線性變壁厚對(duì)PELE破碎及擴(kuò)孔性能影響研究

陳展宏，印立魁，賈 波，任曉鵬，侯 璐，陳智剛

(1 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；3 陸裝西安軍代局第八軍代室，西安 710043；4 山西江陽(yáng)化工有限公司，太原 030051)

0 引言

橫向效應(yīng)增強(qiáng)型侵徹體(penetrator with enhanced lateral effect，PELE)一般由底端密封的高密度、高強(qiáng)度殼體(如鎢合金、合金鋼)和低密度、低強(qiáng)度的彈芯(如鋁、尼龍)組成，無需引信和炸藥，屬于安全型彈藥。PELE因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、使用安全、其破片具有二次毀傷能夠力、殺傷概率大[1-2]等優(yōu)點(diǎn)而受到彈藥研制和使用人員的重視，尤其是將其應(yīng)用于小口徑彈藥和槍彈上，可打擊輕裝甲或單兵防護(hù)目標(biāo),滿足反恐、城市作戰(zhàn)等需要。許多學(xué)者對(duì)PELE開展了研究工作，Kesberg[2]在第21屆國(guó)際彈道學(xué)會(huì)議上首次介紹了PELE的原理和實(shí)驗(yàn)情況，提出其橫向增強(qiáng)作用是基于殼體與彈芯材料密度不同所產(chǎn)生的物理效應(yīng)。Paulus[3]利用數(shù)值模擬和理論研究方法對(duì)PELE的侵徹過程進(jìn)行了研究并將其分為三個(gè)階段，同時(shí)建立了具有一定參考價(jià)值的軸向剩余速度和破片徑向飛散速度的計(jì)算模型。朱建生等[4]在Paulus的研究基礎(chǔ)上，基于Mott理論對(duì)殼體的破碎過程進(jìn)行了分析，建立了殼體徑向的速度理論模型。近年對(duì)PELE的研究有增無減，除了對(duì)其殼體破碎機(jī)理、影響因素進(jìn)行研究外，學(xué)者在PELE的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了拓展性研究，如周敬轅[5]等提出分段式PELE，杜忠華[6]等提出了徑向多層式PELE。

文中主要利用數(shù)值模擬的方法，使用Autodyn軟件，加入隨機(jī)失效和斷裂軟化算法，研究PELE殼體軸向厚度線性變化對(duì)其侵徹后破碎、擴(kuò)孔等性能的影響。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 有限元模型建立

仿真模型由PELE彈丸殼體、彈芯和靶板3部分組成。PELE主要參數(shù)有：殼體外徑為14.5 mm，長(zhǎng)徑比為4，殼體底部厚度為5 mm，設(shè)彈芯頂端直徑與殼體外徑比為λ1，彈芯底端直徑與殼體外徑比為λ2，λ1和λ2的取值范圍為0.5～0.8，且λ1>λ2，引入壁厚變化量Δb=λ1-λ2，線性變壁厚PELE如圖1所示。靶板尺寸為120 mm×120 mm×5 mm。采用拉格朗日算法，由TrueGrid軟件進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建，通過Ls-dyna(.k)格式導(dǎo)入Autodyn，即非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格?？紤]計(jì)算精度和時(shí)間，確定殼體網(wǎng)格平均尺寸為0.2 mm，彈芯網(wǎng)格平均尺寸為0.4 mm。靶板采用過渡網(wǎng)格劃分，對(duì)彈丸侵徹區(qū)域進(jìn)行加密，靶板邊緣添加固定約束。基于模型的對(duì)稱性，進(jìn)行1/4簡(jiǎn)化，有限元模型如圖2所示。

圖1 線性變壁厚PELE

圖2 有限元模型

1.2 材料模型

彈丸殼體使用材料為鎢合金(Tungsten)，彈芯材料為聚乙烯(Polyethyl)，靶板材料為鋼(Steel-4340),材料本構(gòu)方程均采用von-Mises，即彈性-理想塑性本構(gòu)，使用von-Mises屈服準(zhǔn)則和定常屈服應(yīng)力假設(shè)，狀態(tài)方程均為Shock。

