TC复合弹对多层A3钢靶穿甲效应的试验与仿真

胡迪奇,王坚茹,陈智刚,易荣成,鲁城华

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防护材料有限公司,江苏 常州 213100)

TC复合弹对多层A3钢靶穿甲效应的试验与仿真

胡迪奇1,王坚茹1,陈智刚1,易荣成1,鲁城华2

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防护材料有限公司,江苏 常州 213100)

为提高弹丸的侵彻威力,在30 mm制式弹弹头部采用增韧TC材料,并与制式弹进行对比,采用DOP试验方法,对2种不同结构弹丸侵彻多层A3钢靶的试验结果进行分析研究。运用冲击动力学理论公式,计算TC复合弹和制式弹在冲击接触钢板瞬间的冲击压力并进行对比。重点分析对比弹头结构、材料对多层A3钢靶的穿甲效应的影响。在相同条件下,对制式弹和TC复合弹对A3钢板的侵彻深度、孔径,以及侵彻后弹芯剩余质量进行了对比分析。运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对侵彻过程进行模拟仿真,并与试验结果对比。结合数值模拟的结果,分别从余速和弹芯剩余质量上进一步分析TC复合弹的侵彻能力。结果表明,TC弹头对弹芯的保护效果明显,为陶瓷材料应用于其他战斗部提供了依据。

冲击动力学;侵彻;陶瓷;钢板;数值模拟

当今战场,随着装甲车辆的防护推陈出新,防护性能不断提升,但这些防护结构还是以金属材料为核心组成。金属材料在强度、可加工性等方面的优势使其在毁伤和防护方面得到了广泛应用。而杀伤战斗部也还是以金属材料及其合金为主,这些常规材料的战斗部穿甲性能的提升遇到了瓶颈。

邓云飞等[1]进行了不同结构的弹丸撞击多层靶板的试验研究,结果表明,多层靶的抗侵彻性能低于单层靶。李杰等[2]分析了不同厚度靶板和不同结构的弹丸对靶板侵彻效果的影响,结果表明,平头弹对薄靶板的效果好于卵形头弹,而卵形头弹对厚靶板的侵彻效果要优于平头弹。李守苍等[3]研究了陶瓷和合金钢柱形构件分别对陶瓷/复合材料靶板的侵彻性能,结果表明,陶瓷构件对陶瓷/复合材料靶板的破坏程度远大于合金钢构件。付建平等[4]对比了陶瓷子弹与普通钢弹的侵彻能力,得出了陶瓷子弹对靶板的侵彻效果优于钢弹。

TC复合弹对陶瓷复合装甲板的侵彻[5]相对制式弹有较大的优势,本文在此基础上,进一步对TC复合弹对多层A3靶的穿甲效应进行试验研究,并与制式弹进行了对比。

1 材料特性

陶瓷材料[6]有着其他材料所无法比拟的优点,但也存在着致命的脆性,这种脆性主要来源于:①烧结温度。在900 ℃左右烧结时,气孔率较高;而温度在1 300 ℃左右时,组成的结构就会细密得多,宏观上基本看不出有什么细微的缺陷。②陶瓷材料微观结构中的各种化学键之间的高键能所引起的缺陷敏感性[7]。目前最有效的方法是将陶瓷与缺陷尺寸更小的增强体(氧化锆、氮化硅等)复合在一起,降低其缺陷敏感性,从而达到提高强度和韧性的目的。

本文TC弹头所采用的Al2O3基陶瓷材料是通过增加ZrO2作为增强体进行增韧处理的陶瓷材料[4],相比普通陶瓷,这种经过处理的陶瓷材料颗粒均匀,颗粒之间结合紧密。抗弯强度可达850 MPa,断裂韧性为9.35 MPa/m2,具有高硬度、高抗压强度、较高的韧性、耐磨蚀等特点,同时成本较低。图1为TC弹头。

图1 增韧后的TC弹头

2 试验设计

2.1 试验用弹

试验用弹采用的TC复合弹如图2所示,其外形、质量与30 mm制式弹基本一致。TC复合弹全弹主要由TC复合弹头、垫片、弹芯、弹托、底托等组成,如图3所示。

图2 试验用TC复合弹合弹 图3 试验用TC复合弹弹头

2.2 试验靶板

试验靶板为A3钢靶,由5层Q235钢板组成,每层靶板尺寸为宽200 mm、高200 mm、厚20 mm,靶板四周通过4个φ12 mm螺栓相连并与靶架固定。如图4所示,靶板总体尺寸(宽×高×厚)为200 mm×200 mm×100 mm。

