輕金屬填充材料PELE的數值仿真研究

李　干，王志軍，李運祿，魏　波

(1.中北大學 機電工程學院，太原　030051； 2.海軍大連艦艇學院，大連　116018)

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【裝備理論與裝備技術】

輕金屬填充材料PELE的數值仿真研究

李干1，王志軍1，李運祿1，魏波2

(1.中北大學 機電工程學院，太原030051； 2.海軍大連艦艇學院，大連116018)

為了研究鋁鎂等輕金屬作為彈芯對橫向效應增強型侵徹體(PELE)的影響，采用顯式非線性動力分析軟件AUTODYN對內裝不同輕金屬材料彈丸進行侵徹靶板數值模擬，獲得了不同彈體對靶板的毀傷效應。結果表明：填充材料硬度越低，PELE殼體殘留越少，鋰鎂合金適宜作為PELE的填充材料。

橫向效應增強型侵徹體；填充材料；輕金屬；數值模擬

PELE(Penetrator with Enhanced Lateral Effect)是基于物理效應的新型彈藥[1-2]，關于彈芯材料的研究是近年來PELE比較熱門的方向，其填充物主要有聚乙烯、特氟龍等為代表的塑料類、金屬鋁及其他輕金屬等為代表的金屬類、橡膠類及活性材料。朱建生等[3]對裝填聚乙烯、橡膠、鋁合金等材料彈芯的PELE侵徹鋼靶進行數值計算和實驗驗證。結果表明，彈芯裝填材料對橫向效應有重要影響，其對橫向效應的影響因素主要是彈性模量和泊松比，彈性模量或泊松比越大，橫向效應越強。關于工程塑料的彈芯目前已經研究了很多[4-14]，但對以鋁、鎂等為代表的輕金屬及其合金研究較少。該類金屬密度小、彈性模量和泊松比較大，硬度低，因此亦可作為PELE的彈芯。本文利用數值模擬的方法，研究鋁、鎂等輕金屬及其合金作為彈芯對PELE的影響，為實際研究提供一定參考。

1　數值計算模型

利用顯式非線性動力分析軟件AUTODYN，對裝填不同彈芯的PELE垂直侵徹均質裝甲鋼板進行了數值計算。

PELE為理想的短圓柱桿，外徑12.7 mm，內徑10.16 mm，后端密封部長為5mm，全長50.8 mm，填充物長45.8 mm，靶板長與寬均為40 mm，厚8 mm。由于彈桿對靶板侵徹具有對稱性，所以建立1/4計算模型，對稱面設置對稱約束。計算對象為鎢合金外殼裝填不同填充材料的PELE垂直侵徹裝甲鋼靶板，著靶速度為900 m/s，計算時間為100 μs。模擬過程中忽略熱能損失。圖1即為采用顯式非線性動力分析軟件AUTODYN建立的PELE垂直侵徹靶板的數值計算模型。

為了能夠較為全面展示PELE侵徹靶板后的破片情況，采用SPH算法，彈丸和靶板材料參數均來自AUTODYN材料庫，具體參數見表1。

圖1　數值計算模型

部件材料密度/(g·cm-3)硬度(HBS)泊松比狀態方程強度模型破壞準則侵蝕外殼鎢合金17.02810.28ShockJohnsonCookNoneNone內芯工業純鋁(1100鋁)2.707250.33ShockSteinbergGuinanNoneNone鎂合金(AZ31B)1.780350.35PuffvonMisesHydro(Pmin)None2024鋁2.785850.33ShockJohnsonCookNoneNone鋰鎂合金[14]1.403120.39ShockNoneNoneNone靶板裝甲鋼(RHA)7.861830.22ShockvonMisesNoneNone

2　結果與分析

圖2～圖5分別是彈芯裝填材料為工業純鋁、鎂合金(AZ31B)、2024鋁與鋰鎂合金彈芯時，射彈穿透靶板后t=100 μs時外殼縱剖面側視圖和破片速度云圖。

圖2　彈芯裝填材料為工業純鋁時彈丸侵徹靶板

圖5　彈芯裝填材料為鋰鎂合金時彈丸侵徹靶板

從上述各圖可以看出，PELE在穿透靶板后產生具有橫向速度的破片，形成橫向效應。以裝填工業純鋁彈芯的侵徹體為例，在彈丸穿透靶板t=100 μs時，破片沿彈丸軸線方向的最大速度為491.68 m /s，最大橫向速度達到19.71 m/ s。顯然，只要滿足一定的質量要求，這類破片即具有一定的殺傷和破壞能力。

比較分析還可得到如下結論：彈芯裝填材料為工業純鋁、鎂合金(AZ31B)和鋰鎂合金時，橫向效應明顯，其中裝填有鋰鎂合金的彈體穿透靶板后產生的橫向效應最為顯著。彈丸內裝填2024鋁時，橫向效應不明顯，但是從圖4(b)可以看出，破片同樣具有一定的橫向速度。運用AUTODYN對數值計算結果進行分析，可以繪出裝填材料與破片橫向速度之間的關系，如圖6所示。

