管－杆伸出式侵彻体的威力研究

董玉财，杜忠华，刘荣忠，刘 杰

（南京理工大学 机械工程学院，南京210094）

伸出式侵彻体是一种在膛内处于压缩的短弹芯状态、出炮口后伸长为长弹芯状态的新型侵彻体。该类侵彻体可有效解决大长径比弹芯在发射和飞行稳定性方面存在的诸多问题，同时，还能降低弹药在装填的过程中对坦克空间的要求。韩永要［1］和方清［2］对杆体置前、管体置后的伸出式异型结构进行了研究，该结构与基准杆相比有一定的侵彻威力增益。在异形侵彻体中，伸出式结构是一种非常有前途的侵彻体结构，因此得到了学者的普遍重视。Veldanov V A［3］等人对管体侵彻的内外径比做了试验与数值模拟研究，得出内外径比从0增加到0.66，侵彻深度下降了25%，弹坑直径增加了15%。Minbyung Lee［4］对厚壁管筒的垂直侵彻问题进行了研究，分别用动量、能量守恒和两阶段空腔膨胀理论得出了长管体侵彻坑径的关系表达式。Edmond［5］对伸出式双弹芯的攻角对穿甲威力的影响进行了数值模拟研究，表明该双弹芯结构对攻角的影响更为敏感。Lynch N J［6］和韩永要［7］研究了固连侵彻体的杆体和管体对穿深的贡献，建立固连异形侵彻体垂直侵彻半无限靶板的理论模型。本文以管体在前、杆体在后的伸出式侵彻体为研究对象，对速度为1 300～1 800m／s时的侵彻过程进行了数值模拟，并在一定的速度下进行了试验验证及相应分析。

1 实验研究

弹芯的材料为93W合金，管体、杆体长分别为73mm、70mm，杆体伸入管体部分与尾翼连接处直径为5mm，其余杆体直径为7mm，管体的内径为7mm，外径为12mm，弹丸的零部件如图1所示；靶板为半径65mm，厚150mm的603装甲钢；采用海25加长身管弹道炮。炮口距12m，实验布置如图2所示。伸出式侵彻体出炮口后，杆体在弹簧力的作用下从管体中弹出，弹簧的外径为7mm，弹簧材料的直径为1.2mm（弹簧原始状态长为60 mm，装弹后压缩状态长为37mm），单圈弹簧刚度为39.7N／mm，杆体和尾翼的总质量为33.5g，由于杆体与管体存在微量间隙，可忽略摩擦力的影响。弹簧对杆体和尾翼整体所产生的加速度为a＝F／m＝k（Δx／m）＝39.7× （60－37）／（33.5×10－3）＝2.725 7×104m／s2，进而得弹簧的伸出时间为t×10－3s，其中，s为弹簧从压缩态到自由态的伸长距离。按试验时弹丸的最大的飞行速度计算t′＝s／vmax＝12／1 501＝7.99×10－3s，t＜t′，由此可知弹簧的响应时间足够。

图1 试验弹丸零部件照片

图2 试验布局

表1为实验结果，表中，mc为装药质量，m0为弹丸的质量，v0为弹丸着靶速度，Dh为头部的侵彻深度，Dr为杆体的侵彻深度，Dw为侵彻体总侵彻深度。从表1中1号弹与2号弹总侵彻深度推测，试验对1号弹所测的速度数据可能存在一定的误差，真实的速度应与2号弹丸的速度相近。

表1 实验结果

2 数值模拟研究

2.1 垂直侵彻数值模拟模型的建立

为了提高计算效率和精度，靶板的网格采用了与弹丸接触较近区域局部加密的划分方法，采用cm－g－us制建模。弹体和靶板的单元类型均为SOLID160，网格单元采用八节点六面体。侵彻体与靶板的接触方式采用ERODING＿SURFACE＿TO＿SURFACE，弹芯管体与弹芯杆体之间的接触方式采用 CONTACT＿TIED＿SURFACE＿TO＿SURFACE。侵彻体及靶板数值模拟均采用Johnson－Cook材料模型和Gruneisen状态方程，其参数如表2所示，其中：ρ，E，μ分别为材料的密度、杨氏模量、泊松比；A为与材料屈服极限相关的常数；B，C，n为与材料的应变硬化及应变率相关的系数；τ为温度系数；Tmelt，Troom分别为材料的熔点及室温。侵彻体与靶板之间采用的侵蚀算法可与失效准则连用，当单元的有效塑性应变达到失效应变或者单元压力达到最小压力时，则单元失效［8］，计算中失效的单元将被删除。

