厚均质靶板在抗穿甲过程中的倾角效应研究*

游毓聪,沈培辉,杜文革,邱从礼,吴群彪

(1 中国华阴兵器试验中心, 陕西华阴 714200; 2 南京理工大学, 南京 210094)

厚均质靶板在抗穿甲过程中的倾角效应研究*

游毓聪1,沈培辉2,杜文革1,邱从礼1,吴群彪2

(1 中国华阴兵器试验中心, 陕西华阴 714200; 2 南京理工大学, 南京 210094)

文中针对厚均质靶板在抗穿甲过程中的倾角效应展开研究,选择29.6°/400 mm的均质靶板进行了实弹射击试验,并建立仿真模型。利用ANSYS/LS-DYNA有限元对不同倾角条件下的均质靶板抗穿甲过程进行了数值模拟,得出垂直穿深相同条件下,均质靶板的倾角效应在抗穿甲过程中的影响。这些结论对指导今后武器装备试验具有实际意义。

倾角效应;均质靶板;侵彻;垂直穿深

0 引言

在进行坦克装甲车辆的装甲防护设计时,利用倾角效应可以提高装甲钢的防护能力。然而,在进行穿甲试验时,对其穿甲能力的评判经常依据垂直穿深进行,如某2代穿甲弹的垂直穿深为460 mm,但国内外均质靶板规格不能满足该厚度要求,此时往往通过将靶板斜置的方式来实现等效垂直穿深。对于要求的垂直穿深460 mm靶板,当已有的靶板厚度为400 mm,那么靶板法向角θ满足:

460=400/cosθ

则:θ=29.6°

以往人们对穿甲过程的研究都是在大量试验基础上,再联合一些经验公式,如莫林、德马尔、海利公式等,这些经验公式对预测弹体侵彻能力和靶板的防护能力都有较大实用价值,但这些公式的推导计算量大且无法反映中间参数的变化以及全过程的物理本质,对于穿甲弹侵彻倾斜靶板的研究也存在局限性[1-2]。文中在实弹射击的基础上,建立了穿甲弹侵彻垂直及倾斜的厚靶板模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元对不同倾角条件下的均质靶板进行了数值模拟,并比较不同倾角靶板的抗穿甲能力。

1 实弹射击试验

试验用105 mm坦克炮对29.6°/400 mm均质靶板射击(等效垂直靶板460 mm)某105 mm穿甲弹,靶前布设章动靶,着靶速度通过天幕靶测试。

依据兰利法,得出该穿甲弹对29.6°/400 mm均质靶板射击的临界穿透速度v50=1 470 m/s。试验图片如图1和图2所示。

文中在此实弹射击的基础上,建立仿真模型。

2 模型的建立

由于斜置靶板厚度小于垂直靶板,其靶板背面的边界效应相比垂直靶板更为明显。另外弹丸侵彻斜置靶板时,弹丸将受到不均匀的靶板抗力,由此导致弹丸在靶板内部的行程非直线性。这些穿甲过程涉及高压、高温、高速,以及结构内的部分材料的破坏,如冲塞、侵彻、层裂、崩落、溅飞等不同的复杂形式[3]。因此,对弹丸侵彻过程的分析成为冲击动力学研究的难点之一。下面通过数值模拟研究倾角效应在抗穿甲过程中的影响。

图1 弹丸未穿透靶板正面与背面图

图2 弹丸穿透靶板正面与背面图

2.1 均质靶板材料模型

弹丸飞行体(钨合金)及均质靶板(合金钢)材料都采用Johnson-Cook材料本构模型,该模型是描述材料在大变形、高应变率和高温条件下的本构关系,适用于大部分金属材料。Johnson-Cook的材料屈服应力为[4]:

断裂破坏时的应变:

2.2 仿真模型

根据试验中105 mm穿甲弹飞行体尺寸建立弹体模型,为简化计算,在保证相同质量前提下仿真模型中不考虑杆体上的啮合齿,建立穿甲弹飞行体的有限元模型如图3所示。

图3 穿甲弹飞行体有限元模型

由于穿甲弹侵彻靶板是轴对称问题,可将弹靶模型建为二分之一模型,图4为穿甲弹侵彻29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型。

图4 穿甲弹侵彻29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型

2.3 材料参数

穿甲弹的弹体材料是93W,弹-靶都采用Johnson-Cook强度模型,弹体材料参数[5]如表1所示。

表1 93W的材料参数

均质靶板材料为合金钢,通过力学性能检测,得出试验中的均质靶板屈服强度为812 MPa。由射击试验得出长杆弹侵彻29.6°/400 mm均质靶板的临界穿透速度v50为1 470 m/s,得出B值为297 MPa。均质靶板的材料参数如表2所示。