對(duì)彈丸殼體添加隨機(jī)失效和斷裂軟化算法，可以使數(shù)值模擬的結(jié)果更加接近真實(shí)情況，隨機(jī)失效算法有利于模擬彈丸破片的長(zhǎng)度和破片形狀，斷裂軟化算法有利于控制失效網(wǎng)格的畸變[8-10]。文中所使用的材料參數(shù)如表1所示，與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，具有一定參考價(jià)值[7-9]。

表1 材料參數(shù)[7]

2 結(jié)果分析

因PELE殼體為變壁厚，而λ2值的大小也是影響殼體破碎的主要因素之一，需要保證λ2值不變，這導(dǎo)致無法控制Δb為唯一變量，即Δb不同時(shí)彈丸質(zhì)量也不相同。為保證結(jié)果可靠，具有說服力，文中從動(dòng)能相同和速度相同兩個(gè)角度進(jìn)行研究分析。依據(jù)常見重機(jī)槍彈千米著靶速度及彈道槍試驗(yàn)可行速度，設(shè)定動(dòng)能相同時(shí)，各工況彈丸動(dòng)能均為50 kJ；速度相同時(shí)，各工況彈丸速度均為1 000 m/s。

設(shè)置λ2為0.5，λ1取0.5～0.8，即壁厚變化Δb量為0,0.1,0.2,0.3四種工況。設(shè)置兩組對(duì)比，共8種工況，一組為彈丸動(dòng)能相同，一組為彈丸速度相同，各工況情況如表2所示。

表2 不同壁厚變化量工況情況(全模型)

2.1 破碎性能分析

取300 μs時(shí)PELE破碎情況進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示，第二列為動(dòng)能相同組，第三列為速度相同組。從圖中可知，兩組殼體的破碎規(guī)律一致，即隨著Δb的增大，殼體破碎明顯增加。當(dāng)Δb=0時(shí)，即等壁厚，殼體頭部在侵徹時(shí)有少量破碎，但整體沿軸向破裂，周向破裂數(shù)量少，形成長(zhǎng)條狀且寬大的破片；當(dāng)Δb>0時(shí)，即變壁厚，由于頭部厚度變薄，頭部破碎更加嚴(yán)重，同時(shí)殼體周向破裂數(shù)量增加，徑向擴(kuò)張效應(yīng)明顯，殼體沿軸向破裂的同時(shí)出現(xiàn)徑向折斷；當(dāng)Δb=0.3時(shí)，即壁厚變化量大時(shí)，出現(xiàn)多處徑向折斷，形成短條狀且寬度小的破片。

圖3 PELE破碎對(duì)比(300 μs)

將質(zhì)量大于0.01 g的破片納入統(tǒng)計(jì)范圍，其中質(zhì)量大于0.5 g的破片記為有效破片，則各工況有效破片數(shù)量及有效破片占統(tǒng)計(jì)破片百分比分別如圖4和圖5所示。隨著壁厚變化量Δb增大，有效破片的數(shù)量隨之增加，有效破片率也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因此變壁厚且壁厚變化量越大越有利于提升穿透后效。其中圖5的動(dòng)能相同組，壁厚變化率Δb=0.2的有效破片占統(tǒng)計(jì)破片百分比數(shù)值大于Δb=0.3時(shí)的數(shù)值，這是由于Δb=0.2時(shí)PELE的破碎更加均一，其質(zhì)量介于0.01～0.5 g的破片相對(duì)更少(該類破片極小，一般質(zhì)量小于0.1 g可認(rèn)為是碎渣顆粒，因Autodyn軟件的統(tǒng)計(jì)機(jī)制也將其記為破片)。

圖4 有效破片數(shù)量(>0.5 g)

圖5 有效破片占統(tǒng)計(jì)破片百分比

對(duì)有效破片的軸向和徑向速度進(jìn)行對(duì)比分析，取300 μs時(shí)各工況有效破片的速度平均值，其中動(dòng)能相同組各工況初始速度不同，則取速度平均值占初始速度的百分比進(jìn)行對(duì)比。從圖6和圖7中可知，有效破片軸向速度與壁厚變化量Δb成反比，徑向速度與壁厚變化量Δb成正比且數(shù)值差較大。結(jié)果表明變壁厚可有效提高PELE靶后破片的徑向飛散，增大殺傷作用面積，且壁厚變化量越大作用效果將越好；但壁厚變化量增大也將導(dǎo)致破片軸向速度降低，文中因靶板厚度薄、彈丸初速大而導(dǎo)致軸向速度差值變化不大。實(shí)際上，PELE的彈芯頂端直徑與殼體外徑比λ1越大，即彈殼頂端壁厚越薄，則彈丸的侵徹能力將越弱，因此壁厚變化量Δb并非越大越好，而是存在一個(gè)上限值。該上限值應(yīng)綜合考慮PELE的破碎性能、擴(kuò)孔效應(yīng)和侵徹能力。

