內外徑比值對橫向效應侵徹體的影響分析

焦志剛，曹 旭，張明博

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 100159)

【裝備理論與裝備技術】

內外徑比值對橫向效應侵徹體的影響分析

焦志剛，曹 旭，張明博

(沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 100159)

通過研究不同內外徑比值對PELE橫向效應的影響，對不同內外徑比情況彈丸侵徹靶板的過程進行數值仿真。結果表明：任意一種類型橫向效應侵徹體，其消耗的能量隨著內外徑比值的增大而增大；對于一個設定的內外徑比，總有一個最佳長徑比值使其橫向效應效果最優。

橫向效應侵徹體；數值仿真；長徑比

目前，世界各國所裝備的彈藥主要有穿甲彈、破甲彈、碎甲彈及殺爆彈。這些彈藥各有其特點，但功能都很單一[1]。橫向效應侵徹體有效的克服現有彈藥功能單一的缺點，實現點面高效毀傷[2]。

Stephan Kerk[3]做了大量試驗，得到了橫向效應侵徹體可發揮橫向效應的速度范圍為400-3000m/s。南京理工大學趙國志、朱建生[4]在實驗的基礎上，通過力學分析，計算了破片徑向速度和彈體軸向剩余速度的公式。杜忠華研究了彈靶參數對PELE橫向效應的影響[5]，給出了PELE發揮橫向效應的最佳條件。北京理工大學蔣建偉和張謀[6]利用不同彈芯材料PELE對四層間隔靶進行了穿甲試驗研究。

筆者對彈丸長徑比對PELE橫向效應的影響進行了研究，在實際情況中不同的彈丸內外比對橫向效應的影響差別很大，所以研究內外徑比值對PELE橫向效應的影響具有十分重要的意義。

1 模型參數材料選取

PELE彈丸為理想圓柱桿彈體，彈丸長60 mm，彈芯長55 mm。靶板為20 mm×20 mm的矩形，厚度為8 mm，彈丸著靶速度為1 000 m/s。其中，殼體為金屬鎢，彈芯材料為尼龍，靶板為裝甲鋼。所用主要材料參數如表1所示。ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比。

表1 侵徹體與靶板主要參數

殼體材料彈芯、靶板均采用Gruneisen狀態方程Johnson-cook本構模型共同描述，Gruneisen狀態方程通過兩種方法定義壓力體積的關系，確定材料是壓縮還是擴張。所有單元均采用Lagrange算法，該算法單元網格隨著材料流動而變形適合反應彈丸撞擊靶板的真實情況。彈丸與靶板，殼體與彈芯之間均采用侵蝕接觸ERODING SURFACE TO SURFACE。對稱面采用對稱約束，非對稱面采用固定約束。計算時間350μs，在K文件中加入CONTROL_CONTACT定義接觸。

2 仿真計算結果

將彈丸內外徑比值0.6做為標準，設立另外三組彈丸內外徑比值0.5、0.7、0.8作為對比。為了研究不同的情況，設立三種不同類型進行研究，且外徑與其他所有條件保持不變。

情況1只改變內外徑比，彈長、彈芯長度保持不變；情況2改變內外徑比并保持彈丸的質量和彈芯長度不發生變化，改變彈長保持彈丸質量不變；情況3改變內外徑比保持彈丸質量和彈芯至彈底距離不變，改變彈芯長度保持質量不變。參數如表2所示，表中a、b分別為彈長與彈芯長度。

表2 內外徑比不同類型的彈丸參數

圖1表示的是不同結構作用后的效果比較。從圖中可以得知，彈芯在靶板和殼體作用下壓縮，殼體發生徑向膨脹。總的來說，彈丸的橫向效應會隨著內外徑比值增加變得更明顯，但是必須保證彈丸的強度足夠否則會發生彎曲。彎曲會造成殼體軸向速度和徑向速度都減小，不利于侵徹和橫向效應。

圖2為不同內外徑比對應的軸向速度曲線，由圖可知1型25 μs前變化趨勢大致一致。在這一時刻后，軸向速度的變化差別較大。隨著內外徑比值增大，彈丸彈徑方向阻力增大，軸向速度減小量增大。侵徹開始，彈體質量對彈軸方向速度影響較小。在侵徹靶板后，隨著彈體質量的增大剩余動能也隨之增大，則殼體剩余速度、塞塊沖塞結束后剩余動能也越大。結論：1情況，殼體剩余速度隨內外徑比值增大而減小。

情況1

情況2

情況3

圖1 不同結構作用后的效果

由圖1可發現2型內外徑比值0.5為不合格彈形，由于強度不夠侵徹后彈底碎裂。剩下不同內外徑比的曲線剩余速度幾乎一致。其中內外徑比值0.8時彈丸軸向速度的變化較為平緩，該情況彈丸對靶板侵徹能力較弱，侵徹歷程較長。由此可知內外徑比增大，彈丸的侵徹能力下降。

