PELE侵彻复合装甲数值模拟

李　干,王志军,王　妍,李　硕

(1.中北大学 机电工程学院,太原 030051;2.中国兵器工业第208研究所,北京 102202)



PELE侵彻复合装甲数值模拟

李干1,王志军1,王妍1,李硕2

(1.中北大学 机电工程学院,太原 030051;2.中国兵器工业第208研究所,北京 102202)

为了探究横向增强型侵彻体(PELE)侵彻复合装甲后的毁伤效果,采用显式非线性动力分析软件AUTODYN,对装填特氟龙(聚四氟乙烯)的侵彻膨胀弹以900 m/s着靶速度侵彻复合靶板的过程进行了数值模拟,得到PELE弹对复合靶侵彻破坏效应及相关参数。结果表明:聚碳酸酯(玻璃纤维)、聚氨酯(泡沫塑料)与凯夫拉复合装甲的结构均被PELE的横向效应所破坏;复合装甲的夹心材料不同,靶板的破坏程度也不尽相同;复合装甲能对PELE的横向效应起到一定的抑制作用,而凯夫拉材料抑制作用较好。

横向增强型侵彻体;复合装甲;侵彻;数值模拟

横向增强型侵彻体(penetrator with enhanced lateral efficiency,PELE),是一种基于新型毁伤机理的新概念弹药,它由高密度的外层壳体和壳体内的低密度惰性填充材料组成。PELE弹丸穿透目标后,部分壳体碎裂形成大量破片,对目标后的设备、有生力量等进行杀伤,使PELE弹丸兼有穿甲和毁伤功能,实现了一弹多用。

随着军事技术的进步,越来越多的装甲目标已经采用复合装甲[1-4],而现阶段关于PELE侵彻靶板的研究主要集中在金属薄靶[5-9]和钢筋混凝土靶[10-11],对复合装甲的研究较少。因此,本文拟采用数值模拟的方法,对PELE侵彻复合装甲的过程进行初步研究,探寻复合装甲中的夹层对PELE毁伤元的影响,为PELE实际研究工作提供一定的参考。

1　仿真模型的建立

利用显式非线性动力分析软件AUTODYN,对PELE垂直侵彻复合靶板进行数值计算,图1即为采用显式线性动力分析软件AUTODYN建立的PELE垂直侵彻复合靶板的数值计算模型。

图1　PELE垂直侵彻复合靶板的数值计算模型

PELE为理想的短圆柱杆,外径12.7 mm,内径10.16 mm,后端密封部长为5 mm,全长50.8 mm,填充物长45.8 mm。复合靶板长度与宽度均为40 mm,两侧的装甲钢厚度为3 mm,中间夹层厚度为4 mm。由于弹杆对靶板垂直侵彻具有对称性,所以建立1/4计算模型,对称面设置对称约束。计算对象为钨合金外壳装填特氟龙的PELE垂直侵彻复合靶板,着靶速度为900 m/s,计算时间为100 μs。模拟过程中忽略热能损失。

为了能够较为全面地展示PELE侵彻靶板后的破片情况,采用SPH算法。弹丸和靶板材料参数均来自AUTODYN材料库,具体参数如材料密度ρ等见表1。

表1　计算所用材料参数及模型

2　计算结果与分析

2.1PELE侵彻复合装甲过程

以凯夫拉板复合装甲为例,图2即为PELE侵彻全过程,从t=0至t=100 μs,每隔20 μs的截图。可以看出,当t=20 μs时,弹体穿透前靶板进入夹层,弹芯受到轴向挤压开始径向扩张;而进入夹层后,由于凯夫拉无论是强度还是密度均远小于前靶板材料,径向约束力大大下降,因此在夹层中壳体开始向径向扩张,将周围夹层材料排开,形成局部空腔,这一点在t=40 μs时得到体现。随后,弹体穿透后靶板,开始形成破片云。值得注意的是,前靶板的挤压作用使得弹头部变粗,因此可以明显看出后靶板的扩孔直径比前靶板大很多。

2.2不同复合装甲的侵彻结果

图3～图5分别为PELE侵彻聚碳酸酯(玻璃纤维)、聚氨酯(泡沫塑料)与凯夫拉板复合装甲时弹丸穿透靶板后某一时刻(t=100 μs)的状态图(图3(a)、图4(a)、图5(a))和破片速度云图(图3(b)、图4(b)、图5(b))。为了进行比较,特将未填充任何材料的间隔靶作为比较对象,如图6所示,图中,vABS为破片速度。

图2　PELE侵彻复合装甲过程

图3　夹层材料为聚碳酸酯(玻璃纤维)时弹丸侵彻视图

图6　间隔靶的弹丸侵彻视图

从总体效果来看,所有弹体在侵彻复合装甲后均形成了破片云。复合靶总体效果大致相同,后靶板均比前靶板形成的孔径大,靶内夹层中形成空腔,且均在靶后形成了破片云。从图3～图5可以看出,PELE对复合装甲夹层的破坏均很严重,弹孔周围的夹层材料被挤向四周,在弹孔周围形成空腔。

