集束鎢絲殼體PELE撞擊靶板的動態響應

朱建生,杜忠華

(1.陸軍軍官學院 五系,合肥 230031;2.南京理工大學 機械工程學院,南京 210094)

橫向效應增強型侵徹體(penetrator with enhanced lateral effect,PELE)主要由殼體和彈芯兩部分組成,二者在強度、密度、侵徹性能等方面差異較大。擊中目標后,殼體起主要穿甲作用;在穿透目標瞬間,基于物理作用殼體破碎形成大量破片,在目標內部產生二次殺傷效應[1]。可見,殼體是PELE穿透靶板以及在靶后形成毀傷元的基體。現有研究表明,采用不同材料殼體,PELE的侵徹能力和靶后橫向毀傷性能也隨之不同[2-3]。由于具有高密度、高強度及足夠的硬度與韌性,鎢合金在穿甲彈上應用廣泛,PELE也較多地采用了鎢合金殼體。但是現有鎢合金強韌性不足的問題在一定程度上影響了鎢合金殼體PELE的侵徹性能[4],使PELE主要適于對付薄靶;此外,鎢合金殼體在靶后破碎產生自然破片,破片形狀不規則,橫向毀傷效果不理想。

集束鎢絲是以鎢絲作為增強相,輔以合適的粘結相形成的一種復合材料,已有研究表明:集束鎢絲侵徹體在穿甲過程中易于離散,主要以單根鎢絲為基本單元進行穿甲,憑借鎢絲高強度、大長徑比、侵徹性能好的優勢,其穿甲性能優于普通鎢合金穿甲彈[5]。

本文對集束鎢絲殼體PELE的穿甲過程進行了試驗研究與數值仿真,并與鎢合金殼體PELE進行對比,分析二者在穿甲過程中的彈體、靶板的外觀形貌及彈體內部應力場的變化,闡述了集束鎢絲殼體PELE侵徹能力和橫向毀傷性能提高的機理,為將來集束鎢絲殼體PELE的進一步研究提供參考。

1 試驗研究

如前所述,PELE彈丸主要由殼體和彈芯兩部分組成。殼體有2個作用,一是憑借其卓越的侵徹性能穿甲;二是穿透靶板后破碎,提供具有一定數量、質量和速度的破片。為考查集束鎢絲復合材料制作PELE殼體的可行性,對集束鎢絲殼體PELE侵徹靶板進行了試驗研究。

1.1 試驗方法

試驗采用次口徑PELE彈,使用25 mm彈道炮發射,炮口距主靶板20 m,采用錫箔靶測速。彈桿由集束鎢絲殼體裝填惰性彈芯組成,如圖1所示。彈桿直徑為10 mm,長徑比為5,內外徑比為0.4,采用分裝式藥筒,通過改變發射藥量調整彈丸初速,使其以不同著速垂直撞擊靶板。

圖1 試驗用彈照片

圖2 試驗布置示意圖

試驗中采用4 mm厚的RHA(軋制均質裝甲)鋼板作主靶,采用2 mm厚的Q235鋼板作后效靶,記錄破片的數量和散布,主靶與后效靶之間的距離為600 mm。試驗布置如圖2所示。

1.2 試驗結果及分析

試驗中,殼體為某組份的集束鎢絲復合材料,彈芯材料為聚乙烯,著速為895 m/s,PELE穿透主靶后在后效靶上破壞情況如圖3所示。由圖3可以發現,集束鎢絲殼體PELE穿透主靶后,在后效靶上形成明顯的橫向效應,有效破片數量≥18,破片散布面積≥150 mm×150 mm,破片形狀較規則,大部分呈長條狀。

圖3 集束鎢絲殼體PELE穿甲后效靶破壞情況

為比較性能差異,同時對鎢合金殼體PELE的穿甲過程進行了試驗研究,試驗設置相同,速度相近。鎢合金殼體PELE穿透主靶后在后效靶上破壞情況如圖4所示。由圖4可以看出,鎢合金殼體PELE在后效靶上同樣形成明顯的橫向效應,破片散布面積≥200 mm×170 mm,大于集束鎢絲殼體PELE的對應情況,但有效破片數量≥12,比集束鎢絲殼體PELE形成破片少,且破片大小不一,形狀不規則。

