后置组合杆体侵彻机理研究

吴群彪,沈培辉,刘荣忠

（1.江苏科技大学机电与动力工程学院,江苏张家港 215600；2.江苏科技大学苏州理工学院,江苏张家港 215600； 3.南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094）

后置组合杆体侵彻机理研究

吴群彪1,2,3,沈培辉3,刘荣忠3

（1.江苏科技大学机电与动力工程学院,江苏张家港 215600；2.江苏科技大学苏州理工学院,江苏张家港 215600； 3.南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室,江苏南京 210094）

为提高杆式侵彻体的侵彻威力,设计了一种新的后置组合杆体结构。进行了相同外形结构的后置组合杆体与单一均质杆体垂直侵彻半无限钢靶的对比试验,试验结果表明,后置组合杆体侵彻能力优于均质杆体,侵深最大增加了25%.通过数值仿真对后置组合杆体侵彻能力优于均质杆体的原因进行了分析,并与试验结果进行了比较验证。进一步数值模拟了4种不同配置的后置组合杆体在1 000～1 600 m/s着靶速度段侵彻半无限钢靶,得出了不同配置后置组合杆体的侵彻效率与着靶速度的对应关系。

兵器科学与技术；后置组合杆体；均质杆体；侵彻能力；不同配置

0 引言

随着各种新型装甲的不断出现,迫使长杆侵彻体必须更广泛的采用高新技术,以便在与装甲的对抗中占据优势地位。长杆侵彻体的侵彻能力主要取决于着靶时的比动能、杆体结构、杆体材料等因素。提高比动能的方法主要是提高杆体密度,减小杆体直径,增加长径比。现今由于材料限制,长杆体密度已接近极限,长杆体的长径比已超过30,但由于杆体过于细长,在发射、飞行和着靶时都出现了问题,难以达到人们追求的理论上其应当具有的水平。目前国内外对杆体结构改进进行了大量研究,提出了许多种异形侵彻体结构,如分段圆杆体[1-4]、异形截面杆[5-7]、圆管与圆杆组合体[8-9]等。这些研究都是基于同一均质材料进行的杆体结构改进。

杆体材料的性能是影响杆式侵彻体的一个非常重要的因素,其对侵彻威力的影响主要集中体现在密度和强度两个方面,且这二者的影响程度与杆体速度有关,当杆体处于高速阶段时,由于弹靶接触面的临界压力远大于材料屈服强度,杆体材料的强度对侵彻能力影响不明显,此阶段密度是影响侵彻威力的最主要因素；当杆体速度下降到一定阶段时,杆体材料的强度开始发挥作用,高强度的材料不易侵蚀,存速能力强,能更好地发挥侵彻优势。

目前国内外对杆体材料性能的改进主要分为以下两种思路：一种是对单一均质杆体进行热处理或晶粒细化等加工手段,使同一杆体前中后段具有不同性能,使其在侵彻过程各个阶段发挥各自优势,代表人物有Magness等[10]、Upadhyaya[11]；另一种是Lars[12]、Nechitailo等[13]、Ballew[14]学者提出了用不同性能的材料进行结构组合形成一个组合杆体,使其在侵彻过程的不同速度段发挥不同材料的性能优势。

本文正是基于第二种思路,采用高密度的钨合金和高强度的碳化钨两种材料构成组合杆体结构,使其既能在侵彻前期杆体速度较高时充分发挥钨合金的高密度优势,又能在侵彻后期杆体速度较低时发挥出碳化钨的高强度作用。

1 试验及结果

本文依据侵彻过程的不同速度段杆体材料的密度和强度发挥不同主导作用的思路,在不改变单杆均质钨合金杆体体积基础上,在杆体后端嵌套入一个小碳化钨杆体,设计了如图1所示的后置组合杆体结构。

加工好的后置组合弹体和靶体的实物如图2所示。

采用最常用的93钨作为杆体材料,钨合金杆体直径为10 mm,长度为60 mm,内置的碳化钨小杆体直径为6 mm,长度有3种方案,分别为10 mm、 20 mm和30 mm.靶体选用45#钢圆锭,为了消除边界效应的影响,靶体直径取杆体直径的12倍,为120 mm,靶体厚度取100 mm.

