特型钻地弹排屑的数值模拟及实验研究

郭佩宏，焦国太，韩 晶，郑 超

(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

钻地弹主要被用于攻击机场跑道、地面加固目标、深入地下的指挥中心和工事等目标。随着重要军事目标的坚固化与地下化，促进了钻地武器的发展［1］。其中，侵彻技术的研究范围主要集中在增加弹丸质量和增加侵彻时的速度。钻地弹在侵彻混凝土防护工事时，将混凝土震碎压实最后形成锁密区，单纯地增加弹丸质量和侵彻速度，侵彻深度增加到一定程度将不再增加。基于混凝土具有拉伸破坏强度远小于压力破坏强度的特性(0.10－0.15 倍)，本文提出一种弹体外表面带沟槽的设计，利用弹体表面沟槽和弹体自旋作用赋予其旋转力矩，剪切破坏混凝土锁密区并将破碎混凝土碎屑沿沟槽旋出，减小锁密区对侵彻深度的影响，增加弹丸的毁伤效能［2］。

1 弹体模型

本文设计弹体外侧带三条扭旋沟槽，扭旋方向同弹丸自旋方向相同。由于弹丸外表面带沟槽结构比较复杂且不对称，因此建立全模型。旋转体是复杂实体模型，且有复杂曲面，采用自由网格画分操作。弹体3D 模型如图1 所示。仿真的协调单位为mm－s。

图1 弹体设计图

2 弹体材料与混凝土材料参数

由于只有仿真碎屑的排出情况，弹体外表面无损伤，顾仿真时弹体设为刚性材料［3］。弹体和碎屑材料分别为钢和混凝土，材料参数如表1 所示。

表1 材料参数

3 仿真及结果分析

利用离散元软件EDEM 分别对转速为2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三种转速的弹体进行仿真模拟，对弹体旋转时的排屑量进行计算分析。对弹体中轴进行全约束，分别给予2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三种不同的钻速。得到碎屑颗粒运动情况如图2。

图2 弹体模拟图

通过仿真模拟可见混凝土破碎后的颗粒随着弹体槽旋至弹体尾部以上，使得弹头前端的混凝土形不成密实区。而碎屑排出到第一二三区，最终回落到第三区。所以分析研究第三区颗粒数量随时间变化即可。图3 中dcb 分别为转速2 000 rad/s，4 000 rad/s，6 000 rad/s 三种转速的弹体把碎屑抛掷第三区的数量时间图。数据分析如表2。

弹体旋转值模拟分析结果，可以看出:6 000 rad/s 的弹体，等时间内通过沟槽把碎屑排出的数量大于4 000 rad/s的碎屑，而转速为4 000 rad/s 时的碎屑又大于2 000 rad/s的。说明自旋速度大的带沟槽弹丸对混凝土碎屑的排出效果明显。自转力矩将弹丸对混凝土靶板的压力破坏转变为剪切破坏并将已压实的混凝土锁密区剪切破坏沿沟槽旋出。为大幅度增加侵彻深度提供了前提。为攻击地下目标提供了有力的保障。

图3 数量时间图

表2 不同速度对应时间内抛出的颗粒数

4 缩比实验结果

本缩比实验采用φ14 mm 弹丸进行初期实验。用高转速和低转速沟槽弹丸分别对高强度混凝土进行实验研究。弹丸如图4 所示。螺旋槽弹丸是利用数控机床加工的［4］。破坏效果如图5、6。

图5 高转速弹丸破坏图

图6 低转速弹丸破坏图

高转速螺旋槽弹丸作用目标后，平均侵彻深度30 mm，破坏面积为90 cm2。低转速螺旋槽弹丸平均侵彻深度为24 mm，破坏面积为170 cm2。实验结果对数值分析模拟结果进行了定性定量验证。验证了数值模拟的可行性。

5 结论

1)本文采用离散元软件EDEM 比较真实地模拟三种不同旋转速度的弹丸排出碎屑的过程。结果表明，自旋转速度对带沟槽弹丸侵彻效能成一定正比例。

2)在实验过程中，通过高低转速弹体对靶板的破坏情况进行分析，有力的验证了数值模拟的正确性与可行性。为自旋侵彻钻地弹的研究提供了方向。研究结果可为弹丸在增加侵彻深度效能优化设计上提供借鉴。

［1］刘永远，姜正平，张进.钻地弹及其发趋势［J］.飞航导弹，2006(3):34－37.

［2］杜修力，金浏.用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏［J］土木建筑与环境工程2012(6):1－3.

［3］王明洋，谭可可，吴华杰，等.钻地弹侵彻岩石深度计算新原理与方法［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(9):1863－1869.

［4］陈国光，董素荣.弹药制造工艺学［M］.北京:北京理工大学出版社，2007:302－310.