彈體斜侵徹多層混凝土靶的彈道特性研究

李江濤，高旭東

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京　210094)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

彈體斜侵徹多層混凝土靶的彈道特性研究

李江濤，高旭東

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094)

為了研究彈體斜侵徹多層混凝土靶板后的彈道特性，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件，對彈體在不同著角和速度的初始條件下斜侵徹三層混凝土靶板的過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明：小著角對彈道偏轉(zhuǎn)有一定的抑制作用，而大著角恰恰相反；速度較小時(shí)，增大初始速度會增大彈體的彈道偏轉(zhuǎn)角；彈體貫穿每層靶板的速度隨著初始著角的增大衰減加快，隨著初始速度的增大近似為線性關(guān)系。

斜侵徹；數(shù)值仿真；混凝土靶板；彈道偏轉(zhuǎn)角

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，地面重要目標(biāo)建筑物是彈體的主要攻擊對象之一，而這些建筑物大部分是多層結(jié)構(gòu)。因此，關(guān)于多層混凝土的侵徹問題便成為一個(gè)極具意義的課題。近年來，盡管人們對彈體侵徹混凝土靶板進(jìn)行了大量的研究，并且得到了一系列的經(jīng)驗(yàn)公式，但研究的內(nèi)容大多局限于彈體對單層混凝土靶板的侵徹[1-3]。對于侵徹多層混凝土靶板的研究很少，朱戰(zhàn)飛和王中原等[4-5]分析了靶間距、靶板層數(shù)、彈體頭部和曲徑比對彈體侵徹多層混凝土靶時(shí)的彈道穩(wěn)定性的影響。

初始著角和初速是彈體侵徹時(shí)最?？紤]的兩個(gè)因素，而其對彈體侵徹多層混凝土靶板的影響鮮有研究。本研究將分析初始著角和速度對彈體斜侵徹多層混凝土靶板彈道特性的影響。

1　有限元模型

1.1材料模型及參數(shù)

彈體材料為30CrMnSiNi2A[6],由于基本不變形，將其視為剛體，取彈體里的填充物材料模型為線彈性模型，彈體及其填充物[7]的材料參數(shù)如表1所示。混凝土采用HJC本構(gòu)模型，材料參數(shù)[8-9]如表2所示。HJC模型能較好地描述混凝土撞擊過程中出現(xiàn)的大應(yīng)變、高應(yīng)變率、高壓強(qiáng)等情況。模型分為3部分，分別是強(qiáng)度模型、損傷模型和狀態(tài)方程。

表1　彈體及填充物參數(shù)

1.2計(jì)算模型

考慮靶板結(jié)構(gòu)的對稱性，同時(shí)為了減少計(jì)算周期，建立二分之一彈靶模型，并施加了對稱和非反射邊界約束條件。模型中所有實(shí)體均采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(solid164)。彈體、靶板采用單點(diǎn)積分和沙漏控制，計(jì)算速度加快，能有效克服零能模式，對大變形和材料失效等非線性問題比較適用。采用拉格朗日算法，單位為cm-g-μs,彈體與填充物采用面-面自由接觸，彈體與靶板采用面-面侵蝕接觸。

表2　混凝土材料參數(shù)

2　模型驗(yàn)證

2.1彈靶幾何模型

侵徹彈體為卵形頭部，直徑為280 mm，長細(xì)比為4.1，頭部形狀系數(shù)為3.3，質(zhì)量為276 kg。取靶體的1/2建模，圖1為工況1的三維模型。為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，彈頭部以及彈靶作用的區(qū)域的網(wǎng)格較密集，彈體其他部位及距離彈靶作用區(qū)域較遠(yuǎn)的網(wǎng)格較稀疏。

圖1　多層靶板三維模型

2.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對文獻(xiàn)[6]實(shí)驗(yàn)的幾種工況進(jìn)行數(shù)值仿真，得其仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可見，工況1和工況2的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對誤差最大的為5.73%，誤差較小，對于工況3，雖然相對誤差為25.7%，但是實(shí)驗(yàn)的剩余速度和模擬剩余速度的速度降的偏差為1.9%。