图1 后置组合杆体结构示意图Fig.1 The schematic of post-composited rod

图2 后置组合弹体和靶体实物图Fig.2 The physical map of post-composited penetrator and target

试验布局如图3所示。

图3 试验布局图Fig.3 The test layout

3组后置组合杆体与单杆钨合金具有相同外形结构,试验结果见表1.

表1 试验结果表Tab.1 The experimental results

由表1可知,后置组合杆体在杆体初始动能小于单一均质杆体的条件下,后置10 mm组合杆体侵彻深度与单杆非常相近；后置20 mm组合杆体侵彻深度比单杆增加了7 mm,相对单杆侵深增益为13.5%；后置30 mm组合杆体侵彻深度相对单杆增加了13 mm,侵深增益达到了25%.综上所述,后置组合杆体尽管初始动能低于单一均质杆体,但是侵彻深度反而高于单一均质杆体,证明了后置组合杆体相对单杆确实能够提高侵彻能力,具有研究价值。

通过观察试验后的残余弹体和靶体情况来分析后置组合杆体能够提高侵彻能力的原因。剖开靶体得到的试验结果如图4所示。

图4 试验结果图Fig.4 The experimental results

从图4（a）和4（b）的对比可以看出,后置10mm的组合杆体无论是侵彻深度还是弹坑形状都与单杆非常相似。仔细观察后置10 mm组合杆体的残余弹体可以发现残余弹体中间有一个接近10 mm长度的未变形小杆体,此未变形部分即为内嵌的碳化钨小杆体。碳化钨小杆体能显示出如图4（b）中如此规则的方形,说明内嵌的碳化钨小杆体基本没有变形,几乎没有被侵蚀到,其未直接与靶体发生相互作用,故后置10 mm组合杆体没有提高侵彻能力。

图4（c）后置20 mm的组合杆体与图4（a）单杆相比较,侵彻深度有了明显增加。仔细观察后置20 mm组合杆体残余弹体可以发现其有两部分组成：一部分为外部颜色较淡的剩余钨合金杆体；另一部分为中心颜色较深的剩余碳化钨杆体。中心的碳化钨杆体已发生了明显变形,头部变得较为尖锐,且可看出碳化钨杆体在外部的钨合金杆体停止侵彻后,继续向前侵彻靶体,这体现在碳化钨杆体前端更进一步地嵌入了靶体。碳化钨虽然密度低于钨合金,但其塑性波速高于钨合金,其冲击阻抗高于钨合金。由于其具有更高的冲击阻抗,抗侵蚀能力更强,剩余质量更大,存速能力更强,能够在钨合金杆体停止侵彻后继续侵彻靶体,从而提高了后置组合杆体的侵彻深度,这是后置组合杆体提高侵彻能力的重要原因。

相对于图4（a）单杆,图4（d）后置30 mm组合杆体不仅侵彻深度增加大,而且弹坑形状发生了明显变化,后置30 mm组合杆体前端的弹坑直径相比单杆侵彻的弹坑直径明显减小。后置30 mm组合杆体由于碳化钨小杆体长度为整体杆长的一半,碳化钨小杆体较早地与靶体产生了直接作用。由于碳化钨具有更高的强度和冲击阻抗,前端参与侵彻的碳化钨小杆体抗变形和侵蚀能力更强,外部的钨合金已发生变形和侵蚀,而中心的碳化钨杆体还未被侵蚀完。在接下来的侵彻中,前端未被侵蚀完的碳化钨小杆体先参与侵彻,这就相当于整个后置杆体具有了更尖锐的侵彻头部形状,从而减小了整个杆体所受的靶体阻力,导致了弹坑直径的减小和侵彻深度的增加,从而更进一步地提高了后置组合杆体的侵彻能力。

