的橫向速度對靶板的開孔形狀和大小的影響很大。而從圖4可以看出，當(dāng)攻角和靶板的橫向速度相同時(shí)，雙層靶板的間距對靶板的開孔大小影響很小。

圖2 攻角不同的鎢合金彈侵徹雙層靶板(vT=300 m/s)后的狀態(tài)示意圖

圖3 攻角30°，靶板間距為4 mm時(shí)，靶板的穿孔狀態(tài)效果圖

圖4 攻角30°，橫向速度300 m/s時(shí)，靶板的穿孔狀態(tài)效果圖

3 鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板后的剩余速度分析

圖5給出了鎢合金彈侵徹橫向速度分別為100 m/s和900 m/s的雙層靶板時(shí)的z軸方向速度曲線?？梢钥闯?，鎢合金彈的攻角越大，速度降低越快，z軸剩余速度越??；而對于不同間隔的雙層靶板，靶板在z方向上的速度變化在侵徹過程中的速度略有不同，但靶板間隔對剩余速度大小的影響很小。對于橫向速度為100 m/s的雙層靶板，攻角為10°時(shí)，鎢合金彈侵徹間隔不同的雙層靶板后的速度平均損耗了15.9%，剩余速度相差最大2.4 m/s；攻角為20°時(shí)，鎢合金彈速度平均損耗了22.0%，剩余速度相差最大2.6 m/s；而攻角為30°時(shí)，鎢合金彈速度平均損耗了29.9%，剩余速度相差最大6.9 m/s。對于橫向速度為900 m/s的雙層靶板，攻角為10°時(shí)，鎢合金彈侵徹間隔不同的雙層靶板后的速度平均損耗了32.2%，剩余速度相差最大11.9 m/s；攻角為20°時(shí)，鎢合金彈速度平均損耗了37.0%，剩余速度相差最大31.5 m/s；攻角為30°時(shí)，鎢合金彈速度平均損耗了42.6%，剩余速度相差最大43.7 m/s。

從表2給出的鎢合金彈以10°攻角侵徹雙層靶板后的z軸剩余速度可以看出，對于間隔相同的靶板，鎢合金彈的z軸剩余速度隨著靶板的橫向速度的增大而減少，這是由于靶板對鎢合金彈的橫向擠壓使得阻力增大。對于間隔為0的雙層靶板，鎢合金彈侵徹橫向速度為900 m/s靶板后的z軸剩余速度比侵徹靜止靶板要低158.2 m/s；而對于間隔為4 mm的雙層靶板，鎢合金彈侵徹橫向速度為900 m/s靶板后的z軸剩余速度比侵徹靜止靶板要低168.0 m/s；而對于間隔為8 mm的雙層靶板，鎢合金彈侵徹橫向速度為900 m/s靶板后的z軸剩余速度比侵徹靜止靶板要低171.2 m/s?？梢?，靶板橫向速度對鎢合金彈的剩余速度的影響，隨著雙層靶板的間隔的增大而略有增大。從表3和表4給出的鎢合金彈以20°和30°攻角侵徹雙層靶板后的z軸剩余速度數(shù)據(jù)可以得到同樣的結(jié)論。這主要是由于間隔增大后，引起彈靶之間的作用時(shí)間略有增大引起的。

圖5 鎢合金彈侵徹雙層靶板時(shí)的z軸速度曲線

表2 攻角為10°時(shí)，鎢合金彈的z軸剩余速度 (m·s-1)

表3 攻角為20°時(shí)，鎢合金彈的z軸剩余速度 (m·s-1)

表4 攻角為30°時(shí)，鎢合金彈的z軸剩余速度 (m·s-1)

4 鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板后的剩余質(zhì)量分析

圖6給出了雙層靶板的橫向速度為100 m/s和900 m/s時(shí)，具有攻角的鎢合金彈侵徹雙層靶板時(shí)的質(zhì)量曲線。

圖6 靶板橫向速度不同時(shí)，鎢合金彈以不同攻角侵徹時(shí)的質(zhì)量曲線

表5、表6和表7給出的攻角為10°、20°和30°的鎢合金彈侵徹運(yùn)動(dòng)雙層靶板后的剩余質(zhì)量。對于橫向速度為100 m/s的雙層靶板，攻角為10°時(shí)，鎢合金彈侵徹間隔不同的雙層靶板后的質(zhì)量平均損耗了19.9%，剩余質(zhì)量相差最大1.3 g；攻角為20°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了23.0%，剩余質(zhì)量相差最大2.7 g；攻角為30°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了26.9%，剩余質(zhì)量相差最大2.2 g。對于橫向速度為300 m/s的雙層靶板，攻角為10°時(shí)，鎢合金彈侵徹間隔不同的雙層靶板后的質(zhì)量平均損耗了24.8%，剩余質(zhì)量相差最大1.4 g；攻角為20°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了29.2%，剩余質(zhì)量相差最大2.6 g；攻角為30°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了35.0%，剩余質(zhì)量相差最大1.6 g。對于橫向速度為900 m/s的雙層靶板，攻角為10°時(shí)，鎢合金彈侵徹間隔不同的雙層靶板后的質(zhì)量平均損耗了55.3%，剩余質(zhì)量相差最大3.2 g；攻角為20°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了59.3%，剩余質(zhì)量相差最大3.5 g；攻角為30°時(shí)，鎢合金彈質(zhì)量平均損耗了64.3%，剩余質(zhì)量相差最大7.2 g。所以，鎢合金彈的剩余質(zhì)量隨著攻角的增大而減小，隨著靶板的橫向速度的增大而急劇減小，而靶板間距對鎢合金彈的剩余質(zhì)量影響隨著橫向速度的增大而略有增大，但是均不明顯。

表5 攻角為10°時(shí)，鎢合金彈的剩余質(zhì)量 g

表6 攻角為20°時(shí)，鎢合金彈的剩余質(zhì)量 g

表7 攻角為30°時(shí)，鎢合金彈的剩余質(zhì)量 g

5 結(jié)論

1) 鎢合金的攻角越大，雙層靶板的開孔越大，鎢合金彈的變形和侵蝕隨著攻角增大而加劇，但是靶板的間距對靶板的開孔大小影響較小。

2) 鎢合金彈的攻角越大，速度降低越快，z軸剩余速度越小，而靶板間距對鎢合金彈z軸剩余速度大小的影響不大，相差不超過初速的5%。鎢合金彈的z軸剩余速度隨著靶板的橫向速度的增大而減少，而靶板橫向速度對鎢合金彈的剩余速度的影響隨著靶板間隔的增大而略有增大，不超過初始速度的2%。

3) 鎢合金彈的剩余質(zhì)量隨著攻角的增大而減小，且隨著靶板的橫向速度的增大而急劇減小，最大超過了64%，而靶板間距對剩余質(zhì)量的影響隨著橫向速度的增大而略有增大，但是不超過4%。