表3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較

注：工況1靶板為4層間隔靶，厚度為0.2 m，相鄰間隔為2.7 m。

2.3理論驗(yàn)證

利用陳小偉[10-11]無量綱計(jì)算公式對工況1進(jìn)行計(jì)算，得出彈體貫穿各層靶后的剩余速度。剛性彈侵徹混凝土的剩余速度為：

其中：

式中：m為彈體的質(zhì)量；v0為彈體的初始速度；d為彈體的直徑；ρ為混凝土的密度；fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度；H為靶板厚度；c是常數(shù)。S是與fc相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其表達(dá)式為：

χ為無量綱混凝土靶厚：

k為定義侵徹深度的系數(shù)：

k=(0.707+h/d)

其中h為彈體頭部長度。

I和N分別為撞擊函數(shù)和彈頭的形狀函數(shù)：

彈體侵徹薄板時(shí)，會在薄板背面產(chǎn)生一個(gè)類似截錐形的塞塊，As、H*和δ分別為塞塊的表面積、高度和半錐角(塞塊邊沿和彈體軸線的夾角)。

圖2為彈體貫穿各層靶后剩余速度的仿真結(jié)果與理論結(jié)果的比較。兩種方法得到的數(shù)據(jù)較接近，最大誤差為4.4%。

通過以上對比分析可得：仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果相差都較小，因此可判定數(shù)值仿真所選的有限元模型正確。

(n代表彈體穿過第n層靶板)

3　有限元模擬結(jié)果分析

本文采用的靶板為3層混凝土靶，厚度均為0.2m，間隔為2.7m。

圖3為彈體貫穿混凝土薄靶示意圖，α為攻角，即速度方向與彈體軸線的夾角；β為著角，即速度方向與靶板法線的夾角；θ為彈道偏轉(zhuǎn)角，即貫穿靶板后的彈體彈軸與初始彈軸的夾角。

圖3　彈體貫穿混凝土靶示意圖

3.1彈體著角對彈道特性的影響

取彈體速度為400m/s、攻角為0°，分別就彈體以10°、20°、30°、40°、50°初始著角侵徹3層混凝土靶板進(jìn)行數(shù)值仿真。

圖4和圖5分別為著角20°和40°時(shí)彈體侵徹3層混凝土靶的仿真過程。當(dāng)著角為20°時(shí)，彈道偏轉(zhuǎn)角為負(fù)值，而著角為40°時(shí)彈道偏轉(zhuǎn)角為正值(此處定義彈頭朝下為負(fù)值，彈頭朝上為正值)。

圖4　著角為20°時(shí)彈體侵徹過程

圖5　著角為40°時(shí)彈體侵徹過程

圖6給出了彈體在貫穿每層靶板時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角隨初始著角的變化關(guān)系。彈體在貫穿第一層靶時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角隨著著角的增大而緩慢增大，貫穿第二、三層靶板時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角隨著初始著角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的情況；初始著角小于30°時(shí)，彈體貫穿第三層靶板時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角均為負(fù)值，反之初始著角大于30°時(shí)，為正值，而且越來越大。由此可知：小著角對斜侵徹多層混凝土靶的彈道偏轉(zhuǎn)具有一定的抑制作用，而大著角對斜侵徹多層混凝土靶的彈道偏轉(zhuǎn)具有一定的放大作用。

圖6　彈道偏轉(zhuǎn)角隨彈體著角的變化

圖7給出了彈體在貫穿每層靶板時(shí)的剩余速度隨初始著角的變化關(guān)系。由圖可得：初始著角為10°、20°、30°時(shí)，彈體貫穿每層靶板的速度衰減相對緩慢，而在初始著角為40°、50°時(shí)彈體貫穿每層靶板的速度衰減加快。這是由于隨著彈體初始著角的增大，靶板與彈體接觸的長度變長。而當(dāng)著角增大到一定程度時(shí)，彈道偏轉(zhuǎn)嚴(yán)重，使得速度衰減迅速。