综合以上,从试验角度可知,后置组合杆体相对单杆提高侵彻能力的原因主要是以下两个方面：一方面,高冲击阻抗和高强度的碳化钨小杆体抗侵蚀能力强,剩余质量大,存速能力高,能够在钨合金杆体停止侵彻后继续侵彻,从而增加侵彻深度；另一方面,由于碳化钨和钨合金的冲击阻抗和强度不同,在低速段其侵蚀发生的先后顺序不同,从而使组合杆体段参与侵彻时能形成较尖锐的头部形状,形成结构自锐效果,减小杆体所受阻力,从而提高侵彻能力。

2 仿真及分析

按照试验工况对4组相同体积和外形的杆体进行了相对应的仿真分析,从仿真过程来验证分析后置组合杆体提高侵彻能力的原因。图5为弹靶侵彻有限元模型。

仿真中所用的材料本构和参数如表2和表3所示。

表2 材料模型Tab.2 The material model

图5 弹靶侵彻有限元模型Fig.5 The FE model of rod penetrating target

表3 材料的具体参数Tab.3 The material parameters

4组杆体在与试验相对应的着靶速度下仿真得到的侵彻深度分别为53.0 mm、53.4 mm、59.8 mm和65.8 mm,与试验结果的误差分别为1.9%、4.7%、1.4%和1.2%,仿真得到的侵彻深度与试验的最大误差不超过5%.

图6 仿真结果图Fig.6 The simulation results

图6为4组杆体的仿真结果图,可以看出仿真结果很好地符合了试验。后置10 mm的组合杆体由于后置碳化钨杆体太短,侵彻结束时碳化钨杆体几乎未被侵蚀到,只是发生了较小的变形,所以其侵彻深度和单杆钨合金很接近,且其侵彻后的弹坑形状与单杆钨合金相同。后置20 mm和后置30 mm的侵彻深度明显大于单杆钨合金,且其弹坑形状也反映了与试验相同的趋势,随着后置碳化钨杆体长度越长,弹坑深度越来越深,弹坑直径越来越小。

通过对比单杆钨合金和后置30 mm组合杆体的侵彻过程来分析验证后置组合杆体侵彻能力优于单杆钨合金的原因,图7为两组杆体的侵彻过程图。

图7 两组杆体的侵彻过程图Fig.7 The penetration processes of two rods

从图7两组杆体侵彻过程的对比可以明显看出,当侵彻时间为0.06 ms还未侵蚀到后置碳化钨小杆体时,两组杆体无论是侵彻深度还是弹坑形状都相同。接着后置30 mm的组合杆体中的碳化钨小杆体参与了侵彻,两组杆体的侵彻过程出现了明显的不同。单杆钨合金的侵彻头部形状没有发生明显变化,仍是半球形头部形状,同时杆长明显变短；后置30 mm的组合杆体的侵彻头部形状发生了明显变形,头部形状相比半球形头部形状更加尖锐,杆长缩短量明显小于单杆钨合金杆体,同时弹坑直径明显减小。两组仿真过程的对比很好地验证了试验分析的结果。

3 规律分析

进一步进行了单杆、后置10 mm、后置20 mm、后置30 mm和后置40 mm共5组杆体有限元模型在着靶速度1 000～1 600 m/s每间隔100 m/s的仿真分析,得到的杆体侵彻深度的结果如图8所示。

图8 5组杆体侵彻深度结果图Fig.8 The penetration depthes of five rods

在图8仿真基础上,进行了两发试验进行验证仿真结果的合理性。图9为两发验证试验的结果。

图9 验证试验的结果Fig.9 The verification test results

试验与仿真的结果对比见表4.

表4 验证试验与仿真对比Tab.4 The contrast of verification test and simulation

由表4可知,验证试验与仿真的相对误差最大不超过6%,可见数值仿真的合理性,可用之进一步对后置组合杆体的侵彻规律进行分析。

从图8的5组杆体侵彻深度结果比较可以看出,在1 000～1 600 m/s的着靶速度段,相同体积和外形的后置组合杆体的侵彻深度均高于均质钨合金杆体,其整体侵彻能力均优于后者。

