彈體高速侵徹冰體研究

吳榕榕，王 健，王英霖

(1 南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程大學(xué)，南京 210094；2 鄭州機(jī)電工程研究所，鄭州 450047)

0 引言

由于地理氣候的原因，位于國(guó)內(nèi)北緯30°以北區(qū)域的河流水域、黃河、黑龍江、遼河、松花江等流域極易形成凌汛災(zāi)害，對(duì)水利設(shè)施、橋梁建筑、船舶設(shè)備等造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。高緯度海域由于地理氣候等原因會(huì)產(chǎn)生廣泛的海冰覆蓋區(qū)域，海冰會(huì)對(duì)船舶、海洋平臺(tái)、港口堤岸等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，利用軍事技術(shù)進(jìn)行冰體結(jié)構(gòu)的毀傷研究，對(duì)無論是冰災(zāi)防治、反潛作戰(zhàn)還是高寒極地環(huán)境作戰(zhàn)都具有重要意義。

在冰體力學(xué)試驗(yàn)方面，Schulson進(jìn)行了冰體的破壞試驗(yàn)，研究冰體由韌性向脆性轉(zhuǎn)變問題；肖贊采用巴西試驗(yàn)法對(duì)黃河冰進(jìn)行加載試驗(yàn)，獲得了冰的抗拉強(qiáng)度值，根據(jù)結(jié)果論證了巴西試驗(yàn)法在冰的抗拉強(qiáng)度與斷裂韌度試驗(yàn)中的適用性；Suzuki等進(jìn)行了彈丸的高速?zèng)_擊侵徹試驗(yàn)，通過試驗(yàn)建立了用以描述表面力的分析模型。在爆破破冰方面，王瑩等建立了藥量、爆距、冰厚與破冰半徑的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度，獲得破冰半徑的影響因素的主次關(guān)系；平源等利用相似理論分析了水下爆炸沖擊波對(duì)冰蓋的切割過程，結(jié)果表明建立的相似律模型適用于爆炸切割冰蓋過程。關(guān)于彈體侵徹冰體的研究較少，其中史興隆等設(shè)計(jì)了高能破冰彈并建立了數(shù)值分析模型,對(duì)高能破冰彈侵徹冰蓋以及水下爆炸破碎冰蓋的過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果為破冰彈的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及破冰排凌提供了理論支持。

以破冰彈藥破冰為研究基礎(chǔ)，對(duì)制式彈藥侵徹毀傷冰體的過程進(jìn)行研究，進(jìn)行高速?gòu)楏w侵徹毀傷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，冰體在高速侵徹沖擊作用時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的冰體裂紋擴(kuò)展，有限尺寸的冰體在受到?jīng)_擊后，會(huì)發(fā)生劇烈的冰體爆炸。彈體在侵徹過程中，被甲破壞嚴(yán)重，但彈體鋼芯基本保持完整。采用有限元分析方法建立數(shù)值計(jì)算模型，針對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，討論彈體著靶速度以及冰體厚度改變時(shí)，對(duì)侵徹的影響。研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)破冰彈體設(shè)計(jì)及使用過程中效果的最大化提供了重要的參考，研究對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、高原極地區(qū)域作戰(zhàn)等方面具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 冰體侵徹射擊試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)器材及冰體制作

試驗(yàn)采用95-1式制式步槍，如圖1所示，彈種為5.8 mm制式步槍彈。試驗(yàn)采用高速攝像記錄彈體侵徹冰體的過程及彈丸的飛行姿態(tài)，采用紅外攝像對(duì)冰體侵徹試驗(yàn)過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行拍攝與圖像采集。

圖1 95-1式步槍及5.8 mm制式彈

由于實(shí)際環(huán)境中不同區(qū)域的冰層厚度不同，極地海冰冰蓋其厚度甚至可達(dá)數(shù)米。不同厚度的冰體的毀傷破壞過程會(huì)存在著一定區(qū)別，因此選用兩種不同厚度的冰體對(duì)這一過程進(jìn)行研究，即10倍以上(35 cm)彈體長(zhǎng)度冰體靶I；以及3～5倍(10 cm)彈體長(zhǎng)度范圍內(nèi)的冰體靶II。試驗(yàn)采用放置高低溫試驗(yàn)箱制作冰體，模具選用高強(qiáng)度透明亞克力板材，模具承載冰體一起進(jìn)行射擊試驗(yàn)。模具外徑150 mm，壁厚3 mm，長(zhǎng)度分別為40 cm和15 cm。制備好的冰體如圖2所示，彈、靶參數(shù)如表1所示。