圖7　剩余速度隨彈體著角的變化

3.2彈體初始速度對彈道特性的影響

取彈體著角為20°、攻角為0°，分別就彈體以400m/s、500m/s、600m/s、700m/s、800m/s初始速度侵徹3層混凝土靶板進(jìn)行數(shù)值仿真。

圖8和圖9分別表示速度400m/s和700m/s時(shí)彈體侵徹3層混凝土靶的過程。當(dāng)速度為400m/s時(shí)，彈道偏轉(zhuǎn)角為負(fù)值，而速度為700m/s時(shí)彈道偏轉(zhuǎn)角為正值。

圖10給出了彈體在貫穿每層靶板時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角隨初始速度的變化關(guān)系。彈體在貫穿每層靶時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角隨速度的變化規(guī)律基本一致，即隨著速度的增大先增大后減?。凰俣仍?00m/s時(shí)貫穿第二、三層靶時(shí)的彈道偏轉(zhuǎn)角均為負(fù)值，即朝有利于彈體侵徹的方向偏轉(zhuǎn)。

圖8　速度為400 m/s時(shí)彈體侵徹過程

圖9　速度為700 m/s時(shí)彈體侵徹過程

圖10　彈道偏轉(zhuǎn)角隨速度的變化

圖11給出了彈體在貫穿每層靶板時(shí)的剩余速度隨初始速度的變化關(guān)系。彈體貫穿每層靶板的剩余速度隨著初始速度的變化近似為線性關(guān)系。

圖11　剩余速度隨初始速度的變化

4　結(jié)論

本文通過LS-DYNA軟件研究了不同的著角和速度對于彈體貫穿每層靶時(shí)彈道偏轉(zhuǎn)角的影響。結(jié)論如下：

1) 小著角對斜侵徹多層混凝土靶的彈道偏轉(zhuǎn)具有一定的抑制作用，而大著角對斜侵徹多層混凝土靶的彈道偏轉(zhuǎn)具有一定的放大作用。

2) 速度較小時(shí)，增大初始速度會增大侵徹多層混凝土靶時(shí)彈體的彈道偏轉(zhuǎn)角，對彈體侵徹姿態(tài)帶來不利影響，因此通過增大初始速度以提高彈體侵徹能力時(shí)，需要考慮其對彈道穩(wěn)定性帶來的不利影響。

3) 彈體貫穿每層靶板的速度隨著初始著角的增大衰減加快，在初始速度增大的情況下近似為線性關(guān)系。

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(責(zé)任編輯周江川)

Trajectory Characteristics of Projectile Obliquely Penetrating Multi-Layered Concrete Targets

LI Jiang-tao, GAO Xu-dong

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study the trajectory characteristics of projectile penetrating into multi-layered concrete targets at oblique angle, projectile penetrating progress of three-layered concrete targets was simulated under different initial oblique angles and different initial velocity was numerically simulated by the finite element code ANSYS/LS-DYNA. The results show that the small oblique angle may reduce the deflection of penetration trajectory and the big oblique angle may enlarge its deflection. When the impact velocity is small, the deflection of penetration trajectory increases with the increase of the velocity. It also found that the velocity of the projectile penetrating through each layer of target is accelerated attenuation with the increasing of the oblique angle and it has approximate linear relation with the increasing of the initial velocity.

oblique penetration; numerical simulation; concrete target; trajectory deflection angle

2016-05-09；

2016-05-25

李江濤(1991—)，男，碩士研究生，主要從事終點(diǎn)效應(yīng)與目標(biāo)毀傷研究。

10.11809/scbgxb2016.09.014

format:LI Jiang-tao, GAO Xu-dong.Trajectory Characteristics of Projectile Obliquely Penetrating Multi-Layered Concrete Targets [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):58-62.

TJ012.4

A

2096-2304(2016)09-0058-05

本文引用格式：李江濤，高旭東.彈體斜侵徹多層混凝土靶的彈道特性研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(9):58-62.