TC復合彈對多層A3鋼靶穿甲效應的試驗與仿真

胡迪奇,王堅茹,陳智剛,易榮成,魯城華

(1.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防護材料有限公司,江蘇 常州 213100)

TC復合彈對多層A3鋼靶穿甲效應的試驗與仿真

胡迪奇1,王堅茹1,陳智剛1,易榮成1,魯城華2

(1.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室,山西 太原 030051; 2.常州山由帝杉防護材料有限公司,江蘇 常州 213100)

為提高彈丸的侵徹威力,在30 mm制式彈彈頭部采用增韌TC材料,并與制式彈進行對比,采用DOP試驗方法,對2種不同結構彈丸侵徹多層A3鋼靶的試驗結果進行分析研究。運用沖擊動力學理論公式,計算TC復合彈和制式彈在沖擊接觸鋼板瞬間的沖擊壓力并進行對比。重點分析對比彈頭結構、材料對多層A3鋼靶的穿甲效應的影響。在相同條件下,對制式彈和TC復合彈對A3鋼板的侵徹深度、孔徑,以及侵徹后彈芯剩余質量進行了對比分析。運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對侵徹過程進行模擬仿真,并與試驗結果對比。結合數值模擬的結果,分別從余速和彈芯剩余質量上進一步分析TC復合彈的侵徹能力。結果表明,TC彈頭對彈芯的保護效果明顯,為陶瓷材料應用于其他戰斗部提供了依據。

沖擊動力學;侵徹;陶瓷;鋼板;數值模擬

當今戰場,隨著裝甲車輛的防護推陳出新,防護性能不斷提升,但這些防護結構還是以金屬材料為核心組成。金屬材料在強度、可加工性等方面的優勢使其在毀傷和防護方面得到了廣泛應用。而殺傷戰斗部也還是以金屬材料及其合金為主,這些常規材料的戰斗部穿甲性能的提升遇到了瓶頸。

鄧云飛等[1]進行了不同結構的彈丸撞擊多層靶板的試驗研究,結果表明,多層靶的抗侵徹性能低于單層靶。李杰等[2]分析了不同厚度靶板和不同結構的彈丸對靶板侵徹效果的影響,結果表明,平頭彈對薄靶板的效果好于卵形頭彈,而卵形頭彈對厚靶板的侵徹效果要優于平頭彈。李守蒼等[3]研究了陶瓷和合金鋼柱形構件分別對陶瓷/復合材料靶板的侵徹性能,結果表明,陶瓷構件對陶瓷/復合材料靶板的破壞程度遠大于合金鋼構件。付建平等[4]對比了陶瓷子彈與普通鋼彈的侵徹能力,得出了陶瓷子彈對靶板的侵徹效果優于鋼彈。

TC復合彈對陶瓷復合裝甲板的侵徹[5]相對制式彈有較大的優勢,本文在此基礎上,進一步對TC復合彈對多層A3靶的穿甲效應進行試驗研究,并與制式彈進行了對比。

1 材料特性

陶瓷材料[6]有著其他材料所無法比擬的優點,但也存在著致命的脆性,這種脆性主要來源于:①燒結溫度。在900 ℃左右燒結時,氣孔率較高;而溫度在1 300 ℃左右時,組成的結構就會細密得多,宏觀上基本看不出有什么細微的缺陷。②陶瓷材料微觀結構中的各種化學鍵之間的高鍵能所引起的缺陷敏感性[7]。目前最有效的方法是將陶瓷與缺陷尺寸更小的增強體(氧化鋯、氮化硅等)復合在一起,降低其缺陷敏感性,從而達到提高強度和韌性的目的。

本文TC彈頭所采用的Al2O3基陶瓷材料是通過增加ZrO2作為增強體進行增韌處理的陶瓷材料[4],相比普通陶瓷,這種經過處理的陶瓷材料顆粒均勻,顆粒之間結合緊密。抗彎強度可達850 MPa,斷裂韌性為9.35 MPa/m2,具有高硬度、高抗壓強度、較高的韌性、耐磨蝕等特點,同時成本較低。圖1為TC彈頭。

圖1 增韌后的TC彈頭

2 試驗設計

2.1 試驗用彈

試驗用彈采用的TC復合彈如圖2所示,其外形、質量與30 mm制式彈基本一致。TC復合彈全彈主要由TC復合彈頭、墊片、彈芯、彈托、底托等組成,如圖3所示。

圖2 試驗用TC復合彈合彈 圖3 試驗用TC復合彈彈頭

2.2 試驗靶板

試驗靶板為A3鋼靶,由5層Q235鋼板組成,每層靶板尺寸為寬200 mm、高200 mm、厚20 mm,靶板四周通過4個φ12 mm螺栓相連并與靶架固定。如圖4所示,靶板總體尺寸(寬×高×厚)為200 mm×200 mm×100 mm。

