厚均質靶板在抗穿甲過程中的傾角效應研究*

游毓聰,沈培輝,杜文革,邱從禮,吳群彪

(1 中國華陰兵器試驗中心, 陜西華陰 714200; 2 南京理工大學, 南京 210094)

厚均質靶板在抗穿甲過程中的傾角效應研究*

游毓聰1,沈培輝2,杜文革1,邱從禮1,吳群彪2

(1 中國華陰兵器試驗中心, 陜西華陰 714200; 2 南京理工大學, 南京 210094)

文中針對厚均質靶板在抗穿甲過程中的傾角效應展開研究,選擇29.6°/400 mm的均質靶板進行了實彈射擊試驗,并建立仿真模型。利用ANSYS/LS-DYNA有限元對不同傾角條件下的均質靶板抗穿甲過程進行了數值模擬,得出垂直穿深相同條件下,均質靶板的傾角效應在抗穿甲過程中的影響。這些結論對指導今后武器裝備試驗具有實際意義。

傾角效應;均質靶板;侵徹;垂直穿深

0 引言

在進行坦克裝甲車輛的裝甲防護設計時,利用傾角效應可以提高裝甲鋼的防護能力。然而,在進行穿甲試驗時,對其穿甲能力的評判經常依據垂直穿深進行,如某2代穿甲彈的垂直穿深為460 mm,但國內外均質靶板規格不能滿足該厚度要求,此時往往通過將靶板斜置的方式來實現等效垂直穿深。對于要求的垂直穿深460 mm靶板,當已有的靶板厚度為400 mm,那么靶板法向角θ滿足:

460=400/cosθ

則:θ=29.6°

以往人們對穿甲過程的研究都是在大量試驗基礎上,再聯合一些經驗公式,如莫林、德馬爾、海利公式等,這些經驗公式對預測彈體侵徹能力和靶板的防護能力都有較大實用價值,但這些公式的推導計算量大且無法反映中間參數的變化以及全過程的物理本質,對于穿甲彈侵徹傾斜靶板的研究也存在局限性[1-2]。文中在實彈射擊的基礎上,建立了穿甲彈侵徹垂直及傾斜的厚靶板模型,利用ANSYS/LS-DYNA有限元對不同傾角條件下的均質靶板進行了數值模擬,并比較不同傾角靶板的抗穿甲能力。

1 實彈射擊試驗

試驗用105 mm坦克炮對29.6°/400 mm均質靶板射擊(等效垂直靶板460 mm)某105 mm穿甲彈,靶前布設章動靶,著靶速度通過天幕靶測試。

依據蘭利法,得出該穿甲彈對29.6°/400 mm均質靶板射擊的臨界穿透速度v50=1 470 m/s。試驗圖片如圖1和圖2所示。

文中在此實彈射擊的基礎上,建立仿真模型。

2 模型的建立

由于斜置靶板厚度小于垂直靶板,其靶板背面的邊界效應相比垂直靶板更為明顯。另外彈丸侵徹斜置靶板時,彈丸將受到不均勻的靶板抗力,由此導致彈丸在靶板內部的行程非直線性。這些穿甲過程涉及高壓、高溫、高速,以及結構內的部分材料的破壞,如沖塞、侵徹、層裂、崩落、濺飛等不同的復雜形式[3]。因此,對彈丸侵徹過程的分析成為沖擊動力學研究的難點之一。下面通過數值模擬研究傾角效應在抗穿甲過程中的影響。

圖1 彈丸未穿透靶板正面與背面圖

圖2 彈丸穿透靶板正面與背面圖

2.1 均質靶板材料模型

彈丸飛行體(鎢合金)及均質靶板(合金鋼)材料都采用Johnson-Cook材料本構模型,該模型是描述材料在大變形、高應變率和高溫條件下的本構關系,適用于大部分金屬材料。Johnson-Cook的材料屈服應力為[4]:

斷裂破壞時的應變:

2.2 仿真模型

根據試驗中105 mm穿甲彈飛行體尺寸建立彈體模型,為簡化計算,在保證相同質量前提下仿真模型中不考慮桿體上的嚙合齒,建立穿甲彈飛行體的有限元模型如圖3所示。

圖3 穿甲彈飛行體有限元模型

由于穿甲彈侵徹靶板是軸對稱問題,可將彈靶模型建為二分之一模型,圖4為穿甲彈侵徹29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型。

圖4 穿甲彈侵徹29.6°/400 mm斜置靶板有限元模型

2.3 材料參數

穿甲彈的彈體材料是93W,彈-靶都采用Johnson-Cook強度模型,彈體材料參數[5]如表1所示。

表1 93W的材料參數

均質靶板材料為合金鋼,通過力學性能檢測,得出試驗中的均質靶板屈服強度為812 MPa。由射擊試驗得出長桿彈侵徹29.6°/400 mm均質靶板的臨界穿透速度v50為1 470 m/s,得出B值為297 MPa。均質靶板的材料參數如表2所示。