圖2 冰體制作

表1 試驗(yàn)參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)步驟

1)開啟高速攝像機(jī)及紅外攝像機(jī)，將冰體安裝固定在靶架上，拍照記錄；

2) 射手進(jìn)入射擊位置，其余試驗(yàn)人員撤離至安全位置，做好隱蔽；

3)射擊結(jié)束，采集試驗(yàn)圖像與數(shù)據(jù)，拍照記錄試驗(yàn)后冰體，保存并處理高速攝像機(jī)及紅外攝像機(jī)的拍攝圖像；

4)清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，準(zhǔn)備下一次試驗(yàn)；

5)清理試驗(yàn)場(chǎng)地，剩余彈藥入庫(kù)保存。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 侵徹35 cm厚度冰體

射擊后彈體命中位置為冰體中心偏下，偏離冰體中心，當(dāng)彈體著靶后，冰體的受彈面彈孔周圍出現(xiàn)毀傷破壞區(qū)域，隨后彈體侵徹進(jìn)入冰體內(nèi)部，同時(shí)受彈面上彈孔向外噴射冰體碎屑粉末，冰體內(nèi)部受到彈體侵徹出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展與冰體的破壞，彈體從靶體側(cè)面穿出，冰靶體整體炸裂破碎，如圖3所示。

圖3 5.8 mm彈體侵徹35 cm冰靶體高速攝像圖像

彈體在侵徹過程中從冰體側(cè)面穿出并且穿透靶架，彈體侵徹冰體時(shí)紅外圖像如圖4所示。在彈體高速侵徹冰體的過程中，從冰體側(cè)面穿出并且穿透靶架，因此可以在紅外圖5中觀測(cè)到彈體與靶架作用時(shí)產(chǎn)生的高溫區(qū)域。

圖4 彈體侵徹35 cm冰靶體紅外攝像圖像

1.3.2 侵徹10 cm厚度冰靶體

射擊后步槍彈命中位置為冰體中心，侵徹冰體時(shí)紅外圖像如圖5所示。在彈體著靶時(shí)，由于冰體較薄，彈體穿透冰體，冰體炸裂。圖6為彈體侵徹10 cm厚度冰體紅外圖像，通過紅外圖像可以清晰的觀測(cè)到冰體破壞與爆炸的情況。

圖5 5.8 mm彈體侵徹15 cm冰靶體高速攝像圖像

圖6 彈體侵徹10 cm冰靶體紅外攝像圖像

試驗(yàn)結(jié)束后，觀測(cè)彈體的破壞情況。圖7為5.8 mm彈體結(jié)構(gòu)示意圖，彈體包括銅材料披甲以及鋼材料彈芯兩個(gè)部分，圖8為彈體在侵徹過程結(jié)束后的形態(tài)，其中彈體1為第一次試驗(yàn)彈體，彈體2為第二次試驗(yàn)彈體。對(duì)比圖7與圖8可以發(fā)現(xiàn)，侵徹35 cm和15 cm冰體后，彈體被甲都被完全破壞，但彈體鋼芯均保持了較好的形態(tài)，彈芯頭部沒有明顯破壞的痕跡。對(duì)試驗(yàn)后彈體進(jìn)行高度測(cè)量，如圖9所示，5.8 mm彈體原始高度為24 mm，侵徹后彈體1高度為21.37 mm，彈體2高度為21.65 mm，高度損失分別為0.11%和0.09%。

