不敏感彈藥槍擊試驗用彈國內外對比分析*

王永亮,王雨時,李德才,張志彪,王光宇,聞 泉

(1 南京理工大學機械工程學院, 南京 210094； 2 中國兵器裝備集團公司第121廠, 黑龍江牡丹江 157013)

0 引言

隨著現代武器戰術性能的不斷提高和作戰環境更加嚴酷,對武器彈藥在生產、運輸、儲存及戰場環境下的安全性要求越來越高。北約提出的不敏感彈藥概念及其評估試驗標準體系STANAG4241目前得到了國內的廣泛關注和普遍認同。該評估試驗標準體系規定標準的槍彈射擊試驗(簡稱槍擊試驗)是采用美國12.7 mm口徑M2穿甲彈對試樣進行連續3次射擊,用于模擬彈藥在儲運和戰備狀態下受到輕武器攻擊的反應程度。該槍彈的撞擊速度為(850±20) m/s、射速為(600±50) 發/min,要求發射間隔為(80±40) ms[1]。國內槍擊試驗均采用國產12.7 mm口徑的穿甲燃燒槍彈[2-8],但是未見有考慮國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈在結構方面的差異及其對槍擊試驗結果的影響。針對此問題,文中采用ANSYS/LS-DYNA商業仿真軟件分別對國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹過程進行數值仿真,對不同情形得到的數值仿真結果進行比較,為完善我國不敏感彈藥槍彈射擊試驗標準提供參考。

1 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈對比

國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈由鋼芯、彈頭殼、鉛套和燃燒劑四部分組成,美國M2穿甲彈由鋼芯、彈頭殼和燃燒劑三部分組成,如圖1所示。

圖1 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈對比

文獻[9]給出國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈性能數據如表1所列。

表1 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2式穿甲彈性能數據

國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈比美國M2穿甲彈多了鉛套部分,前者彈頭比后者長4.8 mm左右。國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈鋼芯形狀是尖頭,美國M2穿甲彈鋼芯形狀是平頭,兩者鋼芯直徑相差無幾,前者鋼芯長度比后者鋼芯長度大4.8 mm左右,因此國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈鋼芯比美國M2穿甲彈鋼芯質量大4.56 g左右。國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈彈頭殼比美國M2穿甲彈彈頭殼長8.65 mm左右,但是前者彈頭殼厚度比后者彈頭殼厚度小0.43 mm左右,而且前者彈頭殼材料為鋼,后者彈頭殼材料為黃銅,因此國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈彈頭殼質量比美國M2穿甲彈彈頭殼質量小4.7 g左右。

2 不敏感彈藥槍擊試驗方法數值仿真

2.1 數值仿真研究思路

在槍擊試驗中,鋼芯擊穿彈頭殼進入主裝藥或導爆藥、傳爆藥,有可能使主裝藥或導爆藥、傳爆藥發生反應。由于多數彈體和引信體都采用鋼材料,故采用45鋼靶板作為被侵徹對象,以彈頭侵徹靶板后的剩余動能作為進入主裝藥或導爆藥、傳爆藥內的能量。采用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件對國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈以不同攻角侵徹不同厚度的靶板進行數值仿真,比較不同情形下國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹后的剩余動能。

2.2 有限元仿真模型建立

國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈有限元模型如圖2所示,美國M2穿甲彈有限元模型如圖3所示；45鋼靶板有限元模型如圖4所示。彈頭與靶板相比尺寸較小,彈頭侵徹靶板過程中,靶板四周受彈頭作用很小。為了提高計算效率,在建模時將靶板受彈頭作用的中心區域網格劃分較為密集,而其他區域網格劃分較為稀疏,同時對網格密集區域和網格稀疏區域進行了過渡處理。彈頭各組分間的接觸形式設置為面面自動接觸；彈頭與靶板間是侵徹與被侵徹的關系,接觸形式設置為面面侵蝕接觸。在靶板邊界定義非反射邊界,采用八節點六面體單元進行映射網格劃分。

