弹体斜侵彻多层混凝土靶的弹道特性研究

李江涛，高旭东

(南京理工大学 机械工程学院，南京　210094)



【装备理论与装备技术】

弹体斜侵彻多层混凝土靶的弹道特性研究

李江涛，高旭东

(南京理工大学 机械工程学院，南京210094)

为了研究弹体斜侵彻多层混凝土靶板后的弹道特性，利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件，对弹体在不同着角和速度的初始条件下斜侵彻三层混凝土靶板的过程进行数值计算。结果表明：小着角对弹道偏转有一定的抑制作用，而大着角恰恰相反；速度较小时，增大初始速度会增大弹体的弹道偏转角；弹体贯穿每层靶板的速度随着初始着角的增大衰减加快，随着初始速度的增大近似为线性关系。

斜侵彻；数值仿真；混凝土靶板；弹道偏转角

在现代战争中，地面重要目标建筑物是弹体的主要攻击对象之一，而这些建筑物大部分是多层结构。因此，关于多层混凝土的侵彻问题便成为一个极具意义的课题。近年来，尽管人们对弹体侵彻混凝土靶板进行了大量的研究，并且得到了一系列的经验公式，但研究的内容大多局限于弹体对单层混凝土靶板的侵彻[1-3]。对于侵彻多层混凝土靶板的研究很少，朱战飞和王中原等[4-5]分析了靶间距、靶板层数、弹体头部和曲径比对弹体侵彻多层混凝土靶时的弹道稳定性的影响。

初始着角和初速是弹体侵彻时最常考虑的两个因素，而其对弹体侵彻多层混凝土靶板的影响鲜有研究。本研究将分析初始着角和速度对弹体斜侵彻多层混凝土靶板弹道特性的影响。

1　有限元模型

1.1材料模型及参数

弹体材料为30CrMnSiNi2A[6],由于基本不变形，将其视为刚体，取弹体里的填充物材料模型为线弹性模型，弹体及其填充物[7]的材料参数如表1所示。混凝土采用HJC本构模型，材料参数[8-9]如表2所示。HJC模型能较好地描述混凝土撞击过程中出现的大应变、高应变率、高压强等情况。模型分为3部分，分别是强度模型、损伤模型和状态方程。

表1　弹体及填充物参数

1.2计算模型

考虑靶板结构的对称性，同时为了减少计算周期，建立二分之一弹靶模型，并施加了对称和非反射边界约束条件。模型中所有实体均采用8节点实体单元(solid164)。弹体、靶板采用单点积分和沙漏控制，计算速度加快，能有效克服零能模式，对大变形和材料失效等非线性问题比较适用。采用拉格朗日算法，单位为cm-g-μs,弹体与填充物采用面-面自由接触，弹体与靶板采用面-面侵蚀接触。

表2　混凝土材料参数

2　模型验证

2.1弹靶几何模型

侵彻弹体为卵形头部，直径为280 mm，长细比为4.1，头部形状系数为3.3，质量为276 kg。取靶体的1/2建模，图1为工况1的三维模型。为了提高计算的准确性，弹头部以及弹靶作用的区域的网格较密集，弹体其他部位及距离弹靶作用区域较远的网格较稀疏。

图1　多层靶板三维模型

2.2实验验证

对文献[6]实验的几种工况进行数值仿真，得其仿真结果与实验结果如表3所示。

由表3可见，工况1和工况2的仿真结果和实验结果的相对误差最大的为5.73%，误差较小，对于工况3，虽然相对误差为25.7%，但是实验的剩余速度和模拟剩余速度的速度降的偏差为1.9%。

表3　实验结果与仿真结果的比较

注：工况1靶板为4层间隔靶，厚度为0.2 m，相邻间隔为2.7 m。

2.3理论验证

利用陈小伟[10-11]无量纲计算公式对工况1进行计算，得出弹体贯穿各层靶后的剩余速度。刚性弹侵彻混凝土的剩余速度为：

其中：

式中：m为弹体的质量；v0为弹体的初始速度；d为弹体的直径；ρ为混凝土的密度；fc为混凝土的抗压强度；H为靶板厚度；c是常数。S是与fc相关的经验常数，其表达式为：