表2 Johnson－Cook材料参数

伸出式侵彻体结构由头部、管体、杆体及尾翼组成。前三部分材料均为93钨合金，尾翼的材料为合金钢，数值模拟模型尺寸与试验结构的相同。与之对比的基准杆质量与伸出式侵彻体相同，其外径为12mm，总长为87.5mm。

为了增强二者的可比性，基准杆的头部与后部弹杆也采用螺纹连接，且尾翼连接处的尺寸与伸出式结构的一致，仿真模型如图3所示。

图3 数值模拟模型

2.2 垂直侵彻数值模拟与试验结果的对比

图4 、图5分别为1 306m／s、1 501m／s速度下该侵彻体试验与数值模拟的弹坑形态。根据图4～图6，对比试验和数值模拟中弹坑的形貌、尺寸及坑深可知本文所采用的数值模拟方法是可靠的。

图4 着速1 306m／s伸出式侵彻体试验与数值模拟的弹坑形态

图5 着速1 501m／s伸出式侵彻体试验与数值模拟的弹坑形态

图6 试验与数值模拟弹坑深度曲线

图6 中Dc为弹坑的侵彻深度；v0为着靶的初始速度。如图6所示，试验与数值模拟结果的误差分别为3.6%，2.5%，3.3%，3.1%。由于仿真的条件较为理想，除上文分析的1号弹测速可能有误，其余均为仿真值较实验值更大。从误差的数值看，数值模拟结果与试验结果吻合较好。

在数值模拟及试验中，管体侵彻部分的弹坑壁均出现了鼓起的弧形区域，且该弧形区域的弹坑直径，试验中所得结果较仿真中要大些。这是由于试验中的弹体可能存在微小的攻角，进而加强了侵彻体对坑壁的侵蚀。同时在数值模拟与试验中均可发现管体的末端在侵彻时将残余的弹芯向坑壁的两侧分开，并镶嵌在靶板的坑壁上，形成内凹的圆角凹槽，这样可有效避免后部杆体侵彻时残余的管体对残渣回流排出的阻碍。并且管体侵彻后留下的坑径远远大于杆体直径，这样可有效避免后部杆体与弹坑壁发生擦碰而引起的效率降低。

2.3 垂直侵彻的对比及增益分析

图7为垂直侵彻时不同时刻的伸出式侵彻体与基准杆侵彻状态。

图7 着速1 700m／s垂直侵彻过程的状态对比

从图7中可见，30μs时2种侵彻体均进入到正常的侵彻状态，侵彻体的头部结构均仅剩微量残余，且此时基准杆的坑深略大于伸出式侵彻体。90μs时伸出式侵彻体的管体侵彻阶段结束，进入后部杆体侵彻阶段，此刻基准杆的侵彻深度大于伸出式侵彻体13mm，但基准杆剩余的弹体长度远远小于伸出式侵彻体，且实际上基准杆150μs时侵彻已经结束，而伸出式侵彻体持续侵彻至180μs。此过程说明，由于基准杆的质量比较集中，虽然在侵彻早期同时刻较伸出式侵彻体的侵深更大些，但由于弹体质量相对消耗过快，侵彻过程结束过早，而伸出式侵彻体由于侵彻后期的持续能力更强，最终仍产生较明显的增益。

如图8所示，速度高于1 434m／s时，基准杆侵彻深度基本呈线性增长的趋势，而在1 600m／s以上管－杆伸出式侵彻体侵彻深度的增长呈加强的趋势。图9中G为侵彻威力增益的百分比。如图9所示，速度在1 600m／s以内，管－杆伸出式侵彻体侵彻的增益在9.44%上下波动，在高于1 600m／s时侵彻的增益迅速增长，可见该侵彻体在高速侵彻上增益更为显著。