圖2 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈有限元模型

圖3 美國M2穿甲彈有限元模型

圖4 靶板有限元模型

在彈頭侵徹模擬過程中,作如下假設：

1)忽略彈頭自身重力影響；2)忽略空氣阻力；3)彈頭殼和彈頭內部填充物是均質的；4)侵徹過程中,靶板受影響的區域只考慮與彈頭直接和間接接觸的區域,其余部分的影響可以忽略；5)忽略靶板的剛體運動；6)忽略熱效應,比如沖擊過程中產生的熱應力；7)所有靶板表面都是均質的平面；8)靶板在撞擊前內部應力為零。

2.3 材料模型與參數

國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的鋼芯材料均為T12A冷拉碳素工具鋼或其他相近鋼號,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈的鉛套材料為鉛、彈頭殼材料為優質低碳薄鋼片,美國M2穿甲彈彈頭殼材料為H90黃銅,靶板材料為45鋼。鋼芯、鉛套、彈頭殼和45鋼靶板采用Johnson-Cook模型；燃燒劑用等效密度的土壤代替,采用泡沫材料模型。各材料模型參數如表2所列。

表2 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈仿真用材料模型參數[10-12]

2.4 仿真可信性說明

文獻[13]用國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈在彈頭傾角為0°的情形下對6 mm厚的碳化硅陶瓷進行抗彈性能靶板試驗。文中采用ANSYS/LS-DYNA商業仿真軟件建立與該試驗相同的仿真模型并選用相近的材料模型參數,所得仿真結果與抗彈性能靶板試驗結果對比見表3。

表3 抗彈性能靶板試驗結果與仿真結果對比

表3說明文中建立的仿真模型、所用仿真參數和仿真結果基本上可信。

3 仿真結果及其分析

3.1 彈頭轉速對侵徹結果的影響

槍擊試驗中,樣彈位置距離槍口很近,因此槍口速度近似為彈頭撞擊時的速度,利用內彈道計算公式計算出槍口時刻轉速,即可近似為彈頭撞擊時的轉速。

文獻[14]給出了等齊膛線時,彈頭轉速ω與速度v之間的關系式：

(1)

式中:h為膛線纏距；ω為彈頭轉速；v為彈頭速度。

文獻[9]給出國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈膛線纏距為380 mm,美國M2穿甲彈膛線纏距為381 mm。速度為850 m/s時,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈轉速為14 054 rad/s,美國M2穿甲燃燒槍彈轉速為14 018 rad/s,兩者幾乎完全相同。

以往有關國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹靶板的數值仿真研究都是忽略轉速的影響,即在數值仿真時只施加了彈頭速度,而沒有施加彈頭轉速[13,15-16]。為了研究國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在數值仿真時忽略轉速對侵徹結果的影響,用未施加轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈和施加轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈分別以850 m/s的速度對5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板進行侵徹數值仿真,對侵徹后的剩余動能進行比較,結果如表4所列。

表4 有無轉速的彈頭侵徹45鋼靶板后的剩余動能 kJ

由表4可知,施加轉速后,侵徹45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大,因而都不能忽略轉速的影響,即在數值仿真時既要施加彈頭速度,又要施加彈頭轉速。

3.2 將彈頭簡化成裸鋼芯對侵徹結果的影響

文獻[13]指出彈頭穿甲侵徹靶板過程中,主要是鋼芯起侵徹作用,因此在其數值仿真過程中僅考慮了鋼芯的作用,忽略其余部分,但是沒有給出相關的可信性證明。為了研究國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在穿甲侵徹靶板過程中能否簡化成裸鋼芯,分別用施加轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、簡化后的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈以及簡化后的美國M2穿甲彈裸鋼芯以850 m/s的速度模擬侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板,侵徹后的剩余動能如表5所列。

表5 不同彈頭模型侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真結果 kJ

由表5可知,簡化后的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈裸鋼芯與國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈相比,分別侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大。隨著45鋼靶板厚度的增加,剩余動能的差別越來越小。因此,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在進行穿甲侵徹靶板數值仿真時一般不宜僅考慮鋼芯的穿甲作用,即在建模時一般不能簡化為裸鋼芯。

