弹丸斜撞击间隔靶板的数值模拟

2019-07-05汤雪志王志军董理赢董方栋

兵器装备工程学报 2019年6期

汤雪志，王志军，董理赢，董方栋

(1.中北大学机电工程学院，太原 030051; 2.瞬态冲击技术重点实验室, 北京 102202)

弹丸对靶板的撞击是一个复杂的过程，要想达到一定的侵彻效果，不仅与弹靶的几何尺寸、形状及材料属性有关，撞击时弹靶的接触姿态对侵彻效果也有很大影响。

国内外学者对弹靶撞击问题进行了相关的研究，W.Goldsmith等[1]用平头弹撞击薄铝板和钢板，在零倾角和适当的攻角下建立弹道极限理论模型，对比试验结果进行理论模型的数据修正；李剑峰等[2]用弹丸侵彻单层铝板，其中攻角和倾角分别取0°～60°并进行角度组合，研究了薄铝靶板的抗侵彻能力。袁亚楠等[3]用钨合金对三层不同强度的间隔靶板进行了斜侵彻的数值计算，分析了弹丸穿靶前后动能以及质量的变化，并通过试验证实了仿真结果可靠度。前人的研究主要是对单层薄靶板进行撞击侵彻，没有考虑靶板叠层数目以及顺序，缺少对弹靶接触时多种撞击角度的研究。

本研究定义弹丸速度矢量与自身中轴线的夹角为攻角，取值为0°～60°，赋予弹丸一定初速，对间隔靶设置两种叠层顺序，分析不同攻角下弹靶接触时弹丸的侵彻特性以及靶板的破坏情况。

1 建立模型

本研究采用平头弹对靶板进行撞击，为了保证弹丸质心位置，对弹丸尾部进行了挖空处理，弹丸直径12 mm，弹体全长50 mm，挖空部分直径10 mm,长度15 mm，其结构如图1所示；间隔靶采用四层靶板组合，每层靶板尺寸均为长100 mm、宽100 mm、高4 mm、间隔4 mm，靶板结构分为两种，定义一二层靶板为钢，三四层靶板为镁的结构为A结构；一三层靶板为钢，二四层靶板为镁的结构为B结构。图2中α为攻角，逆时针为正向。

图1 弹丸结构尺寸

图2 弹靶接触示意图

运用AUTODYN-3D软件建立所需模型，由于本研究中弹靶撞击产生的破坏变形不存在对称性，故建立全模型，其有限元模型如图3所示，左图上面两个靶板的材料为钢，下面两个靶板为镁合金，右图一、三靶板为钢，二、四靶板为镁合金。其中攻角的选择根据计算时具体需求来确定。

本文中所用的材料全部来自AUTODYN自带的标准模型材料库。文中的弹丸采用的是钨合金，靶板采用的是40CrNiMoA合金结构钢和镁合金，材料均采用Shock状态方程，Johnson Cook强度模型。在本文中，为了更好地观察靶板被高速侵彻的过程，对第一层靶板采用SPH算法，其余均采用拉格朗日算法，以降低计算时间。

图3 有限元模型

2 数值模拟

2.1 不同靶板结构弹丸速度变化数值模拟分析

穿甲弹利用自身的动能破甲，以同一初速击穿靶板时，弹丸的剩余速度越小，靶板的抗侵彻性能就越好。如表1所示为弹丸以不同攻角侵彻两种靶板结构的弹丸剩余速度。

由表1可以看出，同等情况下，弹丸穿透B结构的靶板比A结构靶板所需的时间少，但是弹丸速度的损耗大。攻角越大，弹丸穿透靶板所需的时间越长，剩余速度越小。

图4为弹丸侵彻不同结构靶板速度曲线图，对于不同攻角，弹丸在侵彻两种靶板时的平均速度变化相似。在图6中，以攻角0°为例，弹丸穿透第一层靶板所用的时间相同，侵彻第二层靶板时，A结构靶板是钢，B结构是镁合金，第一种结构击穿前两层靶板所需的时间是30 μs，，穿过后弹丸头部速度为898.7m/s,第二种结构击穿前两层靶板所需的时间是20 μs，穿过后弹丸头部速度为824 m/s。由于靶板之间的间隔不大，弹丸侵彻每一层靶板时，都不是直接侵彻，而是通过上一层靶板的变形间接对下一层靶板产生破坏，所以弹丸在接触到第三层靶板时，第二层靶板正在被侵彻。对于A结构，由于镁合金没有钢的硬度大，所以弹丸在即将穿透第二层钢靶板时，第三层的镁合金靶板也受到了很大的破坏，在时间到达30 μs时，第二层靶板被穿透，第三层靶板也几乎被击穿，35 μs时第三层靶板被完全穿透，弹丸头部的速度为891.9 m/s，此时第四层靶板发生了轻微变形，弹丸继续侵彻，直到完全穿透四层靶板，头部剩余速度为897.3 m/s，相比前三层靶板，弹丸的侵彻速度一直在降低。对于B结构，弹丸穿透第二层靶板时，第三层靶板只是发生了轻微的变形，40 μs时，弹丸穿透第三层靶板，头部速度为883.8 m/s，此时，第四层靶板发生很大变形，随着弹丸继续侵彻，50 μs时，四层靶板被全部打穿，弹丸头部速度为878.6 m/s，在整个侵彻过程中，弹丸头部的速度发生了两次跳跃，侵彻结束后的头部速度最小。

