基于AUTODYN的明胶靶弹道仿真研究

邵长顺，孟祥光，孔祥磊，李洪奎，刘雪婷，岳学民

(1.国营945厂 研发中心,山东 淄博 255075;2.国营945厂 检验处,山东 淄博 255075; 3.山东理工大学 数学与统计学院,山东 淄博 255049;4.山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255049;5.国营945厂 技术处,山东 淄博 255075)

低贯彻弹发展至今，基本集中在速度较低的手枪弹范畴，至今为止，常见的结构有两种：一种是软尖结构，另一种是空心结构。低贯彻弹的作用原理是弹头进入目标之后，头部受到很大的阻力，急速膨胀变形，弹头与目标的作用面积加大，导致弹头所受阻力加大，根据动能定理，弹头贯彻深度变小，最终实现手枪弹低贯彻的效果。目前，国内外对步枪弹低贯彻技术的研究停留在初始阶段，主要原因是：手枪弹的速度一般在200～350 m/s，低于步枪弹750～950 m/s的速度；手枪弹头部为钝头或球形，而步枪弹头部为尖弧形；手枪弹长径比为4～6，而步枪弹长径比仅为2左右。国外对低贯彻步枪弹做过很多仿真，Salisbury等[1]采用SHPB的方法研究了明胶在各种应变率前提下，其应力和应变之间的关系。Ndompetelo等[2]基于试验研究采用有限元软件AUTODYN模拟了钢球侵入弹道肥皂的动力学过程。Datoc[3]使用LS-DYNA仿真软件模拟手枪弹贯彻明胶靶标的作用过程，并且采用不同材料本构时的明胶对仿真结果的影响进行了分析。Koene等[4]通过试验与仿真分别对球形杀伤元以较低速度撞击明胶的过程进行分析。目前，国内外仅能采用软件仿真的方法研究步枪弹的终点效应。本文主要对3个方案模型在明胶中的速度、加速度和贯彻深度进行分析，并加以试验验证。

1 仿真模型的建立

ANSYS AUTODYN作为显示动力学分析软件，以显示求解为主，另外有隐式求解，其主要算法是拉格朗日算法，另外配有欧拉和ALE算法，可以模拟高速冲、贯彻等非线性动力学问题，在国防领域与弹道仿真方面应用广泛。

本文主要从普通正装结构、普通反装结构、铅芯重量改变的反装结构3个方面建立模型。图1显示方案1的弹头结构，位置1采用F11钢，位置2采用铅Pb-4，位置3空心。图2显示方案2的弹头结构，位置1采用F11钢，位置2采用铅Pb-4，位置3空心。方案3中，调整图1中位置2部分的长度和重量，寻找合适的弹头。

图1 方案1的弹头结构Fig.1 Warhead structure of programme 1

图2 方案2的弹头结构Fig.2 Warhead structure of programme 2

弹头采用材料模型JOHNSON-COOK，侵彻速度为950 m/s。由于明胶材料的应变率是由它的力学性能决定的，因此明胶有流变的性质，所以采用线性多项式状态方程LINEAR_POLYNOMIAL 对其在贯彻体作用下的变形响应进行描述，并且材料也有流体的弹性及固体塑性特征，因此本文选用AUTODYN 中的材料模型MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO 对其进行模拟[5]。采用弹头和明胶靶板尺寸建立有限元模型。设明胶尺寸40 cm ×25 cm ×25 cm，并对其进行网格划分，采用拉格朗日算法，弹头与明胶的接触采用面面侵蚀(ERODING_SURFACE_TO_SUR FACE)接触[6]。各原材料的参数见表1。