圖7 5.8 mm彈體結(jié)構(gòu)回收的彈體

圖8 試驗(yàn)后彈體回收的彈體

圖9 5.8 mm彈體彈芯侵徹后高度

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 建立計(jì)算模型

計(jì)算過程采用 Lagrange算法，采用六面體網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，并對(duì)彈體的彈頭部位進(jìn)行一定程度的加密，彈體有限元模型如圖10所示。冰體材料的侵徹毀傷數(shù)值計(jì)算模型如圖11所示。彈體整體與冰體材料之間采用面面侵蝕接觸算法 ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。被甲與鋼芯之間采用自動(dòng)面面接觸算法AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。冰體材料上添加邊界條件BOUNDARY_SPC_SET及BOUNDARY_NON_REFLECTING。

圖10 5.8 mm彈體有限元模型

圖11 35 cm和15 cm彈-靶有限元模型

2.2 彈體與冰體材料屬性

數(shù)值模擬計(jì)算中使用的5.8 mm小口徑步槍彈銅質(zhì)被甲材料采用Johnson-Cook本構(gòu)模型，對(duì)于大變形、高應(yīng)變率下和高溫條件下的材料屬性，Johnson-Cook本構(gòu)模型能夠進(jìn)行有效的描述。Johnson-Cook模型在大應(yīng)變情況下的本構(gòu)關(guān)系方程為：

(1)

Gruneisen狀態(tài)方程定義的壓縮材料壓力為：

(2)

式中：為材料密度；為-曲線的截距；為Gruneisen常數(shù)；是對(duì)的一階體積修正;、、為-曲線斜率的系數(shù)；為楊氏模量；為相對(duì)體積壓縮狀態(tài)，用狀態(tài)方程定義為：

(3)

其中：為材料體積。

狀態(tài)方程定義膨脹材料的壓力為：

=+(+)

(4)

2.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

通過圖12冰體模擬與試驗(yàn)對(duì)比圖像冰體碎屑噴射情況可以看出，彈體對(duì)較厚冰體的侵徹模擬與試驗(yàn)接近。

圖12 彈體侵徹35 cm厚度冰體模擬與試驗(yàn)對(duì)比圖像

圖13所示為彈體高速侵徹10 cm冰體的數(shù)值模擬與試驗(yàn)圖像。當(dāng)彈體侵入冰體后，冰體受彈面形成開坑并出現(xiàn)較大范圍的裂紋擴(kuò)展，隨著侵徹的進(jìn)行冰體前后出現(xiàn)碎屑粉末的噴射，在試驗(yàn)中冰體受到彈體侵徹的影響內(nèi)部破碎，在模擬中，冰體內(nèi)部出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破壞失效且失效節(jié)點(diǎn)的分布與冰體碎屑噴射較為相似。

圖13 彈體侵徹10 cm厚度冰體模擬與試驗(yàn)對(duì)比圖像

根據(jù)建立的高速?gòu)楏w侵徹冰靶體的數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明材料模型在侵徹計(jì)算中的合理性與適用性。

3 著靶速度對(duì)侵徹的影響

5.8 mm彈藥的有效射擊距離約為400 m，選取距靶體100 m、200 m、300 m、400 m時(shí)的彈體速度，分別為840 m/s、743 m/s、657 m/s、581 m/s，進(jìn)行不同著靶速度下彈體對(duì)冰體的侵徹?cái)?shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究。

不同著靶速度下彈體對(duì)冰體侵徹的侵徹過程以及破壞毀傷區(qū)域如圖14所示，當(dāng)彈體速度減小時(shí)，在一定程度上削弱了小口徑彈藥侵徹過程中的偏轉(zhuǎn)與失穩(wěn)，從而提高了彈體在侵徹過程中的穩(wěn)定性，著靶速度為581 m/s的侵徹幾乎未發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，著靶速度為743 m/s時(shí)，偏轉(zhuǎn)程度最為嚴(yán)重。

