子弹旋转对平板高速撞击损伤的影响

郭亚周，刘小川，白春玉，张 宇，王计真

(中国飞机强度研究所航空结构冲击重点实验室，西安 710065)

子弹在实际作战状态下伴随着高速的旋转，虽然目前已经有许多学者对弹体侵彻响应进行了研究，但是关于弹体旋转影响的研究却较少。随着武器装备的日益发展，对子弹的侵彻能力提出了更高的需求，因此弹体的旋转越来越受到相关研究人员的重视[1-3]。

针对弹体的侵彻响应，王文涛等[4]研究了斜向角对破片对2 mm厚Q235钢板的侵彻能力、散布密度和散布均匀性的影响；刘润华等[5]研究了弹丸侵彻有无间隙的陶瓷/钢复合靶的变形量和侵彻剩余速度；文献[6-8]研究了子弹形状、撞击角度对弹道极限速度和损伤特性的影响，结果发现撞击角度对冲击损伤和弹道极限速度具有较大的影响；ran等[9]分别给出了不同弹头形状的刚性弹侵彻不同靶材的侵彻深度公式；周平等[10]利用普通枪械加速7.62 mm子弹，对飞机结构常用材料LY-12CZ在射弹撞击下的损伤规律进行了实验研究，研究结果发现子弹速度、形状和质量对靶板影响不明显，而着角对损伤模式具有较大的影响；Kurtan等[11]利用LS-DYNA软件对直径7.62 mm球头弹侵彻车门过程进行了数值模拟研究，通过球头弹侵彻静止车门获得的结果来研究车门的抗侵彻性能；张志安等[12]研究了着速和着角对硬目标侵彻过载的影响，结果发现着速越高侵彻过载峰值越大，着角越小过载曲线越平滑。

针对旋转弹体的侵彻响应，肖毅华等[13]建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型，研究了弹体的旋转和入射角对剩余速度和弹道偏转的影响，结果显示弹体的旋转对剩余速度具有较大影响；李勇等[14]研究了转速对垂直侵彻和斜侵彻两种状况下性能的影响，得出旋转对弹体垂直侵彻和斜侵彻具有一定的影响；李晓杰等[15]研究了弹头转速和金属薄板速度对侵彻过程中弹头的最终速度、翻转角度和弹道偏移的影响；范少博等[16]在传统弹体外表面加工了直槽和螺旋沟槽，对这种弹体侵彻混凝土目标进行了仿真和试验验证，结果表明带沟槽弹体能够有效提高弹体的侵彻威力；庞春旭等[17]研究了刻槽弹体旋转侵彻铝靶试验与数值模拟，结果表明旋转对刻槽弹体侵彻深度具有很大的影响，在弹体转速和着靶速度达到合理匹配时，旋转的刻槽弹体可以有效地提高弹体的侵彻深度。由以往的研究可以看出，目前前人对弹体旋转的影响研究仍然不够深入，虽然有考虑刻槽、入射角等因素的影响，但是缺少对面板厚度、转速、入射角等多因素耦合系统的弹体旋转影响研究。

基于前人的研究成果，由于依靠试验的成本太高，且单一试验平台只能对应单一转速，因此以仿真分析为主，以不旋转弹体靶板冲击试验作为辅助验证，开展旋转弹体对靶板冲击响应的影响研究，探究旋转弹体在不同转速、不同入射速度、不同撞击板厚度在弹体侵彻响应过程中的差异性。

1 子弹旋转侵彻平板有限元模型

基于ABAQUS软件构建子弹侵彻平板的有限元模型如图1所示，平板采用航空铝合金材料2024-T4，平板总体尺寸为100 mm×100 m ×10 mm，其中弹体模型的尺寸如图1所示，材料是Arne工具钢，文献[11]表明弹体在撞击过程中强度远高于靶板强度，在侵彻过程中变形很小，计算过程中的弹性变形对计算结果影响可以忽略。