χ为无量纲混凝土靶厚：

k为定义侵彻深度的系数：

k=(0.707+h/d)

其中h为弹体头部长度。

I和N分别为撞击函数和弹头的形状函数：

弹体侵彻薄板时，会在薄板背面产生一个类似截锥形的塞块，As、H*和δ分别为塞块的表面积、高度和半锥角(塞块边沿和弹体轴线的夹角)。

图2为弹体贯穿各层靶后剩余速度的仿真结果与理论结果的比较。两种方法得到的数据较接近，最大误差为4.4%。

通过以上对比分析可得：仿真结果与实验结果和理论结果相差都较小，因此可判定数值仿真所选的有限元模型正确。

(n代表弹体穿过第n层靶板)

3　有限元模拟结果分析

本文采用的靶板为3层混凝土靶，厚度均为0.2m，间隔为2.7m。

图3为弹体贯穿混凝土薄靶示意图，α为攻角，即速度方向与弹体轴线的夹角；β为着角，即速度方向与靶板法线的夹角；θ为弹道偏转角，即贯穿靶板后的弹体弹轴与初始弹轴的夹角。

图3　弹体贯穿混凝土靶示意图

3.1弹体着角对弹道特性的影响

取弹体速度为400m/s、攻角为0°，分别就弹体以10°、20°、30°、40°、50°初始着角侵彻3层混凝土靶板进行数值仿真。

图4和图5分别为着角20°和40°时弹体侵彻3层混凝土靶的仿真过程。当着角为20°时，弹道偏转角为负值，而着角为40°时弹道偏转角为正值(此处定义弹头朝下为负值，弹头朝上为正值)。

图4　着角为20°时弹体侵彻过程

图5　着角为40°时弹体侵彻过程

图6给出了弹体在贯穿每层靶板时的弹道偏转角随初始着角的变化关系。弹体在贯穿第一层靶时的弹道偏转角随着着角的增大而缓慢增大，贯穿第二、三层靶板时的弹道偏转角随着初始着角的增大呈现先减小后增大的情况；初始着角小于30°时，弹体贯穿第三层靶板时的弹道偏转角均为负值，反之初始着角大于30°时，为正值，而且越来越大。由此可知：小着角对斜侵彻多层混凝土靶的弹道偏转具有一定的抑制作用，而大着角对斜侵彻多层混凝土靶的弹道偏转具有一定的放大作用。

图6　弹道偏转角随弹体着角的变化

图7给出了弹体在贯穿每层靶板时的剩余速度随初始着角的变化关系。由图可得：初始着角为10°、20°、30°时，弹体贯穿每层靶板的速度衰减相对缓慢，而在初始着角为40°、50°时弹体贯穿每层靶板的速度衰减加快。这是由于随着弹体初始着角的增大，靶板与弹体接触的长度变长。而当着角增大到一定程度时，弹道偏转严重，使得速度衰减迅速。

图7　剩余速度随弹体着角的变化

3.2弹体初始速度对弹道特性的影响

取弹体着角为20°、攻角为0°，分别就弹体以400m/s、500m/s、600m/s、700m/s、800m/s初始速度侵彻3层混凝土靶板进行数值仿真。

图8和图9分别表示速度400m/s和700m/s时弹体侵彻3层混凝土靶的过程。当速度为400m/s时，弹道偏转角为负值，而速度为700m/s时弹道偏转角为正值。

图10给出了弹体在贯穿每层靶板时的弹道偏转角随初始速度的变化关系。弹体在贯穿每层靶时的弹道偏转角随速度的变化规律基本一致，即随着速度的增大先增大后减小；速度在400m/s时贯穿第二、三层靶时的弹道偏转角均为负值，即朝有利于弹体侵彻的方向偏转。