表2 均质靶板的材料参数

3 仿真计算

按照试验条件,穿甲弹着靶速度设置为1 470 m/s,在以上模型的基础上,分别对垂直穿深460 mm的460 mm/0°、400 mm/29.6°、325 mm/45°、230 mm/60°、150 mm/71°五种靶板进行射击,得到的仿真结果如图5所示。

图5 穿甲弹侵彻五种靶板的仿真结果比较图

从仿真结果得出,穿甲弹在着靶速度1 470 m/s情况下穿透了150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°靶板,未能穿透400 mm/29.6°斜置和460 mm/0°垂直放置的靶板。

针对穿透情况,可以通过比较弹丸穿透靶板后的剩余速度,从而得出不同倾斜角度的均质靶板抗穿甲性能。图6是穿甲弹穿透150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°三种靶板时的速度变化曲线。

图6 穿甲弹穿透三种靶板时的速度变化图

上图中,穿甲弹穿透斜置靶板后的剩余速度按倾角由大到小顺序分别为873 m/s、853 m/s和895 m/s。可以看出长杆弹穿透3种等效厚度相同的斜置靶板的剩余速度相差不大,其中325 mm/45°斜置靶板剩余速度略微偏大可能是由于其等效厚度为459.6 mm,略低于460 mm。总结上述3组穿透条件的仿真结果,可以得出长杆弹能够穿透靶板的情况下,只要靶板等效厚度相同,倾角大小对靶板抗穿甲能力的影响不大。

针对未穿透的情况,由于剩余速度为0,则通过比较靶板背部的鼓包情况,从而得出未穿透情况下不同均质靶板的抗穿甲性能。图7为穿甲弹未穿透400 mm/29.6°和460 mm/0°靶板背面鼓包图。

图7 未能穿透靶板的靶背单元

从图7可以得出,400 mm/29.6°靶板上的单元位移为18 mm,460 mm/0°靶板上的单元位移为11.7 mm。由此可知,在垂直穿深相同的条件下,垂直放置靶板的抗穿甲能力最强。

综合比较150 mm/71°、230 mm/60°、325mm/45°、400 mm/29.6°、460 mm/0°这五种靶板状况,当靶板的斜置角度超过45°时,105 mm穿甲弹穿透靶板,且弹丸的剩余速度相差不大,表明当倾斜角度超过一定角度,在垂直穿深相同的条件下,靶板抗穿甲性能相当。而当靶板倾斜角度较小时,105 mm穿甲弹未能穿透靶板,从靶后的鼓包得出小倾斜角度靶板抗穿甲性能相当。

4 结论

1)在垂直穿深相同的条件下,对于厚均质靶板,垂直放置条件下的抗穿甲能力最强,随着靶板法向角的增大,其抗穿甲能力降低。

2)在垂直穿深相同条件下,当弹丸穿透法向角不同的均质靶板时,其弹体剩余速度接近。针对垂直穿深460 mm均质靶板,当靶板倾角在45°～71°之间时,靶板抗穿甲性能相当。因此对于穿甲威力针对倾角65°、68°、71°等大角度的均质靶板,可以考虑采用45°倾角的均质靶板进行试验,以提高靶板利用率,降低试验风险。

3)均质靶板法向角超过一定角度时,将垂直放置的厚均质靶板采用中等厚度靶板大角度斜置的方式并不能完全等效,尤其在武器装备鉴定试验指标裕量小、要求较高的情况下需要引起重视。

[1] 王儒策, 赵国志. 弹丸终点效应 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1993.

[2] 赵国志. 穿甲工程力学 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 1992.

[3] 纪霞, 王利. 弹丸侵彻多层靶板数值分析 [J]. 探测与控制学报, 2006, 28(2): 42-45.

[4] 韩永要, 赵国志, 李向东, 等. 长管体垂直侵彻半无限均质靶板的数值模拟 [J]. 弹道学报, 2004, 16(2): 33-36.

[5] 程兴旺, 王富耻, 李树奎, 等. 不同头部形状长杆弹侵彻过程的数值模拟 [J]. 兵工学报, 2007, 28(8): 930-933.

Research on Obliquity Effect of Thick Homogeneous Target in Anti-Penetration

YOU Yucong1,SHEN Peihui2,DU Wenge1,QIU Congli1,WU Qunbiao2

(1 Huayin Ordnance Test Center of China, Shaanxi Huayin 714200, China; 2 Najing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Obliquity effect of thick homogeneous target in anti-penetration was studied by shooting test with homogeneous target (29.6°/400 mm). The simulation model was built. ANSYS/LS-DYNA finite element was used in numerical simulation of anti-penetration of homogeneous target at different obliquity; the obliquity effect of homogeneous target on anti-penetration with same vertical depth was got. Those conclusions have some practical significance to armor testing.

obliquity effect; homogeneous target; penetrate; vertical depth

2014-05-21

游毓聪(1982-),男,湖北十堰人,工程师,硕士,研究方向:弹药试验。

TJ410.4

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