3.3 彈頭各部分對侵徹結果的影響

既然彈頭在進行穿甲侵徹靶板數值仿真時不能簡化為裸鋼芯建模,那么彈頭中除鋼芯以外的其他部分也起到了一定的穿甲作用。為了研究國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈各部分對侵徹結果的影響,擬定了4種不同建模方案,分別以850 m/s的速度和相應的轉速對5 mm厚的45鋼靶板進行侵徹數值仿真,并對彈頭侵徹后的剩余動能進行比較,如表6所列。

方案一建模時國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈各部分均保留；方案二建模時國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈均去除燃燒劑部分；方案三建模時國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈去除鉛套部分；方案四建模時國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈均去除彈頭殼部分。各方案仿真模型剖面圖如圖5所示。

圖5 各方案仿真模型剖面圖

表6 不同建模方案下彈頭侵徹靶板后的剩余動能仿真結果

由表6可知,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈的鉛套和燃燒劑部分對穿甲侵徹作用的影響很小,美國M2穿甲彈的燃燒劑部分對穿甲侵徹作用的影響也很小,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的彈頭殼部分對穿甲侵徹作用的影響很大,說明彈頭殼有一定的穿甲侵徹作用,不能在仿真研究中忽略。

3.4 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行標準槍擊試驗的可行性分析

文獻[9]給出國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈制式初速為810～825 m/s(工程上可通過改變裝藥量來調整)。北約不敏感彈藥評估試驗標準體系STANAG4241規定在標準槍擊試驗中美國M2穿甲彈速度為(850±20)m/s。由上文數值仿真結果可知,彈頭侵徹模型不能簡化為鋼芯,轉速對侵徹結果的影響也不能忽略,因此用施加速度和轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈分別對5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板進行侵徹數值仿真,對侵徹后的剩余動能進行比較,結果如表7所列。

由表7可知,速度為818～850 m/s且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm和10 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能,速度為834 m/s和850 m/s且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。因此,用速度為810～825 m/s的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行槍彈試驗是不可靠的,而用12.7 mm口徑的彈道槍槍口速度為834 m/s以上的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行槍擊試驗是保守可行的。

表7 國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真結果 kJ

3.5 彈頭攻角對侵徹結果的影響

彈頭在飛行過程中,由于脫殼、重力和氣動等因素的影響,很難實現理想的垂直著靶姿態[17-20],彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角。為了研究彈頭攻角對侵徹結果的影響,分別用速度為834 m/s和850 m/s且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈以及速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈在不同攻角狀態下分別對5 mm厚的45鋼靶板進行侵徹數值仿真,對侵徹后的剩余動能進行比較,結果如表8所列。

表8 不同彈頭在不同攻角狀態下侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真 kJ

由表8可知,彈頭攻角不超過5°時,對國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能影響不大。攻角相同時,速度為834 m/s和850 m/s且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。因此,盡管彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角,但是以速度為834 m/s以上的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行槍彈試驗依然是保守可行的。

4 結論

文中采用ANSYS/LS-DYNA商業仿真軟件分別對不敏感彈藥槍擊試驗的主要過程即國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹鋼板的過程進行數值仿真,在驗證了可信性的基礎上,分析不同情形下彈頭侵徹45鋼靶板后的剩余動能,得出以下結論：

1)施加轉速后,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能變小,差別較大,因而都不能忽略轉速的影響。

2)國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈裸鋼芯與國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈相比,侵徹45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大。因此,國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在進行穿甲侵徹靶板數值仿真時一般不宜僅考慮鋼芯的穿甲作用,即在建模時一般不能簡化為單一的裸鋼芯。

3)國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的彈頭殼部分有一定的穿甲侵徹作用,不能在仿真研究中忽略；其余部分對穿甲侵徹作用的影響很小,可以忽略。

4)速度為834 m/s和850 m/s且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹不同厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。

5)彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角,但是對國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能影響不大。攻角相同時,速度為834 m/s以上且帶有轉速的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且帶有轉速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。

因此,用速度為810～825 m/s的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行不敏感彈藥槍擊試驗所得結論并不可信,可能是偏于冒進的。而用12.7 mm口徑的彈道槍槍口速度為834 m/s以上的國產12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進行不敏感彈藥槍擊試驗是可行但有可能是保守的。