图8　速度为400 m/s时弹体侵彻过程

图9　速度为700 m/s时弹体侵彻过程

图10　弹道偏转角随速度的变化

图11给出了弹体在贯穿每层靶板时的剩余速度随初始速度的变化关系。弹体贯穿每层靶板的剩余速度随着初始速度的变化近似为线性关系。

图11　剩余速度随初始速度的变化

4　结论

本文通过LS-DYNA软件研究了不同的着角和速度对于弹体贯穿每层靶时弹道偏转角的影响。结论如下：

1) 小着角对斜侵彻多层混凝土靶的弹道偏转具有一定的抑制作用，而大着角对斜侵彻多层混凝土靶的弹道偏转具有一定的放大作用。

2) 速度较小时，增大初始速度会增大侵彻多层混凝土靶时弹体的弹道偏转角，对弹体侵彻姿态带来不利影响，因此通过增大初始速度以提高弹体侵彻能力时，需要考虑其对弹道稳定性带来的不利影响。

3) 弹体贯穿每层靶板的速度随着初始着角的增大衰减加快，在初始速度增大的情况下近似为线性关系。

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[2]FORRESTALMJ,FREWDJ,HICKERSONJP,etal.Penetrationofconcretetargetswithdeceleration-timemeasurement[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2003,28(5):479-497.

[3]FREWDJ,FORRESTALMJ,CARGILEER,etal.Theeffectofconcretetargetdiameteronprojectiledecelerationandpenetrationdepth[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2006,32(10):1584-1594.

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[5]王中原,张紫龙,周子鸣,等.钻地战斗部侵彻多层建筑物弹道稳定性分析[C]//第十三届全国战斗部与毁伤技术学术交流会论文集.出版地不详:[出版社不详],2013:591-595.

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[11]陈小伟.穿甲/侵彻问题的若干工程研究进展[J].力学进展,2009,39(3):316-350.

[12]吴东旭，姚勇，刘筱玲，离散元法侵彻混凝土靶板数值模拟研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2014(9)：64-67.

[13]杨正有，吕中杰，邬保月.带攻角弹体斜侵彻混凝土深度计算公式对比分析[J].四川兵工学报，2014(1):37-40.

[14]葛超，董永香，陆志超，等.弹丸头部对斜侵彻弹道偏转影响研究[J].兵工学报，2015(2):255-262.

(责任编辑周江川)

Trajectory Characteristics of Projectile Obliquely Penetrating Multi-Layered Concrete Targets

LI Jiang-tao, GAO Xu-dong

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to study the trajectory characteristics of projectile penetrating into multi-layered concrete targets at oblique angle, projectile penetrating progress of three-layered concrete targets was simulated under different initial oblique angles and different initial velocity was numerically simulated by the finite element code ANSYS/LS-DYNA. The results show that the small oblique angle may reduce the deflection of penetration trajectory and the big oblique angle may enlarge its deflection. When the impact velocity is small, the deflection of penetration trajectory increases with the increase of the velocity. It also found that the velocity of the projectile penetrating through each layer of target is accelerated attenuation with the increasing of the oblique angle and it has approximate linear relation with the increasing of the initial velocity.

oblique penetration; numerical simulation; concrete target; trajectory deflection angle

2016-05-09；

2016-05-25

李江涛(1991—)，男，硕士研究生，主要从事终点效应与目标毁伤研究。

10.11809/scbgxb2016.09.014

format:LI Jiang-tao, GAO Xu-dong.Trajectory Characteristics of Projectile Obliquely Penetrating Multi-Layered Concrete Targets [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):58-62.

TJ012.4

A

2096-2304(2016)09-0058-05

本文引用格式：李江涛，高旭东.弹体斜侵彻多层混凝土靶的弹道特性研究[J].兵器装备工程学报，2016(9):58-62.