圖2 不同內外徑比所對應的軸向速度

圖3為不同內外徑比值的彈丸剩余速度。由圖可知，在內外徑比值區間0.5至0.6時，隨著比值增大剩余速度減小，由此可知軸向動能向徑向動能逐漸轉換。當比值大于0.6，情況1的侵徹體剩余速度隨著內外徑比值增加而減小，徑向動能逐漸增大，當內外徑比值為0.7時達到最大，隨后彈丸整體動能降低；情況2的彈丸剩余速度隨著內外徑比值變化較小；情況3內外徑比值為0.7時，橫向效應最明顯，軸向速度達到峰值，此刻彈型最佳，內外徑比值為5.76。

情況1彈丸質量發生改變，彈丸質量隨內外徑比值增大而減小，動能也隨比值增大減小，而情況2、3由于保證了彈體質量不變，不同情況彈體動能相同。圖4為不同內外徑比彈體動能變化曲線，圖中曲線趨勢一致，首先動能變化較大，逐漸趨于穩定。隨著內外徑比的增大，穩定的時間歷程逐漸增加，由此可知彈丸對靶板的毀傷能力逐漸下降。

圖3 不同類型不同內外徑比值的剩余速度曲線

圖4 不同內外徑比所對應的動能曲線

由圖4可知，在初始階段由于彈丸開坑消耗動能較大曲線變化劇烈，隨著侵徹歷程的進行動能趨于平穩，但不同情況下彈丸剩余動能差別較大。比較初始動能與末動能可知，內外徑比值為0.7情況下剩余動能最大。隨著內外徑比值的增大，彈壁逐漸變薄，對靶板的破壞能力也逐漸減弱，導致在侵徹開始階段消耗能量增大。當內外徑比值小于0.6時，情況2剩余動能較大。當內外徑比值大于0.6，情況3剩余動能較大。由此可知，對于不同內外徑比情況，總存在一個最優長徑比值。

圖5為不同情況內外徑比所對應的最大徑向速度曲線圖。不同情況的曲線趨勢一致，隨著內外徑比值的增大，彈丸的最大徑向速度也逐漸增大。但是，當情況不同時所對應的最大徑向速度差別較小。這是由于對于不同的情況總有一個最優長徑比值與之對應。綜合所有分析可以總結出橫向效應侵徹體的一個外形最佳結構參數(見表3)。

圖5 不同情況不同內外徑比的最大徑向速度曲線

內外徑比(I/O)0.50.60.70.8長徑比5.666.978.42

3 結論

1) 不同彈丸長徑比的橫向效應侵徹體作用靶板都能產生橫向效應，內外徑比為0.8時彈丸處于危險狀態。

2) 隨著彈丸長徑比的增大殼體剩余速度隨之減小，侵徹能力也逐漸減弱。

3) 對一個確定的內外徑比的橫向效應侵徹體，總有一個最佳長徑比值使其侵徹消耗能量最少。

[1] 韓成華,郭美芳.反裝甲彈藥簡介[J].現代兵器,1990,10(20):212-213.

[2] 李向東,錢建平,曹兵.彈藥概論[M].北京：國防工業出版社,2004.

[3] KERK S.PELE-The Future Ammunition Concept[C]//21st International Symposium on Ballistics.Adelaide,Australia.2004:1134-1144.

[4] 朱建生.橫向效應增強型侵徹體作用機理研究[D].南京：南京理工大學,2008.

[5] 杜忠華,宋麗麗.橫向效應增強型侵徹體撞擊金屬薄板理論模型[J].南京理工大學學報,2011(6):123-104.

[6] 張謀,蔣建偉,門建兵.鎢合金殼體PELE的侵徹膨脹效應數值模擬[J].彈箭與制導學報,2009(2):110-113.

[7] 王禮立.應力波基礎[M].北京：國防工業出版社,1985.

[8] 羅春濤.計及應變率效應的侵徹力學工程分析方法和數值模擬[D].北京：中國科學技術大學,2006.

(責任編輯 周江川)

Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect

JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 100159, China)

Through the study of the influence of different ratio of inner and outer diameters on the transverse effect of PELE,numerical simulation of projectile penetration into target plate with different ratio of internal and external diameter was carried out.The results show that: for any type of lateral effect penetrator,its energy consumption increases as the diameter ratio increases; for a set diameter ratio,there is always an optimum value so that the lateral effect will be best.

PELE; numerical simulation; length-diameter ratio

2016-03-14；

2016-10-26

焦志剛(1960—)，男，教授，主要從事彈箭仿真技術研究。

10.11809/scbgxb2017.02.009

焦志剛，曹旭，張明博.內外徑比值對橫向效應侵徹體的影響分析[J].兵器裝備工程學報，2017(2):36-39.

format:JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo.Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):36-39.

O385

A

2096-2304(2017)02-0036-04