表1 弹丸的剩余速度(A结构/B结构)

图4 弹丸侵彻不同结构靶板速度曲线

当攻角为20～60°时，两种结构的靶板对弹丸平均速度的影响几乎一致，但是弹丸侵彻每一层靶板时的速度变化不同。以攻角60°为例，对于A结构的靶板，由于攻角的存在，弹靶之间的接触面积会越来越大，所以弹丸在35 μs穿透第二层靶板时，第三层靶板已经被侵彻出一个很大的缝，此时弹丸头部的速度为664.5 m/s，40 μs时弹丸穿透第三层靶板，头部速度为669.3 m/s，弹丸在侵彻过程中，头部速度变化发生了轻微跳跃，65 μs时完全穿透四层靶板时，弹丸头部剩余速度为663.4 m/s。对于B结构的靶板，弹丸在20 μs就已经穿透第二层靶板，第三层靶板发生轻微变形，弹丸头部速度为683.3 m/s，45 μs时，弹丸击穿第三层靶板，此时第四层靶板被侵彻出一道缝，弹丸头部速度为646.7 m/s，60 μs时弹丸穿透全部靶板，此时弹丸头部剩余速度为667 m/s。

2.2 不同攻角弹丸质量变化数值模拟分析

弹靶接触姿态对侵彻效果具有很大的影响。本研究中虽然每次碰撞靶板时弹丸动能均相同，但由于每次撞击时弹丸的攻角不同，导致了每次的接触面积不同，直接影响了能量转化和质量销蚀的不同，从而对目标的打击威力产生了影响。本研究以平头弹丸撞击间隔靶板为例，赋予弹丸初速1 000 m/s，方向始终垂直于靶板向下，飞行时的攻角分别取0°、20°、30°、40°、50°、60°。以为A结构靶板为例，弹丸质量销蚀图如图5所示。

图5 弹丸质量销蚀曲线

由图7可知，对于同一靶板结构，虽然弹丸撞击靶板时的动能相同，但弹丸穿靶前后的质量变化不同。从图7可以看出，当攻角小于30°时，且弹丸质量的变化较平缓；当攻角为0°时，靶板受到的是正撞击，靶板受到正撞击后，质量基本成线性下降，但是在11.4 μs时有一个质量突变，此时弹丸开始侵彻第三层靶板，在对第三层靶板开始侵彻时，弹丸还没有完全穿透第二层靶板，这时候的弹丸在同时对两种材料的靶板进行侵彻，在时间为50 μs时弹丸将四层靶板全部打穿，此时弹丸的剩余质量为72.72 g，在整个穿靶过程中，弹丸质量的消耗率为12.5%。随着攻角的增大，弹丸穿靶时间增长，穿靶的质量销蚀率基本为下降趋势。如表2所示为弹丸穿靶后质量销蚀率。

表2 弹丸穿靶后质量销蚀率

当攻角大于30°时，弹丸在50 μs后打穿靶板，且角度的增大，使得弹靶之间的接触面积增大，弹丸的质量呈现出阶梯式的突变。当攻角为60°时，弹丸在击穿每层靶板所需的时间更长，在时间为20 μs时，弹丸开始侵彻第三层靶板，且弹丸质量没有减小，而正撞击时，10 μs弹丸就已经开始侵彻第三层靶板，且弹丸质量基本成线性下降，弹丸对靶板的击穿是材料发生塑性变形的累积过程，当靶板达到最大失效应变值时，弹丸质量发生损耗，并且随着侵彻的进行，损耗加剧，所以对第二、三、四两层靶板进行侵彻时，弹丸质量的损耗均比前一层的大。

2.3 弹丸侵彻靶板变形数值模拟分析

穿甲弹侵彻靶板共分为3个阶段：开坑、侵彻、冲塞。由于靶板材料不同，弹靶接触姿态不同，弹丸对靶板的侵彻过程也不同。表3为第一层和最后一层靶板被侵彻的状态。

表3 靶板变形状态

由表3可知，弹丸侵彻靶板时，攻角越大，弹丸对靶板的侵彻口径越大。

对于正撞击，靶板被侵彻出的形状比较规则，跟弹丸头部形状一致，钢靶板被侵彻出很多破片，并且随着弹丸的运动，破片被带到了最后一层，由于材料的性能不同，靶板对镁合金的侵彻，没有过多的破片产生，而是直接被侵彻，形成韧性破坏；当攻角为20°时，靶板被侵彻出的孔形状不规则，成撕裂式，由于撞击时，弹靶之间的接触面积越来越大，弹丸头部成墩粗状且随着侵彻时间的增加，孔越来越大，产生的破片形状比正撞击时要大，成片状式，且产生的破片中有一些片状式锂镁合金破片；当攻角增大到40°时，弹丸对靶板侵彻所开的孔比前两种都大，开孔时弹丸与靶板的接触面积也比前两者大，产生的破片片状更大，由于弹丸对靶板的冲塞，靶板被穿透后，有很多第三层靶板的破片。