钨合金杆式弹侵彻过程研究

焦志刚，许 强，董 兴

(1 沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2 辽沈工业集团有限公司，辽宁 沈阳 110045)

钨合金杆式弹侵彻过程研究

焦志刚1，许 强1，董 兴2

(1 沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159；2 辽沈工业集团有限公司，辽宁 沈阳 110045)

通过对杆式穿甲弹的弹芯材料分析，用AUTODYN-3D非线性动力学仿真软件对钨金杆式弹高速侵彻钢靶板过程进行数值模拟，得到弹体剩余速度、残余弹芯长度等参数，分析弹芯“磨菇头”的成因、靶板的破坏形式及增加侵彻能力的途径，与试验结果进行对比，结果表明：两者侵彻毁伤效果基本相符。

AUTODYN；杆式弹；钨合金；侵彻

杆式穿甲弹是目前最常用的反坦克、反装甲弹药之一。其弹芯材料对穿甲弹侵彻能力起决定性作用，一般选用钨合金或贫铀合金作为杆式穿甲弹的弹芯材料[1]。但由于贫铀合金具有辐射性，伊拉克战争时贫铀弹的使用给美军和伊拉克人民留下了巨大的“后遗症”，贫铀合金不再被提倡使用。钨合金密度大、强度高、延展性好，侵彻装甲目标时保持速度和穿甲能力强，且具有易于加工的机械性能，已逐渐成为军事工业中穿甲战斗部的首选材料[2]。

目前有关侵彻与防护问题的研究多采用经验法、数值法和试验法，很难对侵彻过程中弹靶变形等现象进行研究。文献[1]和文献[2]是在理论基础上，通过优化弹体结构及材料进行大量数值模拟，并配合工程计算模型进行分析。本文用AUTODYN仿真软件，采用lagrange算法对钨合金杆式弹高速侵彻有限厚度钢靶板进行数值模拟，分析钨合金杆式弹侵彻过程，与试验结果进行对比。

1 钨合金杆式弹的侵彻原理

钨合金杆式弹在高速侵彻靶板过程中，弹、靶接触区域产生高温、高压和高应变，是非常复杂的动力学过程。侵彻过程中杆式弹和靶板产生剧烈塑性变形、剪切断裂、热效应、甚至熔化等一系列现象。钨合金弹芯在侵彻过程中对靶板挤压产生塑性流动，流动的材料被挤向四周，形成扩孔型破坏[3]。

由于钨合金弹芯材料的绝热剪切应变率和临界剪切应变值较高，侵彻过程中弹芯头部不易发生断裂，在轴向侵彻力的作用下导致弹芯头部变形呈“蘑菇状”，导致靶板弹坑直径较大，甚至数倍于钨合金杆式弹芯的直径[4]。

2 数值模拟

2.1 建立模型

采用AUTODYN-3D来仿真钨合金杆式弹侵彻有限厚度钢靶板，杆式弹用钨合金，直径8mm，长径比为11，着速1210m/s，划分网格2376个。靶板用45#钢，厚度60mm，半径40mm，划分网格72000个。仿真模型如图1所示，单位选用mm-mg-ms。

计算过程采用Lagrange算法，该算法以材料网格坐标为主，网格节点随网格点上的物质运动，相连节点的相对运动导致网格单元的膨胀、压缩和变形，质量、动量和能量随网格单元的运动传递，可观察到任意时刻弹、靶的变形和破坏情况[5]。

图1 钨合金杆式弹侵彻钢靶模型

2.2 状态方程和材料参数

数值模拟选用AUTODYN有限元分析软件，弹芯选用TUNG.ALLOY模型，靶板选用STEEL模型[6]。弹、靶的材料模型如表1所示。弹、靶的材料参数取值如表2所示。

表1 弹、靶材料及模型

表2 弹、靶主要材料参数

3 结果分析

3.1 侵彻过程分析

钨合金杆式弹侵彻45#钢靶过程如图2所示。一般杆式弹侵彻过程可分为开坑、侵彻和冲塞三个阶段。钨合金杆式弹触靶时速度较大，对靶板的开坑效果比较明显，形成稳定侵彻的条件；由于弹、靶材料选择和数值模拟算法的因素未发生较明显的材料飞溅现象。侵彻过程中弹芯头部不断敦粗出现“蘑菇头”，靶板坑道直径明显大于弹芯直径(约2倍于弹芯直径)。由于高速撞击弹、靶的塑性流动作用，导致靶板发生扩孔型破坏，没有明显的冲塞现象。

图2 不同时刻侵彻结果

钨合金杆式弹速度曲线如图3所示。落速1210m/s，开始侵彻后，钨合金杆式弹速度急剧下降，弹芯头部贯穿靶板后以732m/s的剩余速度继续运动，直至残余弹芯全部从靶板内部飞出，整个侵彻过程历时0.15ms。