图4 多层A3钢靶

2.3 试验条件

试验在某试验靶场进行,图5为试验场地布置示意图,图6为发射装置采用的CS-7932弹道炮,图7为测速用天幕测速仪。

图5 试验场地布置示意图

图6 试验用弹道炮

图7 天幕测速仪

3 试验结果分析

制式弹和TC复合弹分别以832 m/s和848 m/s的速度垂直侵彻多层A3钢靶,回收后的靶板如图8所示,图中左边为TC复合弹,右边为制式弹。

制式弹侵彻靶板的过程中,铝制风帽迅速磨蚀,弹芯直接作用于A3钢板,弹芯在开坑过程中姿态发生偏转,形成不规则的入口形状,如图8(a)右图所示,这个过程中钢板对弹芯也产生较大磨蚀,造成了弹丸在第1层靶板上损失较大能量,严重影响了弹丸对后续钢板的侵彻。

在TC复合弹开坑的过程中,由于TC弹头的高强度、高硬度,TC弹头在冲击钢板的瞬间弹头破碎,完成开坑,并对钢板产生巨大的冲击压力,在钢板内形成巨大的应力波[8]。如图8(a)左图所示,应力波对钢板形成均匀的圆形损伤。这个过程中TC弹头对弹芯形成了良好的保护,保证弹芯以完好的姿态随进。

回收的弹芯形貌如图9所示,由图9可直观地看出,TC复合弹与制式弹侵彻多层A3钢靶后,弹芯前部均墩粗呈圆锥形,弹芯保持完整,且TC复合弹弹芯头部作用区域小于制式弹。测量回收的弹芯,弹芯长度比(侵彻后剩余弹芯长度/侵彻前弹芯长度):TC复合弹为66.32%,制式弹为59.07%;弹芯质量比(侵彻后弹芯质量/侵彻前弹芯质量):TC复合弹为71.55%,制式弹为67.72%。这说明TC弹头结构在侵彻陶瓷复合靶时对弹芯起到了保护作用,减小了对弹芯的磨蚀,保留了较长的弹芯圆柱体,从实质上提高了弹芯侵彻能量。

图8 靶板破坏实物图

图9 完成侵彻后的弹芯

表1为靶板毁伤数据,虽然制式弹速度稍大,TC复合弹侵彻靶板形成的弹坑比制式弹形成的弹坑略深,对钢板毁伤面积也明显大于制式弹,结合图8靶板破坏形貌,可明显看出TC复合弹对靶板毁伤效果明显优于制式弹。

表1 靶板毁伤数据

4 冲击压力理论计算

分析弹丸对靶板产生的冲击波压力值并进行理论计算,冲击波速度与波阵面后粒子速度的Hugoniot关系式为

vs=c+bvg

(1)

式中:vs为冲击波波速,vg为波阵面后粒子的速度,c和b分别为材料的Hugoniot参数[9-10],见表2。

表2 材料的Hugoniot参数

弹丸以850 m/s的速度撞击靶板时,撞击点处形成了一个很高的压力区,根据撞击时的动量守恒定律和界面上的连续条件,撞击点的压力可以表示成如下形式[11-13]:

pp=ρp(cp+bpvp)vp

(2)

pc=ρc(cc+bcvc)vc

(3)

pp=pc

(4)

式中:下标p表示弹丸,下标c表示靶板。其中p,v分别为冲击压力和质点速度。而撞击接触面上的真实速度为

v0=vp+vc

(5)

式中:v0为弹丸的着速。

由式(3)、式(4)可得:

(6)

式中:A=ρpbp-ρcbc,B=-(2ρpbpv0+ρpcp+ρccc),C=(ρpcp+ρpbpv0)v0。

利用式(2)、式(3)和式(6)可求出弹丸撞击陶瓷面板上的压力。

代入数值求解:①TC复合弹撞击钢板时的冲击压力:pTC=9.62 GPa;②制式弹撞击钢板时的冲击压力:pZS=8.64 GPa。

在850 m/s的速度下,对多层A3钢靶的瞬间冲击压力,TC复合弹比制式弹高出近1 GPa,对靶板的开坑、毁伤效果更好。

5 有限元模拟及结果分析

5.1 材料模型及参数

有限元分析采用ANSYS/LS-DYNA,计算模型使用Lagrange算法,有限元网格划分采用八节点六面体单元,为提高计算效率,对弹体通过的中心区域处进行细密处理。由于侵彻过程中靶板对弹丸侵彻姿态的影响,计算采用1/2模型,在对称面上及周边施加约束,弹丸与靶板以及各层靶板之间都使用(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)面-面侵蚀接触算法,弹头与弹芯之间采用(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)面-面自由接触算法[5]。划分网格后的弹体和靶板单元如图10所示。