圖14 不同著靶速度下彈體對(duì)冰體侵徹的過程

對(duì)比4種計(jì)算工況，隨著彈體著靶速度的降低，彈體偏轉(zhuǎn)程度減小，侵徹隧道變得較為平直且寬度均勻。彈體在侵徹結(jié)束后的狀態(tài)如圖15所示。隨著著靶速度降低，披甲的脫離程度降低，著靶速度為840 m/s和743 m/s時(shí)，在高速侵徹下，部分被甲被撕裂，脫離彈體形成碎片披甲完全脫離彈芯，并出現(xiàn)了嚴(yán)重的破壞。當(dāng)彈體著靶速度降低后，彈體在侵徹過程中的偏轉(zhuǎn)程度減弱，因此當(dāng)著靶速度為657 m/s時(shí)，披甲呈現(xiàn)即將脫離鋼芯的狀態(tài)，而當(dāng)著靶速度為581 m/s時(shí)，被甲僅出現(xiàn)頭部的侵蝕破壞，此時(shí)彈體剩余皮甲質(zhì)量約為0.61 g。彈體彈芯在不同著靶速度侵徹過程中均保持較為完整的形態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯破壞痕跡。

圖15 不同著靶速度下彈體披甲破壞情況

彈體在侵徹過程中鋼芯的速度變化曲線如圖16所示。對(duì)比圖中曲線，彈體著靶速度為581 m/s時(shí)，彈體未發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，因此彈體的速度變化較其余的工況下較小，侵徹結(jié)束后彈體鋼芯的剩余速度為463.6 m/s，速度損失20.2%。隨著著靶速度的增加，由于侵徹過程中穩(wěn)定性逐漸減弱，彈體偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致彈體速度出現(xiàn)大幅度降低。657 m/s、743 m/s、840 m/s 著靶速度下的彈體侵徹，在侵徹結(jié)束后，彈體鋼芯速度損失比分別為41.6%、90.0%、49.5%。彈體以743 m/s的速度著靶時(shí)，彈體的偏轉(zhuǎn)最為嚴(yán)重，彈體由垂直方向侵徹偏轉(zhuǎn)為接近水平方向，因此速度損失最大。根據(jù)速度圖像可知，在彈體未發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)的情況下，彈體在侵徹過程中的速度損失比隨侵徹著靶速度的減小而減小。但在侵徹開坑階段，彈體鋼芯的速度衰減隨著靶速度的減小而增大，表2所示為彈體在不同著靶速度下侵徹開坑時(shí)彈體鋼芯的速度損失比，隨著彈體著靶速度的減小，彈體鋼芯在著靶階段的速度損失比呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

圖16 不同著靶速度下彈體鋼芯的速度變化

表2 侵徹開坑階段彈體鋼芯的速度損失比

彈體鋼芯的減加速度變化曲線如圖17所示。743 m/s、657 m/s與581 m/s的著靶速度下，彈體鋼芯受到的減加速度與840 m/s著靶速度時(shí)存在顯著差距。由于侵徹著靶速度的減小，彈體在侵徹開坑階段的速度損失增大，因此彈體鋼芯在此階段的減加速度變化較大。侵徹開坑階段結(jié)束后，彈體的速度變化趨于平緩，鋼芯受到的減加速度減小。743 m/s著靶速度下彈體偏轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重，因此在坑下侵徹階段，彈體鋼芯受到的減加速度的值再次升高。

圖17 不同著靶速度下彈體鋼芯的減加速度變化

圖18為不同著靶速度下冰體質(zhì)量變化曲線，隨著侵徹著靶速度降低，坑下侵徹階段冰體的質(zhì)量損失速率減小。侵徹開坑階段的冰體質(zhì)量損失速率隨侵徹速度的增加整體上呈現(xiàn)將先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)彈體的侵徹速度為743 m/s時(shí)，冰體在開坑階段的質(zhì)量損失占到總質(zhì)量損失的52.8%。當(dāng)彈體著靶速度在一定范圍內(nèi)，冰體的質(zhì)量損失主要集中于侵徹開坑階段。

圖18 不同著靶速度下冰體質(zhì)量變化

4 冰體厚度改變對(duì)冰體的侵徹毀傷

在破冰彈藥的設(shè)計(jì)及實(shí)際使用過程中，冰體與彈體的長(zhǎng)度比例不會(huì)過高。因此10 cm厚度冰體的侵徹毀傷效應(yīng)進(jìn)行研究。

圖19為不同著靶速度下彈體對(duì)冰體侵徹的侵徹過程圖，從圖19可以看出，隨著著靶速度的降低，彈體對(duì)冰體的破壞呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，連續(xù)的徑向裂紋的擴(kuò)展程度減弱。