圖4 多層A3鋼靶

2.3 試驗條件

試驗在某試驗靶場進行,圖5為試驗場地布置示意圖,圖6為發射裝置采用的CS-7932彈道炮,圖7為測速用天幕測速儀。

圖5 試驗場地布置示意圖

圖6 試驗用彈道炮

圖7 天幕測速儀

3 試驗結果分析

制式彈和TC復合彈分別以832 m/s和848 m/s的速度垂直侵徹多層A3鋼靶,回收后的靶板如圖8所示,圖中左邊為TC復合彈,右邊為制式彈。

制式彈侵徹靶板的過程中,鋁制風帽迅速磨蝕,彈芯直接作用于A3鋼板,彈芯在開坑過程中姿態發生偏轉,形成不規則的入口形狀,如圖8(a)右圖所示,這個過程中鋼板對彈芯也產生較大磨蝕,造成了彈丸在第1層靶板上損失較大能量,嚴重影響了彈丸對后續鋼板的侵徹。

在TC復合彈開坑的過程中,由于TC彈頭的高強度、高硬度,TC彈頭在沖擊鋼板的瞬間彈頭破碎,完成開坑,并對鋼板產生巨大的沖擊壓力,在鋼板內形成巨大的應力波[8]。如圖8(a)左圖所示,應力波對鋼板形成均勻的圓形損傷。這個過程中TC彈頭對彈芯形成了良好的保護,保證彈芯以完好的姿態隨進。

回收的彈芯形貌如圖9所示,由圖9可直觀地看出,TC復合彈與制式彈侵徹多層A3鋼靶后,彈芯前部均墩粗呈圓錐形,彈芯保持完整,且TC復合彈彈芯頭部作用區域小于制式彈。測量回收的彈芯,彈芯長度比(侵徹后剩余彈芯長度/侵徹前彈芯長度):TC復合彈為66.32%,制式彈為59.07%;彈芯質量比(侵徹后彈芯質量/侵徹前彈芯質量):TC復合彈為71.55%,制式彈為67.72%。這說明TC彈頭結構在侵徹陶瓷復合靶時對彈芯起到了保護作用,減小了對彈芯的磨蝕,保留了較長的彈芯圓柱體,從實質上提高了彈芯侵徹能量。

圖8 靶板破壞實物圖

圖9 完成侵徹后的彈芯

表1為靶板毀傷數據,雖然制式彈速度稍大,TC復合彈侵徹靶板形成的彈坑比制式彈形成的彈坑略深,對鋼板毀傷面積也明顯大于制式彈,結合圖8靶板破壞形貌,可明顯看出TC復合彈對靶板毀傷效果明顯優于制式彈。

表1 靶板毀傷數據

4 沖擊壓力理論計算

分析彈丸對靶板產生的沖擊波壓力值并進行理論計算,沖擊波速度與波陣面后粒子速度的Hugoniot關系式為

vs=c+bvg

(1)

式中:vs為沖擊波波速,vg為波陣面后粒子的速度,c和b分別為材料的Hugoniot參數[9-10],見表2。

表2 材料的Hugoniot參數

彈丸以850 m/s的速度撞擊靶板時,撞擊點處形成了一個很高的壓力區,根據撞擊時的動量守恒定律和界面上的連續條件,撞擊點的壓力可以表示成如下形式[11-13]:

pp=ρp(cp+bpvp)vp

(2)

pc=ρc(cc+bcvc)vc

(3)

pp=pc

(4)

式中:下標p表示彈丸,下標c表示靶板。其中p,v分別為沖擊壓力和質點速度。而撞擊接觸面上的真實速度為

v0=vp+vc

(5)

式中:v0為彈丸的著速。

由式(3)、式(4)可得:

(6)

式中:A=ρpbp-ρcbc,B=-(2ρpbpv0+ρpcp+ρccc),C=(ρpcp+ρpbpv0)v0。

利用式(2)、式(3)和式(6)可求出彈丸撞擊陶瓷面板上的壓力。

代入數值求解:①TC復合彈撞擊鋼板時的沖擊壓力:pTC=9.62 GPa;②制式彈撞擊鋼板時的沖擊壓力:pZS=8.64 GPa。

在850 m/s的速度下,對多層A3鋼靶的瞬間沖擊壓力,TC復合彈比制式彈高出近1 GPa,對靶板的開坑、毀傷效果更好。

5 有限元模擬及結果分析

5.1 材料模型及參數

有限元分析采用ANSYS/LS-DYNA,計算模型使用Lagrange算法,有限元網格劃分采用八節點六面體單元,為提高計算效率,對彈體通過的中心區域處進行細密處理。由于侵徹過程中靶板對彈丸侵徹姿態的影響,計算采用1/2模型,在對稱面上及周邊施加約束,彈丸與靶板以及各層靶板之間都使用(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)面-面侵蝕接觸算法,彈頭與彈芯之間采用(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE)面-面自由接觸算法[5]。劃分網格后的彈體和靶板單元如圖10所示。