从单杆钨合金和后置10 mm这两组杆体的侵彻深度比较可以看出,当着靶速度较低时,由于后置碳化钨杆体太短,侵彻停止时后置杆体还未作用到,故在着靶速度小于1 200 m/s时,两组杆体的侵彻深度曲线几乎重合,二者侵彻能力几乎相同；当着着靶速度大于1 200 m/s时,后置碳化钨杆体开始参与侵彻,后置10 mm的组合杆体侵彻深度较均质杆体有明显增加,并且随着靶速度的进一步提高,增加幅度越来越大,侵深增益越明显。

从后置20 mm、后置30 mm和后置40 mm这3组组合杆体的侵彻深度比较可以看出,这3组杆体随着着靶速度的提高,侵彻深度的增加幅度越小。当着靶速度为1300 m/s时,后置40 mm的组合杆体侵彻深度已低于后置30 mm的组合杆体；当着靶速度为1500 m/s时,后置40 mm的组合杆体侵彻深度已低于后置20 mm的组合杆体。这是由于当着靶速度很高时,杆体密度成为影响杆体侵彻性能的主要因素。碳化钨的密度小于钨合金,后置40 mm的组合杆体质量小于后置30 mm的组合杆体,其总动能小于后者。这个差距在着靶速度较低阶段,还能由碳化钨高强度和高冲击阻抗的优势所弥补,甚至其侵彻能力还能优于后者,但伴随着着靶速度进一步提高,其总动能小的劣势越来越明显,所以其侵彻能力开始弱于后者。

从以上仿真分析结果可以看出,最优化的后置组合杆体结构的匹配参数不仅与杆体材料性能有关,而且与着靶速度有关。当着靶速度较低时,后置杆体长度可以比较大,此时能充分发挥后置组合杆体结构优势,明显提高侵彻能力；当着靶速度进一步提高时,后置杆体长度可以适量缩短,使其既能发挥后置组合杆体结构优势,又不会因为总动能下降太多反而降低侵彻能力。

4 结论

1）最大侵深增益25%的相同外形结构的后置组合杆体和均质杆体垂直侵彻半无限厚45#钢圆锭的对比试验结果表明,合理配置的后置组合杆体在适当的着靶速度下相对于均质杆体能够提高侵彻能力,具有很大的研究和应用价值。

2）试验和仿真分析结果表明,高强度和高冲击阻抗的后置碳化钨小杆体具有更强的抗变形和侵蚀能力,从而使组合杆体段侵彻过程中具有更优头部形状和更大剩余质量,提高了其整体侵彻能力。

3）后置组合杆体垂直侵彻半无限钢靶的规律研究表明,最优化的结构匹配参数与杆体着靶速度有关,应根据杆体长径比和着靶速度来确定碳化钨小杆体的长度,从而最大程度地发挥其侵彻优势。

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Research on Penetration Mechanism of Post-Composited Rod

WU Qun-biao1,2,3,SHEN Pei-hui3,LIU Rong-zhong3
（1.School of Mechatronics and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600, Jiangsu,China；2.Suzhou Institute of Technology,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600,Jiangsu, China；3.ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China）

A new structure of post-composited rod is designed to improve the penetration ability of rod penetrator.The comparison experiment of post-composited rod and homogeneous rod with the same overall structure invertically penetrating a semi-infinite steel target is conducted.The result indicates that the penetration ability of post-composited rod is superior to that of homogeneous rod.The maximum penetration depth of post-composited rod is 25%more than that of homogeneous rod.The reason of the result is analyzed by the numerical simulation and verified by experimental result.The further simulation of postcomposited rod with four different configurations in penetrating a semi-infinite steel target at impact velocity from 1 000 m/s to 1 600 m/s is carried out.The corresponding relationship between the penetration efficiency of post-composited rod with different configurations and the impact velocity is obtained.

ordnance science and technology；post-composited rod；homogeneous rod；penetration ability； configuration

TJ413.+2

A

1000-1093（2014）10-1536-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.003

2013-12-21

吴群彪（1986—）,男,讲师,博士。E-mail：njust_wqb@163.com；沈培辉（1958—）,男,教授,硕士生导师。E-mail：sphjy8@mail.njust.edu.cn