圖6 動(dòng)能相同組有效破片速度

圖7 速度相同組有效破片速度

2.2 擴(kuò)孔效應(yīng)分析

PELE侵徹鋼靶(如圖8所示)，在彈丸撞擊靶板瞬間，彈丸頭部形成沖擊波并向后傳播，隨著侵徹繼續(xù)，殼體剪切靶板形成沖塞。在此過程中，彈芯被不斷壓縮促使殼體徑向膨脹，侵徹與徑向膨脹同時(shí)進(jìn)行，在靶板上形成入口小出口大的穿孔。變壁厚PELE由于前端殼體較薄，內(nèi)芯呈倒錐形，在侵徹過程中內(nèi)芯壓縮促使殼體膨脹的作用較等壁厚更明顯，橫向作用性更好。

圖8 PELE彈丸侵徹鋼靶板

此外，壁厚變化量不同撞擊形成的沖塞形狀也存在較大的差異。如圖9所示為各工況下靶板沖塞的橫截面截圖，從圖中可見，隨著Δb增大，沖塞逐漸呈圓臺(tái)型，橫截面為梯形，前后表面及剪切面由凹凸趨向平整，表明沖塞形變減小。從沖塞橫截面倒梯形可以看出變壁厚PELE的擴(kuò)孔效應(yīng)，剪切面平整一方面是由于前端殼體變薄，另一方面也表明變壁厚PELE的侵徹威力有所下降。

圖9 沖塞對(duì)比

如圖10所示為各工況PELE侵徹穿透靶板后，靶板開孔情況對(duì)比。由此可見，動(dòng)能相同組和速度相同組表現(xiàn)出一樣的變化規(guī)律。等壁厚時(shí)，入孔大于出孔，尤其是速度相同組，沒有呈現(xiàn)出PELE的擴(kuò)孔效應(yīng)，這是由于靶板薄，彈丸速度大，此時(shí)與實(shí)心圓柱桿侵徹相似；變壁厚時(shí)，入孔小于出孔，隨著Δb增大，出孔與入孔的差值明顯增大，表明變壁厚可有效增強(qiáng)PELE擴(kuò)孔能力。如表3所示為各工況侵徹靶板后入、出孔口徑對(duì)比。從表3中可知，隨著Δb增大，PELE侵徹靶板的入孔呈減小趨勢(shì)，出孔則不斷增大。以動(dòng)能相同組為例，Δb=0.2時(shí)的入口孔徑相較Δb=0時(shí)減小了3.1%，而出口孔徑增加了9.6%。入孔減小可再次表明變壁厚PELE其前端殼體變薄會(huì)一定程度上損失侵徹威力。出孔增大則表明變壁厚PELE擴(kuò)孔性能提升。

表3 穿孔孔徑對(duì)比 單位：mm

圖10 靶板穿孔情況

3 結(jié)論

通過動(dòng)能相同組和速度相同組研究線性變壁厚對(duì)PELE破碎及擴(kuò)孔性能的影響，所得到的結(jié)論如下：

1)線性變壁厚結(jié)構(gòu)有利于PELE壓縮膨脹，橫向作用性更好。變壁厚PELE的破碎和擴(kuò)孔性能明顯優(yōu)于等壁厚PELE。

2)隨著壁厚變化率增大，侵徹后殼體周向破裂數(shù)量增加的同時(shí)徑向折斷明顯提升，破片形狀主要由長(zhǎng)方塊向短條變化，破片數(shù)量增加，有效破片率提高，破片徑向飛散速度增大，合理的變壁厚處理可提高PELE的破片性能。

3)PELE的壁厚變化率越大，其侵徹后形成的出口孔徑越大，即擴(kuò)孔性能越好。