圖4 鎢合金殼體PELE穿甲后效靶破壞情況

為進一步考察集束鎢絲殼體PELE在不同著速下的作用效果,通過調整發射藥量改變彈體著速,開展了此類侵徹體以不同速度垂直撞擊裝甲鋼板的試驗研究。試驗結果如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出,在著速為1 060 m/s時,破片數量增多,有效破片數量≥40,破片散布面積≥200 mm×150 mm,破片形狀規則,橫向效應顯著增強;著速進一步提高到1 279 m/s時,PELE彈體在侵徹主靶過程中已破碎,在主靶上形成多個穿孔,在后效靶上形成數個面積不小于100 mm×100 mm的破片散布區域,如圖6所示。對圖6所示3個區域進一步分析發現,每個區域破片較多,且有許多未穿孔,如圖7所示。這說明集束鎢絲殼體在穿透主靶后充分破碎,粘結相侵徹能力較弱,形成未穿孔,鎢絲起主要破壞作用。

圖5 著速為1 060 m/s時后效靶破壞情況

圖6 著速為1 279 m/s時主靶及后效靶破壞情況

圖7 著速為1 279m /s時后效靶上的典型破片散布區域

2 數值仿真

為進一步分析集束鎢絲殼體PELE的作用機理,利用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對PELE撞擊靶板的動態響應進行了數值計算,計算對象為集束鎢絲殼體裝填惰性彈芯垂直撞擊RHA鋼板。

2.1 數值仿真方法

為了便于與試驗結果進行比對,在數值仿真中采用與試驗用彈完全相同的彈體結構與材料設置。

建模時,如果鎢絲采用SOLID164單元,利用基于單元面檢測的接觸方式來模擬鎢絲與粘結相的相互作用,由于鎢絲被粘結相包圍,必然要求粘結相的計算網格非常細以匹配鎢絲尺寸,使計算規模過大難以求解;若鎢絲單元過大,鎢絲穿過粘結相單元,基于單元面檢測提供接觸應力的方法可能會失效,從而使計算阻力偏小,影響模擬效果。本文嘗試將鎢絲和粘結相分別建模,利用梁單元LINK160表征鎢絲,采用實參數控制其截面積,同時利用實體單元SOLID164表征粘結相,并通過合適的單元劃分使鎢絲和粘結相共用節點,通過節點之間的耦合提供接觸應力,模擬鎢絲和粘結相之間的粘結。

計算時,鎢絲采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型結合Von Mises屈服準則進行描述;由于粘結相具有較高的脆性,故采用JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS材料模型;彈芯采用VISCOELASTIC模型;靶板則采用JOHNSON_COOK模型和GRUNEISEN狀態方程共同描述。鎢絲、粘結相和彈芯之間采用ASTS的接觸方式,并分別與靶板采用ESTS的接觸方式[6]。

2.2 仿真結果及分析

數值仿真過程中,鎢絲與粘結相采用與試驗相同的體積百分比,并實現密度等效。殼體采用的鎢絲、粘結相及彈芯的主要材料參數包括密度ρ、抗拉強度σ和泊松比μ,數據如表1所示。

表1 彈體主要材料參數

集束鎢絲殼體PELE以895 m/s的著速穿透主靶后,在距主靶600 mm處破片散布情況如圖8所示。將仿真結果(圖8)與試驗結果(圖3)進行對比分析,發現二者破片散布角、散布形狀及破片數量基本吻合,說明了仿真方法的可靠性。此外,根據圖8可以判斷,粘結相破碎不充分將導致后效靶穿孔呈長條狀,這也與圖3試驗結果非常吻合。