圖6　各彈芯材料的破片橫向速度變化

彈芯材料的不同直接影響到PELE在侵徹靶板后的各項性能，因此其對PELE橫向效應的發揮影響很大。通過數值模擬，獲得了不同彈芯材料的PELE 侵徹靶板的參數，即破片最大速度、橫向效應區域、殘余殼體長度與靶板開口半徑，如表2所示。

表2　不同彈芯材料PELE的結果參數

從表2可以看出，4種彈體靶板開孔半徑差別不大。破片最大速度，2024鋁的速度最低，鋰鎂合金最高，工業純鋁與鎂合金介于二者之間。2024鋁的殘余殼體長度占原殼體長度的51.8%，遠高于另外3種材料，工業純鋁與鎂合金殘余殼體長度相差無幾。這是由于2024鋁的泊松比較小且硬度較高，導致材料壓縮性較差，無法產生較大的徑向力，殼體無法撐開形成破片。雖然2024鋁在橫向效應區域上僅次于面積最大的鋰鎂合金，但破片稀疏，速度也低。

從圖6可看出，工業純鋁、鎂合金(AZ31B)和2024鋁3種彈芯的PELE在靶后橫向速度下降均很快，尤其2024鋁的降幅最高，到結束時(t=100 μs)，橫向速度僅有約12 m/s。因此，工業純鋁、鎂合金(AZ31B)和2024鋁這3種彈芯材料橫向效應均比較差。

在4種材料中以鋰鎂合金為彈芯的PELE效果最好，不僅殼體全部破碎，而且破片最大速度和橫向效應區域也比前3種高。在圖6中，破片在橫向始終處于加速狀態，說明在結束時彈芯因軸向擠壓而具有的能量仍未完全釋放。鋰鎂合金密度小(僅1.403 g/cm3)、泊松比大、硬度低，吸能性好，雖為金屬但力學性質與聚乙烯等工程塑料相似，可以作為PELE彈芯。

3　結論

彈芯材料硬度對PELE靶后殼體破碎情況有較大影響，彈芯材料硬度越小則殼體破碎程度越高，殼體利用率越高。在4種輕金屬中，鋰鎂合金最適宜做PELE的彈芯，其密度和泊松比小，硬度低，著靶后破片速度快且殼體完全破碎。

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[2]KESBERG G,SCHIRM V,KERK S T.PELE-The future ammunition concept[C]//The 21st International Symposium on Ballistics.Adelaide,Australia:IBC,2004:1134-1144.

[3]朱建生，趙國志，杜忠華.裝填材料對PELE效應的影響[J].彈道學報，2007，19(2)：62-65.

[4]朱建生，趙國志，杜忠華，等.小口徑PELE作用薄靶板影響因素的實驗研究[J].實驗力學，2007，22(5)：505-510.

[5]朱建生，趙國志，杜忠華，等.PELE垂直侵徹靶板的機理分析[J].爆炸與沖擊，2009，29(3)：281-288.

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[8]朱建生，趙國志，杜忠華.裝填材料對PELE效應的影響[J].彈道學報，2007，19(2)：62-65.

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[13]蔣建偉，張謀，門建兵，等.不同內核材料PELE彈丸對多層靶穿甲實驗研究[J].北京理工大學學報，2010，30(9)：1098-1012.

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[15]徐丹丹.鎂鋰合金力學與阻尼性能的研究[D].重慶:重慶大學,2013.

(責任編輯周江川)

Numerical Calculation of Light Metal Filling Material PELE

LI Gan1，WANG Zhi-jun1，LI Yun-lu1，WEI Bo2

(1.College of Mechatronic Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China;2.Dalian Naval Academy of the PLA，Dalian 116018, China)

In order to analyze the influence of the light metal filling material on the Penetrator with Enhanced Lateral Efficiency (PELE), AUTODYN explicit nonlinear dynamic analysis software was used to simulate the penetration of PELE filled with different light metal materials against target plate, and the damage effects of different projectile on target plates were obtained. The simulation results shows that the lower hardness of filling material is, the short the length of residual jacket is. Mg-Li alloy is suitable for filling material of PELE.

penetrator with enhanced lateral efficiency; filling material; light metal; numerical calculation

2016-04-18；

2016-06-05

李干(1991—)，男，碩士，主要從事彈藥工程與毀傷研究。

10.11809/scbgxb2016.09.013

format:LI Gan，WANG Zhi-jun，LI Yun-lu，et al.Numerical Calculation of Light Metal Filling Material PELE[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):54-57.

TJ411

A

2096-2304(2016)09-0054-04

本文引用格式：李干，王志軍，李運祿，等.輕金屬填充材料PELE的數值仿真研究[J].兵器裝備工程學報，2016(9):54-57.