圖10 有限元分析計算模型

彈芯材料為高強度鎢合金,這種材料在承受高速沖擊的動力荷載條件時,經歷很大范圍的應變、應變率、溫度和壓力。因此計算模型選用適合描述材料在高應變率、大變形下和高溫下的相關強度變化的J-C模型(MAT_JOHNSON_COOK),并加上Gruneisen狀態方程共同描述;TC彈頭的計算模型選用適合描述陶瓷、玻璃等脆性物質的破壞和損傷的本構方程JH-2模型,即(MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS),TC材料參數見表3[5]。表中,G為剪切模量,ρ為密度,K為體積模量,其余各符號均為陶瓷材料模型中特定的參數符號,為DYNA軟件中的參數。A3鋼板選用Plastic-Kinematic模型,該模型適合模擬等向和運動強化塑性的金屬類靶板材料。彈體和靶板建模單位采用cm-g-μs。

表3 TC材料參數

5.2 數值模擬結果分析

采用動力學分析軟件LS-DYNA進行數值模擬,彈丸以850 m/s的初速垂直侵徹多層A3鋼靶,圖11～圖13為2種彈丸侵徹多層A3鋼靶的仿真結果對比。圖中,左圖為TC復合彈,右圖為制式彈,σ為應力。

圖11 彈頭接觸靶板瞬間

圖12 彈芯接觸靶板瞬間

圖13 彈芯侵徹靶板過程

圖14為彈丸加速度隨時間變化曲線,圖中a為彈芯加速度,t為彈靶作用時間。圖15為彈芯殘余質量隨時間變化曲線,圖中m為彈芯的殘余質量。

圖14 加速度-時間曲線

圖15 彈芯質量-時間曲線

由圖11可以看出,在彈丸接觸靶板瞬間,TC復合彈對靶板產生的應力明顯大于制式彈,而且制式彈彈頭在侵徹過程中迅速侵蝕。如圖12所示,制式彈彈頭侵徹過程中對靶板幾乎沒有損傷,而TC復合彈彈頭在靶板表面形成明顯的開坑。結合圖13,后續侵徹過程中,對比TC復合彈,制式彈彈芯對靶板的開坑過程中導致侵徹姿態明顯傾斜。從彈芯侵徹過程加速度曲線來看,如圖14所示,制式彈所受最大載荷明顯大于TC復合彈,而且持續時間長,增大了對彈芯的磨蝕。從彈芯侵蝕角度來看如圖15所示,TC復合彈和制式彈彈芯剩余質量比分別為65%和60%,與試驗結果非常接近。

6 結論

本文采用試驗、理論計算以及數值模擬分析方法研究了TC復合彈對多層A3鋼靶的侵徹,結果表明:

①撞擊試驗與數值模擬研究顯示,采用合適的理論模型計算,數值模擬結果與試驗結果基本吻合。

②TC彈頭在開坑的過程中對鋼靶產生的沖擊壓力更大,開坑效果更好,且對彈丸的姿態影響較小。

③TC彈頭結構在侵徹多層A3鋼靶時對彈芯起到了保護作用,減小了對彈芯的磨蝕,保留了較長的彈芯圓柱體,從實質上提高了彈芯侵徹能量。

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Simulation and Experimental Investigation on Armor-piecing Performance of TC Composite Projectile to Multilayer A3 Steel Plates Targets

HU Di-qi1,WANG Jian-ru1,CHEN Zhi-gang1,YI Rong-cheng1,LU Cheng-hua2

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.Changzhou Sanyou Sissan Protective Materials MFG Co.Ltd,Changzhou 213100,China)

In order to improve the penetration power of projectile,the armor-piercing performance of 30mm projectile with a toughened TC warhead to the multilayer A3 steel plates targets was experimentally researched under DOP method,and the projectile was compared to the standard projectile.The impact-dynamic formula was applied,and the sudden impact pressure of ceramic plates shocked by TC composite projectiles and the standard projectiles was calculated and compared.The effects of warhead structures and materials on armor-piercing performance to the multilayer A3 steel plates targets were analyzed and compared.Under the same conditions,the aperture,the depth of perforation and the residual mass of bullet core on the armor plates of TC composite projectiles were compared with those of the standard projectiles.The penetration process was simulated by ANSYS/LS-DYNA,and the simulation results were compared with the test results.Combined with the simulation results,the penetration performance was further analyzed in terms of the leaving velocity and the residual mass of bullet core.The results show that the TC warhead has a great effect on the protection of bullet core,and the study offers a foundation for ceramic applied in other warheads.

impact dynamics;penetration;ceramic;steel plate;numerical simulation

2016-06-15

胡迪奇(1991- ),男,碩士研究生,研究方向為彈藥毀傷及毀傷威力控制。E-mail:251876971@qq.com。

TJ413.2

A

1004-499X(2017)01-0073-06