基于ABAQUS的輕金屬包裹式鎢芯動能彈穿甲性能研究

鄧怡超

摘 要： 為提高動能彈飛行時的靜穩(wěn)定度，用輕金屬包裹的形式對光桿動能彈結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，優(yōu)化其氣動外形，再利用ABAQUS/Explict瞬態(tài)動力學(xué)分析模塊，通過拉格朗日網(wǎng)格和基于網(wǎng)格面的接觸技術(shù)、考慮材料的韌性損傷，對光桿動能彈和輕金屬包裹式動能彈穿甲過程進(jìn)行仿真，比較了兩種結(jié)構(gòu)的穿甲性能，驗證了包裹式動能彈的可行性，最后從能量平衡的角度評估了計算結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞： 靜穩(wěn)定度；動能彈；拉格朗日網(wǎng)格；韌性損傷

1前言

穿甲動能彈在侵徹目標(biāo)之前的飛行穩(wěn)定性是動能彈研究的關(guān)鍵問題之一，為保證動能彈飛行靜穩(wěn)定的同時又不影響其穿甲性能，現(xiàn)有的高速動能穿甲彈通常采用在彈體尾部增加穩(wěn)定尾翼（如APFSDS-尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈[1]）來確保飛行穩(wěn)定性，但此種結(jié)構(gòu)對小型的動能彈來說過于復(fù)雜。本文采用輕金屬包裹的方式對小型動能彈進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而改進(jìn)其氣動外形，提高動能彈飛行的靜穩(wěn)定度，再基于ABAQUS/Explict 穿甲仿真分析，研究了輕金屬包裹式動能彈的穿甲性能。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮動能彈以1200m/s的初速度攔截目標(biāo)，通過高速撞擊，造成其金屬外壁動態(tài)損傷，達(dá)到穿甲之目的，并以一定的剩余動能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞[2]。分別對光桿鎢合金動能彈和包裹式動能彈建立結(jié)構(gòu)模型，后者通過包裹一層鎂合金并在尾裙段掏空的方式改變其質(zhì)心位置，兩種結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1。

從表1可看出，包裹式鎢芯動能彈靜穩(wěn)定度較高，氣動外形優(yōu)于光桿鎢合金動能彈，下面就其穿甲性能進(jìn)行仿真分析。

3穿甲性能研究

3.1穿甲模型

由于小型動能彈相對于目標(biāo)的幾何尺寸較小，將目標(biāo)處理為鋼質(zhì)平面靶板結(jié)構(gòu)，厚度為50mm，彈軸向與靶板呈75°角，并考慮目標(biāo)有400m/s的速度，則動能彈以1360m/s的相對速度迎擊靶板，根據(jù)對稱性，分析采用半模型處理。動能彈穿甲過程是作用時間極短的高度非線性過程，接觸條件在劇烈變化，同時包含材料的塑性變形和損傷演化[3]，適合采用ABAQUS/Explict顯式動力學(xué)計算模塊進(jìn)行分析，為了考慮穿甲過程中靶標(biāo)和動能彈各自受到侵蝕后的單元接觸，該分析采用了單元刪除技術(shù)和基于網(wǎng)格面的接觸分析技術(shù)。

材料本構(gòu)采用彈塑性模型，并通過與應(yīng)變率相關(guān)的韌性損傷參數(shù)（ductile damage）和剪切損傷參數(shù)（shear damage）來控制單元刪除，模擬材料在高速沖擊作用下的高應(yīng)變率破壞現(xiàn)象，動能彈穿甲有限元模型如圖1所示，對侵徹區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。

3.2結(jié)果分析

光桿動能彈穿甲有限元計算結(jié)果如圖2所示，動能彈在110穿透靶板，穿甲剩余質(zhì)量約為70g，剩余速度約為880m/s。

包裹式動能彈穿甲有限元計算結(jié)果如圖3所示，動能彈在100us穿透靶板，穿甲剩余質(zhì)量約為70g，剩余速度約為900m/s。

從圖5可以看出，由于目標(biāo)速度的影響，靶板上方侵徹形態(tài)為長條狀孔，下方金屬穿孔呈花瓣狀開裂。

包裹式動能彈具有更高的初始動能和剩余動能，從圖6可以看出，兩條曲線近乎平行，說明輕金屬殼并不影響動能彈的穿甲性能，還能提高穿甲后的剩余速度。

3.3能量平衡分析

動能彈穿甲分析模型采用的是拉格朗日線性減縮積分單元C3D8R，該單元容易出現(xiàn)沙漏效應(yīng)[4]，導(dǎo)致系統(tǒng)能量以沙漏能的形式耗散，這部分能量是無意義的，在結(jié)果輸出里以系統(tǒng)總偽應(yīng)變能（ALLAE）的形式體現(xiàn)[5]，在ABAQUS中評估沙漏效應(yīng)對結(jié)果的影響大小的方式是，如果偽應(yīng)變能不超過系統(tǒng)總內(nèi)能（ALLIE）的5%-10%[6]，則結(jié)果具有較高的可信度，圖7是包裹式動能彈穿甲過程中系統(tǒng)總偽應(yīng)變能和系統(tǒng)總內(nèi)能比值曲線。

從圖7可以看出，分析過程中整個模型的偽應(yīng)變能不超過總內(nèi)能的8%，說明該瞬態(tài)動力學(xué)分析過程中沙漏效應(yīng)得到良好的控制。

根據(jù)能量守恒，系統(tǒng)的總能量應(yīng)該是不變的，由于數(shù)值計算的舍斷與積累誤差該值并非常數(shù)，ABAQUS中認(rèn)為系統(tǒng)總能量變化小于1%時[6]，計算的數(shù)值穩(wěn)定的，圖8是包裹式動能彈穿甲過程中總能量曲線，從圖8可以看出系統(tǒng)總能量變化范圍是102528J～102778J，系統(tǒng)總能量變化為0.244%，因此分析過程沒有數(shù)值問題。

4結(jié)論

通過ABAQUS/Explict建立了動能彈穿甲的瞬態(tài)動力學(xué)分析模型，并對兩種動能彈結(jié)構(gòu)穿甲性能進(jìn)行了仿真對比分析。本文研究表明，包裹式動能彈的氣動外形優(yōu)越，相對于光桿動能彈結(jié)構(gòu)，其尾裙式結(jié)構(gòu)保證質(zhì)心靠前，壓心靠后，能夠大大提高靜穩(wěn)定度，從穿甲性能仿真研究來看，由于具有較高的初始動能，包裹式動能彈穿甲后具有較高的剩余速度，對目標(biāo)有較高的毀傷能力。

參考文獻(xiàn)

[1]黃振貴，陳志華，郭玉潔. 尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈脫殼動力學(xué)過程的三維數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報，2014，35（1）：9-17.

[2]魏剛. 金屬動能彈變形與斷裂特性及其機(jī)理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014.

[3]王云. 結(jié)構(gòu)鋼韌性損傷模型研究. 西安建筑科技大學(xué)，博士學(xué)位論文.2008.

[4]王瑁成.有限單元法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]莊茁，張帆，岑松等.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[6]Abaqus Analysis Users Manual， Version 6.12-3， Dassault Systemes Simulia Corp.，Providence， RI.