表1 原材料的参数
Tab.1 Parameters of raw material

序号材料密度/g·cm-3弹性模量/GPa泊松比1被甲7.922000.32铅芯11.34170.42

2 仿真结果及分析

采用弹头垂直入侵明胶靶的方式对方案1—方案3进行模拟仿真。方案1从入侵明胶到弹头停止历时0.08 ms，开始破碎时间为0.04 ms，最终弹头状态如图3所示。方案2从入侵明胶到弹头停止历时0.12 ms，开始破碎时间为0.06 ms，最终弹头状态如图4所示。方案3从入侵明胶到弹头停止历时0.10 ms，开始破碎时间为0.04 ms，最终弹头状态如图5所示。

图3 方案1的 弹头状态Fig.3 Warhead state of programme 1

图4 方案2的 弹头状态Fig.4 Warhead state of programme 2

图5 方案3的弹头状态Fig.5 Warhead state of programme 3

3个方案的质心距弹底距离百分比、贯彻时间、贯彻深度和贯彻最大加速度见表2。

表2 3个方案贯彻效果对比表
Tab.2 The contrast table of penetration effect of three plans

方案号质心距弹底距离百分比/%贯彻时间/ms贯彻深度/cm最大加速度/mm·ms-2139.50.08255 000239.50.12354 000339.70.09283 500

由仿真结果可得到如下结论：

1) 弹头在明胶中的阻力和其结构特征使得弹头在明胶中破碎，弹头与明胶接触面积增加，使得明胶受到的阻力变大，因此弹头在明胶靶标中全面破碎。

2)对比方案1—方案3，其质心距弹底距离的百分比分别为：39.5%、39.5%和39.7%。对于方案1和方案2，质心距弹底距离的百分比相同，而结构不同，方案1是反装结构，方案2是正装结构；从贯彻时间和贯彻深度来看，反装结构更利于设计方案的选择。对于方案1和方案3，都采用反装结构，但是质心距弹底百分比不同；仿真结果显示，质心也是制约破碎贯彻效果的一个重要因素，质心位置后移时弹头破碎会提前。按照低贯彻弹的使用要求，在确保杀伤威力的同时，最大程度地减小贯彻深度，参考弹头破碎机制和影响因素分析的研究结论，可以得出控制贯彻的途径有两个：(1)采取使弹头质心后移的方法来增大弹头的加速度，让弹头破碎时间提前。(2)采取合理的结构保证弹头的破碎，减小碎片的贯彻深度。

3 试验研究

在方案1的基础上，对方案进行优化设计，控制装药量，保证弹头初速950 m/s，弹头壳采取F11钢，内部包裹弹芯，质心距弹底百分比为39.5%。试验采取测速弹道枪发射枪弹，射击距离分别为50 m和100 m，明胶靶采用4 ℃、10%浓度的靶标能很好地模拟弹头对生物肌肉组织的侵彻杀伤效果,而且明胶靶标有较好的透明度，可以明显获得弹头的贯彻效果，明胶靶尺寸设定为 35 cm × 25 cm × 25 cm，采取高灵敏度光幕靶监测弹头初速，初速为950±10 m/s，试验结果如图6、图7所示。

图6 50 m贯彻效果Fig.6 The penetration effect of 50 m

图7 100 m贯彻效果Fig.7 The penetration effect of 100 m

试验共射击枪弹20发，试验结果如下：50 m射击10发，平均穿深为27.5 cm；100 m射击10发，平均穿深为32 cm。

与现有同口径制式步枪弹相比，穿深降低了1/2左右，试验结果实现了方案的设计意图。按照美国FBI标准，贯彻10%军用明胶，穿深不超过35.5 cm，代表对人体不产生过穿透。此外，弹头在目标中破碎分解，能量全部传递给目标，造成较大的杀伤效果，收集的破片如图8所示。

图8 破片收集Fig.8 Fragment image

比较射击距离50 m和100 m的试验结果可知：初速相同的前提下，弹头到达50 m时的速度降低量小于100 m时的速度降低量；射击距离50 m时的弹头能量比100 m时的大；能量越大，弹头受到的冲击力也越大，变形时间越早，与明胶接触面积越大，受到阻力越大，弹头穿深越小。