圖8 集束鎢絲殼體PELE靶后破片散布情況

為比較性能差異,對相同結構與尺寸的鎢合金殼體PELE作用過程也進行了數值仿真,殼體采用的鎢合金主要計算參數如表1所示,穿甲后破片散布情況如圖9所示。

比較圖8和圖9可以發現,與鎢合金殼體PELE相比,集束鎢絲殼體PELE穿透靶板后能產生數量更多、形狀更規則的鎢絲段,且鎢絲段橫向散布角度更大。在相同的著速下,兩類破片的軸向速度va與最大徑向速度vr變化曲線如圖10和圖11所示。

圖9 鎢合金殼體PELE靶后破片散布情況

圖10 不同殼體PELE破片軸向速度

從圖10和圖11可以看出,在侵徹靶板過程中,集束鎢絲殼體軸向速度衰減較快,在60 μs左右穿透靶板,破片徑向速度劇增;而鎢合金殼體軸向速度在侵徹前期衰減緩慢,在140 μs左右才穿透靶板;集束鎢絲殼體PELE穿透靶板后最終的破片軸向速度和徑向速度均大于鎢合金殼體PELE的對應情況。由此可見,集束鎢絲殼體侵徹能力較強,軸向剩余速度高,所以在同樣距離的后效靶上破片散布小,鎢絲沒有充分散開,破片穿孔成長條狀。這也與前面圖3所示的試驗結果完全吻合。

圖11 不同殼體PELE破片徑向速度

產生上述現象的原因在于,在高應變率加載下鎢合金殼體材料迅速屈服,晶粒被橫向拉長,使鎢合金殼體在侵徹過程中不斷鐓粗,如圖12所示。隨著侵徹深度的增加,鐓粗面積不斷增大,使得靶板穿孔直徑隨之增大,從而使鎢合金殼體PELE軸向速度衰減加快,阻礙了其侵徹能力的提高[7]。

圖12 鎢合金殼體侵徹中的不斷鐓粗

圖13 集束鎢絲殼體的自銳效應

然而,對集束鎢絲殼體PELE而言,粘結相在侵徹過程中發生斷裂并隨著鎢絲一起發生彎折,表現為脆性材料的性質,鎢絲起主要穿甲作用,如圖13所示。所以在侵徹過程中,集束鎢絲殼體產生自銳行為,增強了殼體的侵徹威力;穿透靶板后,由于粘結相抗拉強度較低,鎢絲在應力卸載產生的拉應力作用下易發生離散,產生大量具有較高徑向速度的破片。

總之,由于侵徹過程中殼體頭部不斷鐓粗,沖塞塞塊直徑不斷增大,鎢合金殼體PELE在侵徹過程中消耗了更多的質量和能量,使其剩余動能比集束鎢絲殼體PELE少得多,這直接影響了其靶后毀傷效能的發揮。

3 結束語

試驗研究結果表明,集束鎢絲殼體PELE撞擊靶板后能夠產生明顯的橫向效應,利用集束鎢絲復合材料制作PELE殼體是可行的;針對集束鎢絲殼體PELE穿甲的數值仿真,可以采用LINK160+SOLID164單元方法進行分離式建模,計算結果與試驗結果吻合較好;與鎢合金殼體PELE相比,集束鎢絲殼體PELE侵徹過程中具有自銳能力,既能發揮鎢絲高強度、大長徑比、侵徹性能好的特點,又能利用粘結相抗拉強度低、易于離散的優勢,在靶后產生更顯著的橫向毀傷效應。

試驗結果顯示,隨著PELE彈體著速的提高,集束鎢絲殼體破碎程度加劇,毀傷效應增強,但該規律在高速撞擊條件下是否成立,有待于進一步研究[8]。此外,相關文獻表明,粘結相的種類、鎢絲的直徑、鎢絲的體積分數不同時,集束鎢絲復合材料的破壞模式可能存在差異[9]。為進一步提高集束鎢絲殼體PELE的綜合毀傷性能,在提高其侵徹能力的同時,使集束鎢絲殼體在靶后充分破碎,未來工作中,有必要結合PELE彈芯裝填材料、彈體結構等因素,細致研究粘結相的種類、鎢絲的直徑、鎢絲的體積分數等因素對集束鎢絲殼體PELE撞擊條件下力學特性的具體影響。

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