图3 钨合金杆式弹速度曲线

侵彻时弹、靶的应力情况如图4所示。钨合金杆式弹触靶时头部等效应力最大，可达1.8GPa，不论对钨合金还是45#钢，远高于其材料的屈服极限，是导致大塑性变形和材料破裂的主要原因。当应力超过材料的屈服强度时，同时也由于弹、靶接触区域的温度很高，弹、靶不断发生塑性流动和侵蚀；侵彻过程中弹芯头部受靶板挤压出现“翻唇”现象，随着弹芯侵彻深度的加深，弹芯头部不断被侵蚀，“蘑菇头”越来越大，弹芯的长度越来越短，靶板的坑道直径略有增加，脱落的弹芯碎片沿着靶板坑壁以较小的速度移动；弹芯完全贯穿靶板时，其长度剩余量仅为初始长度的27.8%。

图4 不同时刻的弹、靶应力情况

3.2 与试验结果进行对比

与文献[7]中的穿甲试验进行对比，图5a为试验结果的残余弹芯，图5b为AUTODYN数值模拟后的残余弹芯。由于试验所用弹、靶材料自身的缺陷及试验过程中存在的人为误差，数值模拟中均为理想状态，不存在试验过程中的不利因素，所以试验结果与数值模拟结果残余弹体的形状存在差异。

图6a为试验靶板破坏效果，图6b为AUTODYN数值模拟结果。侵彻过程中靶板由于受到杆式弹的侵彻作用而破坏掉的材料不断累积并跟随弹芯头部一起向前运动，造成侵彻通道在径向尺寸上逐渐增大；数值模拟中靶板所使用的材料模型具有网格，侵彻过程中当靶板材料受到高速撞击产生大应变时，网格自动删除避免计算产生错误，这是数值模拟中靶板的侵彻通道径向尺寸几乎相同的主要原因。

图5 试验与数值模拟残余弹芯对比

图6 试验与数值模拟靶板对比

试验回收得到的残余弹芯及靶板剖面形貌效果较好，表3为实验测量与数值模拟参数对比，表明试验结果与数值模拟吻合较好。

表3 试验数据与数值模拟参数对比 mm

4 结论

通过对杆式钨合金穿甲弹侵彻钢靶板过程进行数值模拟，得到了钨合金杆式弹侵彻钢靶板的侵彻过程及应力状况，分析了产生“蘑菇头”的原因及杆式弹对钢靶板的高速侵彻破坏形式。主要结论如下：

(1)钨合金的绝热剪切应变率和临界剪切应变值较高，在侵彻过程中易形成“蘑菇头”，与贫铀合金的“自锐”性能相比，是影响钨合金侵彻能力的一个主要因素。

(2)钨合金杆式弹在侵彻过程中弹头部不断磨损，弹体长度不断缩小，穿透靶板后的残余弹体长度仅为初始长度的27.8%，在高速撞击下增加钨合金杆式弹的弹体长度是增加其侵彻能力的有效途径。

(3)数值模拟与试验结果对比较为吻合，为高速杆式弹的侵彻分析和设计提供了一定参考。

[1]吴群彪，沈培辉，刘荣忠.组合杆式穿甲弹的侵彻能力仿真分析[J].系统仿真学报，2013，25(2)：367-370.

[2]张存信，秦丽柏，米文宇，等.我国穿甲弹用钨合金研究的最新进展与展望[J].粉末冶金材料科学与工程，2006，11(3)：127-132.

[3]钱伟长.穿甲力学[M].北京：北京国防工业出版社，1984.

[4]王猛，黄德武，曲家惠，等.钨合金杆式弹侵彻45#钢变形失效行为的数值分析[J].塑性工程学报,2012.19(2):102-106.

[5]Century Dynamics Ltd.Interactive non-linear dynamic analysis software user manual[M].Ramon，USA:Century Dynamics Incorporated，2001.

[6]ANSYS，Inc..AUTODYN explicit software for non-linear dynamic analysis user manual[M].Pennsylvanaia，USA:ANSYS,Inc.,2005.

[7]从美华，黄德武，段占强，等.小口径穿甲试验靶板弹孔和残余弹体显微组织研究[J].北京理工大学学报,2002,22(5):594-598.

[8]赵晓宁，何勇，张先锋.高速杆式弹侵彻有限厚靶板数值模拟[J].系统仿真学报，2010，22(2)：340-343.

StudyonPenetratingProcessofLong-rodPenetratorofTungstenAlloy

JIAO Zhigang1,XU Qiang1，DONG Xing2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2.Liaoshen Industrial Group Co.,Ltd，Shenyang 110045，China)

By the analysis of bullet core material for long-rod penetrator,the interaction of long-rod penetrator of tungsten alloy impacting on steel target is simulated by AUTODYN-3D software.The residual velocity,residual bullet core length and other parameters were obtained.The cause of bullet core “mushroom head” and the mode of target failure and the way to increase penetration capability are analysed and compared with experimental result.The result indicates that both the penetration damage effect are basically consistent.

AUTODYN； long-rod penetrator； tungsten alloy； penetration

2013-11-25

焦志刚(1963—)，男，教授，研究方向：弹药工程.

1003-1251(2014)05-0077-04

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赵丽琴)