图1 子弹侵彻平板有限元模型Fig.1 FEM of bullet penetrating flat plate

表1 2024-T4铝合金材料参数Table 1 2024-T4 aluminum alloy parameters

表2 弹体材料参数Table 2 Bullet parameters

摩擦是侵彻过程中的不确定性因素，文献[11]针对摩擦系数进行了相关研究，通过试验和仿真分析对比后确定当摩擦系数为0.055时，总体的相对误差最小，因此本文模型中的摩擦系数设定为0.055。

2 平板材料参数的验证

为了验证2024-T4材料参数用于平板冲击的准确性，采用空气炮进行球形弹高速撞击2024-T4平板的实验研究，根据试验结果和仿真结果对比为材料参数做验证。图2为试验采用的空气炮系统，钢弹直径为25.4 mm，2024-T4平板尺寸为250 mm(长)×250 mm(宽)×5 mm(厚)。

图2 空气炮Fig.2 Air gun

图3(a)为试验夹具和试验件的安装状态，用高速摄像记录钢弹撞击过程。为了能够使仿真最真实地还原试验夹具安装工况，图3(b)为构建带夹具的平板冲击有限元模型，平板和钢弹采用六面体单元，钢弹和夹具均采用线弹性材料模型，材料均为钢。

图3 试验件和有限元模型Fig.3 Test pieces and FEM

图4为试验和仿真钢弹撞击5 mm铝合金平板的试验和仿真结果，平板在局部区域出现剪切冲塞破坏，并且在破口边缘出现了较多裂纹，冲塞直径与钢弹直径基本上相同，仿真损伤变形模式与试验结果基本一致。

图4 试验与仿真结果对比Fig.4 Comparison of test and simulation results

如图5所示，平板的弹道极限速度计算结果为155 m/s，与试验结果误差为3%，仿真结果与试验结果吻合较好。因此仿真计算结果与试验结果具有较好的一致性，证明和2024-T4材料参数的合理性和准确性。

图5 弹丸剩余速度Fig.5 Residual velocity of bullet

3 结果分析

3.1 面板厚度

为了研究不同面板厚度在旋转子弹高速侵彻平板变形模式、撞击能量、撞击速度后平板损伤模式的差异性。分别构建不同厚度的平板冲击模型如图6所示，通过调整预定义场数值的方式分别开展子弹在无自转、1 500、3 000 r/s工况下以450 m/s高速撞击平板的撞击分析。撞击结果如图7所示，其中图7(a)～图7(c)为厚度为10 mm下平板受不同旋转速度弹头撞击的损伤，图7(d)～图7(f)为厚度为3 mm下平板受不同转速子弹撞击平板的损伤模式图。可以看出，不同厚度下的平板受旋转子弹撞击后变形损伤模式具有较大的差异性，同时两者受子弹转速的影响也各不相同。其中针对厚平板，在子弹有转速时的平板冲击损伤模式与无自转工况相比虽然在平板后端存在有微小的冲塞形式和损伤形貌上的细节差异性，但是从整体上来看，无论是平板破口处的挠度还是整体的变形损伤模式，厚平板在受不同转速子弹撞击后并没有明显的差异性，这是由于随着平板厚度的增大，其自身的刚度进一步增加，使得子弹在撞击后损耗的能量不足以使得厚面板产生较大的全局变形和损伤差异性。

图6 不同厚度平板受子弹撞击模型Fig.6 The model of different thickness plate impacted by bullet

图7 不同厚度平板在不同转速子弹撞击下的变形模式Fig.7 Deformation modes of plates with different thickness under bullet impact at different velocity

针对薄平板，其在受到不同旋转速度子弹撞击后具有相对较为明显的变形模式差异性，由图7(d)～图7(f)可以看出，子弹转速为0时薄平板撞击的变形挠度相对子弹转速为3 000 r/s时的变形挠度大，且随着子弹转速的增大，平板撞击破口部位单元周向损伤更为明显。当平板厚度较小时，平板自身的刚度和强度并不比厚板大，变形模式的不同则在一定程度上表明了子弹侵彻能力的变化，从薄板的变形模式变化可以初步看出，当子弹转速增大时，其子弹侵彻能力会有所提高。