图8 垂直侵彻时管－杆伸出式侵彻体与基准杆的弹坑深度

图9 垂直侵彻时管－杆伸出式侵彻体对基准杆的增益

2.4 斜侵彻数值模拟

在1 300～1 800m／s速度范围内，着角为60°下研究了攻角对管－杆侵彻体侵彻靶板的影响，建模方法及材料模型的采用同2.1节，侵彻体结构与前文一致。由于斜侵彻时侵深会更大，靶板沿y轴方向的厚度增至160mm。数值模拟中为了方便设定速度，建模中使弹轴与总体坐标系中的y轴重合，将靶板绕其上表面的中心的法线旋转60°放置。

图10为着角为60°时不同时刻伸出式侵彻体与基准杆的侵彻状态。基准杆、伸出式侵彻体分别在170μs、200μs结束侵彻过程，且侵彻中产生增益的过程与垂直侵彻时类似。

图10 着速1 700m／s，着角60°侵彻过程的状态对比

在斜侵彻中侵彻过程受到两方面的影响：①由于侵彻体与靶材破碎的材料更易被抛出，在开坑的阶段所消耗的能量更小，这有利于增加侵彻的深度；②由于在斜侵彻的过程中存在一个跳飞的趋势，很容易造成侵彻体向靶板材料的弱侧进行横向偏转，这对侵彻产生不利影响。且随着着速的增大，跳飞趋势对侵彻深度的影响不断减弱。在低速段，一般后者的影响占主导地位，高速段反之。图11为着角60°的管－杆伸出式侵彻体与基准杆的弹坑深度。对比图8和图11可知：1 500m／s以内，基准杆斜侵彻时的深度均略小于垂直侵彻时的深度；管－杆伸出式侵彻体由于伸出状态较基准杆的质心后移，且管与杆的连接处存在一定的挠性，可以减弱跳飞趋势的影响，故该速度内斜侵彻时的深度略大于垂直侵彻时的深度。在1 600m／s及以上基准杆与管－杆伸出式侵彻体斜侵彻时的深度均大于垂直时，但后者增加得更显著。

图11 着角60°时管－杆伸出式侵彻体与基准杆的弹坑深度

从图12看出，正如前文分析结果，伸出式侵彻体在低速段较基准杆可以缓解一定跳飞趋势的影响。因此，速度低于1 500m／s时，管－杆伸出式侵彻体增益持续增加；而如图8、图11所示，由于1 600m／s起基准杆斜侵彻的深度已大于垂直侵彻（如上文分析高速度段可以弱化跳飞的影响）故增益微弱下降。在高于1 600m／s时，与垂直侵彻时一致，增益迅速增长，最大增益达19.5%，可见该侵彻体对斜侵彻整体上具有更明显的增益。

图12 着角60°时管－杆伸出式侵彻体对基准杆的增益

本文研究的管－杆伸出式侵彻体在侵彻的过程中可视为两段侵彻体的串联结构，Tate A［9］的研究表明：为了充分地发挥每段侵彻体的作用，前一段侵彻体碰撞过程中没有完全消耗之前，后段杆体不应撞击正在侵彻的杆段。而本文中管－杆伸出式结构的两段侵彻体，在管体与杆体间有充足的空间距离，不会发生后段撞击前段的现象，这将会完全地发挥出该侵彻体所具有的累积毁伤的优势。

3 结论

一系列的数值模拟以及验证试验表明管－杆伸出式侵彻体不仅在垂直侵彻中有增益，在斜侵彻条件下能更好地发挥其侵彻优势，对实际工程应用有着重要的意义。

通过以上的研究获得如下的结论：

①结合对基准杆的数值模拟，在速度1 600m／s内垂直侵彻管－杆伸出式侵彻体均有9%以上的威力增益，在1 600m／s以上增益的增长趋势明显加强。

②在着角为60°的斜侵彻下，管－杆伸出式侵彻体较基准杆能更好弱化跳飞趋势的不利影响。侵彻增益较垂直侵彻时整体上有了明显的提升，最大增益达19.5%。

③管－杆伸出式结构由于发射后杆体从管体中伸出，具有较大的等效长径比。同时，在前端管体完全侵蚀掉后，后部杆体才会撞击靶板，能够发挥出累积毁伤的侵彻优势，这二者是管－杆伸出式侵彻体产生增益的主要原因。

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