图10 有限元分析计算模型

弹芯材料为高强度钨合金,这种材料在承受高速冲击的动力荷载条件时,经历很大范围的应变、应变率、温度和压力。因此计算模型选用适合描述材料在高应变率、大变形下和高温下的相关强度变化的J-C模型(MAT_JOHNSON_COOK),并加上Gruneisen状态方程共同描述;TC弹头的计算模型选用适合描述陶瓷、玻璃等脆性物质的破坏和损伤的本构方程JH-2模型,即(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS),TC材料参数见表3[5]。表中,G为剪切模量,ρ为密度,K为体积模量,其余各符号均为陶瓷材料模型中特定的参数符号,为DYNA软件中的参数。A3钢板选用Plastic-Kinematic模型,该模型适合模拟等向和运动强化塑性的金属类靶板材料。弹体和靶板建模单位采用cm-g-μs。

表3 TC材料参数

5.2 数值模拟结果分析

采用动力学分析软件LS-DYNA进行数值模拟,弹丸以850 m/s的初速垂直侵彻多层A3钢靶,图11～图13为2种弹丸侵彻多层A3钢靶的仿真结果对比。图中,左图为TC复合弹,右图为制式弹,σ为应力。

图11 弹头接触靶板瞬间

图12 弹芯接触靶板瞬间

图13 弹芯侵彻靶板过程

图14为弹丸加速度随时间变化曲线,图中a为弹芯加速度,t为弹靶作用时间。图15为弹芯残余质量随时间变化曲线,图中m为弹芯的残余质量。

图14 加速度-时间曲线

图15 弹芯质量-时间曲线

由图11可以看出,在弹丸接触靶板瞬间,TC复合弹对靶板产生的应力明显大于制式弹,而且制式弹弹头在侵彻过程中迅速侵蚀。如图12所示,制式弹弹头侵彻过程中对靶板几乎没有损伤,而TC复合弹弹头在靶板表面形成明显的开坑。结合图13,后续侵彻过程中,对比TC复合弹,制式弹弹芯对靶板的开坑过程中导致侵彻姿态明显倾斜。从弹芯侵彻过程加速度曲线来看,如图14所示,制式弹所受最大载荷明显大于TC复合弹,而且持续时间长,增大了对弹芯的磨蚀。从弹芯侵蚀角度来看如图15所示,TC复合弹和制式弹弹芯剩余质量比分别为65%和60%,与试验结果非常接近。

6 结论

本文采用试验、理论计算以及数值模拟分析方法研究了TC复合弹对多层A3钢靶的侵彻,结果表明:

①撞击试验与数值模拟研究显示,采用合适的理论模型计算,数值模拟结果与试验结果基本吻合。

②TC弹头在开坑的过程中对钢靶产生的冲击压力更大,开坑效果更好,且对弹丸的姿态影响较小。

③TC弹头结构在侵彻多层A3钢靶时对弹芯起到了保护作用,减小了对弹芯的磨蚀,保留了较长的弹芯圆柱体,从实质上提高了弹芯侵彻能量。

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Simulation and Experimental Investigation on Armor-piecing Performance of TC Composite Projectile to Multilayer A3 Steel Plates Targets

HU Di-qi1,WANG Jian-ru1,CHEN Zhi-gang1,YI Rong-cheng1,LU Cheng-hua2

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Changzhou Sanyou Sissan Protective Materials MFG Co.Ltd,Changzhou 213100,China)

In order to improve the penetration power of projectile,the armor-piercing performance of 30mm projectile with a toughened TC warhead to the multilayer A3 steel plates targets was experimentally researched under DOP method,and the projectile was compared to the standard projectile.The impact-dynamic formula was applied,and the sudden impact pressure of ceramic plates shocked by TC composite projectiles and the standard projectiles was calculated and compared.The effects of warhead structures and materials on armor-piercing performance to the multilayer A3 steel plates targets were analyzed and compared.Under the same conditions,the aperture,the depth of perforation and the residual mass of bullet core on the armor plates of TC composite projectiles were compared with those of the standard projectiles.The penetration process was simulated by ANSYS/LS-DYNA,and the simulation results were compared with the test results.Combined with the simulation results,the penetration performance was further analyzed in terms of the leaving velocity and the residual mass of bullet core.The results show that the TC warhead has a great effect on the protection of bullet core,and the study offers a foundation for ceramic applied in other warheads.

impact dynamics;penetration;ceramic;steel plate;numerical simulation

2016-06-15

胡迪奇(1991- ),男,硕士研究生,研究方向为弹药毁伤及毁伤威力控制。E-mail:251876971@qq.com。

TJ413.2

A

1004-499X(2017)01-0073-06