圖19 不同著靶速度下彈體對(duì)冰體侵徹的過程

彈體完全穿冰后的形態(tài)如圖20所示，彈體侵徹路徑較短，因此披甲破壞程度明顯較35 cm冰體輕，被甲剩余質(zhì)量的變化如圖21所示。彈體在侵徹10 cm厚度冰體過程中，彈體頭部為主要侵徹部位，因此彈體頭部的侵蝕磨損嚴(yán)重，頭部被甲卷曲變形，且在高速侵徹下，部分被甲被撕裂，脫離彈體形成碎片。當(dāng)彈體在侵徹出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)后，會(huì)導(dǎo)致彈體被甲一側(cè)的破壞加劇。當(dāng)彈體著靶速度降低后，彈體偏轉(zhuǎn)程度減小，如彈體以581 m/s的著靶速度侵徹時(shí)，彈體除頭部被甲外均保持較好形態(tài)，未出現(xiàn)嚴(yán)重的侵蝕破壞。因此對(duì)于破冰彈的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)增大侵徹重點(diǎn)部位的強(qiáng)度與厚度，以減輕對(duì)破冰彈體內(nèi)部的破壞，同時(shí)適當(dāng)控制彈體侵徹速度，以抑制彈體的侵徹偏轉(zhuǎn)，減輕彈體的破壞。

圖20 不同著靶速度下彈體披甲破壞情況

圖21 彈體剩余披甲質(zhì)量

彈體鋼芯的速度損失比與冰體的質(zhì)量損失比如圖22所示，隨著侵徹著靶速度的增加，彈體鋼芯的速度損失比呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而冰體的質(zhì)量損失比呈現(xiàn)波動(dòng)變化。當(dāng)彈體著靶速度大于750 m/s時(shí)，著靶速度越大，則彈體對(duì)冰體造成的質(zhì)量損失越大。彈體著靶速度在850 m/s以下時(shí)，彈體鋼芯的速度損失比與冰體質(zhì)量損失比的變化趨勢(shì)一致。

圖22 侵徹結(jié)束后損失比變化圖像

5 結(jié)論

1)彈體高速侵徹35 cm冰靶體時(shí)在開坑階段的速度損失比與彈體受到的減加速度隨著靶速度的減小而增加。隨著彈體著靶速度的降低，侵徹過程中的彈體偏轉(zhuǎn)被抑制，彈體侵徹穩(wěn)定性增強(qiáng)，彈體偏轉(zhuǎn)程度減小，彈體侵徹過程中的速度損失比減小，冰體的剩余質(zhì)量呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。

2)彈體在高速侵徹10 cm冰體時(shí)，侵徹過程與侵徹35 cm厚度冰體初期相似。彈體被甲在840～657 m/s的速度范圍侵徹冰體時(shí)受到的侵蝕破壞程度較大；隨著彈體著靶速度增加，侵徹結(jié)束時(shí)彈體的速度損失比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而彈體的質(zhì)量損失比波動(dòng)變化；當(dāng)彈體著靶速度大于750 m/s時(shí)，著靶速度越大，彈體對(duì)冰體造成的質(zhì)量損失越大。

3)著靶速度為彈體侵徹冰體過程中失穩(wěn)偏轉(zhuǎn)的主要原因。著靶速度越大彈體越容易失穩(wěn)，從而增加披甲破壞程度。同時(shí)，彈體的運(yùn)動(dòng)路徑越長(zhǎng)，彈體披甲的破壞程度也越嚴(yán)重。

4)建議增大侵徹重點(diǎn)部位的強(qiáng)度與厚度，以減輕對(duì)破冰彈體內(nèi)部的破壞，同時(shí)適當(dāng)控制彈體侵徹速度，以抑制彈體的侵徹偏轉(zhuǎn)，減輕彈體的破壞。由于試驗(yàn)條件以及氣候條件的影響，冰體尺寸沒有做到足夠大，不同水域的冰體存在一定差異，因此可以對(duì)不同種類冰體進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)也可以對(duì)不同影響因素及變量進(jìn)行分析。