表2 均質靶板的材料參數

3 仿真計算

按照試驗條件,穿甲彈著靶速度設置為1 470 m/s,在以上模型的基礎上,分別對垂直穿深460 mm的460 mm/0°、400 mm/29.6°、325 mm/45°、230 mm/60°、150 mm/71°五種靶板進行射擊,得到的仿真結果如圖5所示。

圖5 穿甲彈侵徹五種靶板的仿真結果比較圖

從仿真結果得出,穿甲彈在著靶速度1 470 m/s情況下穿透了150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°靶板,未能穿透400 mm/29.6°斜置和460 mm/0°垂直放置的靶板。

針對穿透情況,可以通過比較彈丸穿透靶板后的剩余速度,從而得出不同傾斜角度的均質靶板抗穿甲性能。圖6是穿甲彈穿透150 mm/71°、230 mm/60°、325 mm/45°三種靶板時的速度變化曲線。

圖6 穿甲彈穿透三種靶板時的速度變化圖

上圖中,穿甲彈穿透斜置靶板后的剩余速度按傾角由大到小順序分別為873 m/s、853 m/s和895 m/s。可以看出長桿彈穿透3種等效厚度相同的斜置靶板的剩余速度相差不大,其中325 mm/45°斜置靶板剩余速度略微偏大可能是由于其等效厚度為459.6 mm,略低于460 mm。總結上述3組穿透條件的仿真結果,可以得出長桿彈能夠穿透靶板的情況下,只要靶板等效厚度相同,傾角大小對靶板抗穿甲能力的影響不大。

針對未穿透的情況,由于剩余速度為0,則通過比較靶板背部的鼓包情況,從而得出未穿透情況下不同均質靶板的抗穿甲性能。圖7為穿甲彈未穿透400 mm/29.6°和460 mm/0°靶板背面鼓包圖。

圖7 未能穿透靶板的靶背單元

從圖7可以得出,400 mm/29.6°靶板上的單元位移為18 mm,460 mm/0°靶板上的單元位移為11.7 mm。由此可知,在垂直穿深相同的條件下,垂直放置靶板的抗穿甲能力最強。

綜合比較150 mm/71°、230 mm/60°、325mm/45°、400 mm/29.6°、460 mm/0°這五種靶板狀況,當靶板的斜置角度超過45°時,105 mm穿甲彈穿透靶板,且彈丸的剩余速度相差不大,表明當傾斜角度超過一定角度,在垂直穿深相同的條件下,靶板抗穿甲性能相當。而當靶板傾斜角度較小時,105 mm穿甲彈未能穿透靶板,從靶后的鼓包得出小傾斜角度靶板抗穿甲性能相當。

4 結論

1)在垂直穿深相同的條件下,對于厚均質靶板,垂直放置條件下的抗穿甲能力最強,隨著靶板法向角的增大,其抗穿甲能力降低。

2)在垂直穿深相同條件下,當彈丸穿透法向角不同的均質靶板時,其彈體剩余速度接近。針對垂直穿深460 mm均質靶板,當靶板傾角在45°～71°之間時,靶板抗穿甲性能相當。因此對于穿甲威力針對傾角65°、68°、71°等大角度的均質靶板,可以考慮采用45°傾角的均質靶板進行試驗,以提高靶板利用率,降低試驗風險。

3)均質靶板法向角超過一定角度時,將垂直放置的厚均質靶板采用中等厚度靶板大角度斜置的方式并不能完全等效,尤其在武器裝備鑒定試驗指標裕量小、要求較高的情況下需要引起重視。

[1] 王儒策, 趙國志. 彈丸終點效應 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1993.

[2] 趙國志. 穿甲工程力學 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1992.

[3] 紀霞, 王利. 彈丸侵徹多層靶板數值分析 [J]. 探測與控制學報, 2006, 28(2): 42-45.

[4] 韓永要, 趙國志, 李向東, 等. 長管體垂直侵徹半無限均質靶板的數值模擬 [J]. 彈道學報, 2004, 16(2): 33-36.

[5] 程興旺, 王富恥, 李樹奎, 等. 不同頭部形狀長桿彈侵徹過程的數值模擬 [J]. 兵工學報, 2007, 28(8): 930-933.

Research on Obliquity Effect of Thick Homogeneous Target in Anti-Penetration

YOU Yucong1,SHEN Peihui2,DU Wenge1,QIU Congli1,WU Qunbiao2

(1 Huayin Ordnance Test Center of China, Shaanxi Huayin 714200, China; 2 Najing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Obliquity effect of thick homogeneous target in anti-penetration was studied by shooting test with homogeneous target (29.6°/400 mm). The simulation model was built. ANSYS/LS-DYNA finite element was used in numerical simulation of anti-penetration of homogeneous target at different obliquity; the obliquity effect of homogeneous target on anti-penetration with same vertical depth was got. Those conclusions have some practical significance to armor testing.

obliquity effect; homogeneous target; penetrate; vertical depth

2014-05-21

游毓聰(1982-),男,湖北十堰人,工程師,碩士,研究方向:彈藥試驗。

TJ410.4

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