分析图3～图6可以看出,虽然弹丸均穿透靶板,但在靶后的现象却差别较大,具体差别如表2所示,表中,vmax为最大破片速度,vr为弹体靶后剩余速度,rs为横向效应区域半径,r为靶板开孔半径。对于vmax来说,间隔靶最高,聚碳酸酯(玻璃纤维)与聚氨酯(泡沫塑料)复合靶次之,凯夫拉复合靶最低。弹体侵彻凯夫拉复合装甲后的剩余速度vr最低,速度降幅达34%,聚氨酯(泡沫塑料)复合装甲居中,聚碳酸酯(玻璃纤维)和间隔靶最高。而在横向效应区域rs方面,凯夫拉复合靶面积最小,聚氨酯(泡沫塑料)与间隔靶居中,聚碳酸酯(玻璃纤维)复合靶的面积最大。3种复合装甲在靶板开孔半径r上区别不大,均高于间隔靶。

表2　PELE在靶后的参数

比较聚碳酸酯(玻璃纤维)、聚氨酯(泡沫塑料)、凯夫拉与间隔靶4种靶板所对应的破片横向速度曲线,如图7所示,其中,vl为破片横向速度,可以观察到聚氨酯(泡沫塑料)与凯夫拉的速度变化情况相似,横向速度最高峰均出现在20～40 μs之间,即弹体在靶板夹层内,而聚碳酸酯(玻璃纤维)与间隔靶出现在40～60 μs之间,即弹体穿透靶板后。在t=100 μs时破片的横向速度间隔靶最高,约为40 m/s,而凯夫拉复合靶的最低,约32 m/s。比较聚碳酸酯(玻璃纤维)、聚氨酯(泡沫塑料)与凯夫拉3种夹层材料可以看出,聚氨酯(泡沫塑料)与凯夫拉对破片横向速度具有比聚碳酸酯(玻璃纤维)更强的抑制作用;尤以凯夫拉材料最明显,从速度最高峰(t=20 μs)至计算结束时(t=100 μs)破片横向速度降幅达27.84%,这有利于减轻破片带来的毁伤。

图7　侵彻复合装甲的弹体破片横向速度曲线

凯夫拉纤维的抗弹道冲击性应归功于其优异的热稳定性、高结晶性、高取向结构及高拉伸性能。热稳定性可以保证纤维在受到弹丸冲击时保持其力学稳定性;较高的结晶度和取向度使其具有较高模量;而凯夫拉纤维所特有的柔韧性使其在高应力下具有高断裂延伸率。具体来说,当弹体穿过第1层装甲钢进入凯夫拉纤维后,壳体破碎的能量被纤维层吸收了一部分,虽然随后弹体又穿透第2层装甲钢,但比较间隔靶来说,正如图7及表2所示,凯夫拉吸收了弹体在穿透第1层装甲钢时积蓄的能量。而弹体在侵彻第2层装甲钢时,弹体前端被大量凯夫拉纤维碎片所包裹且凯夫拉纤维具有特有的柔韧性,使得壳体破碎需要额外克服这种阻力,这进一步使弹体破片横向速度降低。

聚碳酸酯(玻璃纤维)虽然也有较高的柔韧性,但其柔韧性不如凯夫拉。而对于聚氨酯(泡沫塑料)来说,良好的压缩性使其吸能效果好,因此对弹体的动能也具有较好的吸收作用。

综合分析以上3种夹层材料可以看出,凯夫拉材料可以抑制靶后破片速度,减小弹体在靶后的剩余速度和横向效应区域,对PELE的横向效应具有一定的抑制作用。

3　结论

PELE以900 m/s的速度侵彻不同夹层材料的复合靶时,10 mm厚的复合靶被完全贯穿破坏,靶板背面的破坏程度比正面严重,整体结构遭到严重破坏。靶板破坏模式为拉伸断裂、弯曲断裂及剪切断裂。弹体仍具有横向效应,复合靶的夹层材料不同对PELE在靶后的横向效应影响很大。具体来说,破片速度、横向效应区域、靶后剩余速度及后靶板开孔半径均存在明显差异,凯夫拉材料对PELE的横向效应阻碍作用最明显。

虽然本文仅对PELE侵彻复合装甲进行了分析,讨论了具体夹层材料性能,未对斜侵彻情况进行分析,但仍能看出复合装甲在防御PELE弹方面拥有巨大潜力。

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Numerical Simulation of PELE Penetrating Composite Armor

LI Gan1,WANG Zhi-jun1,WANG Yan1,LI Shuo2

(1.College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.No.208 Research Institute of China Ordnance Industry,Beijing 102202,China)

In order to analyze the damage effect of the penetrator with enhanced lateral efficiency(PELE)penetrating composite armor,an explicit nonlinear dynamic analysis software AUTODYN was used to simulate the process of PELE filled with Teflon(polytetrafluoroethylene)penetrating composite target plate using the speed of 900 m/s,and the destructive effect and relevant parameters of PELE penetrating composite armor were obtained finally.The result shows that the composite armor constructed by polycarbonate(glass fibre),polyurethane and Kevlar is damaged seriously by lateral efficiency of PELE.The different composite-armors have different damage.The composite armor has definite inhibitory effect on lateral efficiency of PELE,and the inhibitory effect of Kevlar is better.

PELE;composite armor;penetration;numerical simulation

2016-05-03

李干(1991- ),男,硕士研究生,研究方向为毁伤与弹药工程。E-mail:1301804771@qq.com。

王志军(1963- ),男,教授,博士生导师,研究方向为弹药工程及毁伤。E-mail:wzj@nuc.edu.cn。

TJ411

A

1004-499X(2016)03-0081-05