3.2 剩余速度

在前述研究的基础上，分别提取出不同旋转速度子弹撞击10 mm厚平板的剩余速度和撞击载荷。图8为不同旋转速度子弹侵彻平板的速度历程曲线。由图8可以看出，随着子弹旋转速度的增大，子弹侵彻平板的剩余速度具有一定变化规律，即子弹的剩余速度随着子弹旋转速度的增大而增大。但就总体而言，不同旋转速度工况下三者的剩余速度虽然呈现一定规律，但是数值上并未相差很大。

图8 不同旋转速度子弹侵彻平板的速度曲线Fig.8 Velocity curves of bullets penetrating flat plate with different rotation velocity

图9为不同旋转速度子弹侵彻平板的撞击载荷曲线。由图9可以看出，虽然三者的旋转速度不同，但是三者撞击平板时无论是撞击载荷峰值、载荷变化趋势，还是其响应脉冲时间，三者均有较好的一致性，即随着子弹自转速度的增大，子弹撞击平板的载荷并未有明显变化，这表明子弹自转速度对子弹撞击时的撞击载荷并未有影响。

图9 不同旋转速度子弹侵彻平板的撞击载荷曲线Fig.9 Impact load curves of bullets penetrating flat plate with different rotation velocity

综合以上不同旋转速度子弹撞击平板后的剩余速度变化规律可知，子弹的自转速度改变了子弹整体的侵彻能力，子弹的旋转速度越高，其侵彻力越强。这可能是由于当子弹不具备自转时，平板被撞击部位更多只是承受子弹轴向的压力和剪切力。而当子弹具有自转后，被撞击位置不仅需要承受来自子弹轴向的压力和剪切力，同时还得承受子弹因自转而产生的周向剪切力。这导致被撞击点位置的材料相对更容易被撕裂破坏，使得旋转子弹具有更强的侵彻和穿透能力。

3.3 能量变化

为了进一步研究子弹旋转对平板冲击的动力学影响，在不考虑温度影响的前提下，提取出不同转速子弹撞击10 mm平板过程中的动能变化曲线，如图10所示。由图10可以看出，因为子弹初始的转速各不相同，从而使得子弹在初始时的能量也各不相同，为了能量变化具有可对比性，通过计算后得出不同转速子弹撞击平板后的能量耗散量，如图11所示。由图11可以看出，虽然三者之间子弹的转速各不相同，但是在不考虑温度的前提下以相同速度撞击相同厚度平板后的能量耗散量基本保持一致，这表明当不考虑温度变化时，子弹的转速虽然会对其侵彻能力产生影响，但是并不影响其能量变化。

图10 不同转速子弹撞击能量变化曲线Fig.10 Impact energy curves of bullets at different velocity

图11 不同转速子弹撞击平板能量耗散量Fig.11 Energy dissipation of bullets impacting plates at different velocity

4 结论

研究子弹的旋转对平板高速撞击响应的影响，通过ABAQUS软件构建了旋转子弹撞击平板的有限元模型，基于D80气炮撞击2024-T4铝合金平板试验结果验证了2024-T4铝合金材料参数的有效性和准确性，进而通过仿真分析手段研究了不同转速、不同入射速度子弹侵彻不同厚度平板的撞击结果差异性，并得出以下结论。

(1)当子弹撞击较厚平板时，随着子弹旋转速度的增大，平板受撞击位置的变形和损伤模式受其影响并不明显；当子弹撞击较薄平板时，低转速子弹撞击比高转速子弹撞击平板的挠度大，变形模式亦有一定程度的差异性。

(2)当子弹不具备自转时，平板被撞击部位更多只是承受子弹轴向的压力和剪切力。而当子弹具有自转后，被撞击位置不仅需要承受来自子弹轴向的压力和剪切力，同时还得承受子弹因自转而产生的周向剪切力，从而使得子弹的剩余速度随着子弹旋转速度的增大而增大。

(3)随着子弹自转速度的增大，子弹撞击平板的载荷并未有影响；在不考虑温度影响的情况下，相同入射速度的子弹撞击相同厚度的平板，其能量耗散量同样不受子弹转速变化的影响。