小質量鎢球侵徹凱夫拉極限穿透速度研究*

王 帥,智小琦,范興華,徐錦波

(1 中北大學機電工程學院, 太原 030051； 2 晉西工業集團有限責任公司, 太原 030027)

0 引言

破片戰斗部是戰斗部的主要類型之一,廣泛應用在軍事領域[1]。鎢球破片的毀傷性能的相關報道已有一些,周平等對Φ6 mm鎢球侵徹鋁合金板的彈道極限進行了研究[2]；徐豫新等對Φ6 mm(93W)、Φ7 mm(93W)、Φ6 mm(95W)、Φ7.5 mm(95W)四種鎢球正撞擊下低碳鋼板的極限穿透厚度進行了研究[3]；賈光輝等對Φ5.86 mm、Φ6.83 mm、Φ7.51mm鎢球侵徹薄靶板進行了實驗研究[4]。以上鎢球破片的質量均在1 g以上,而對小質量鎢球尤其是質量小于0.35 g的鎢球侵徹靶板的極限穿透速度的研究很少。單兵作戰武器要求機動性好、體積小,故在單兵戰斗部上采用小質量鎢球破片對提高戰斗部射程、威力有著極其重要的作用[5]。

文中采用實驗方法和數值仿真方法研究不同質量鎢球侵徹Ⅲ、Ⅳ級凱夫拉和2 mm厚LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度,得到鎢球的極限穿透速度隨鎢球質量變化的規律,根據此規律及綜合考慮單兵作戰武器的性能特點和戰技要求,得出單兵作戰武器戰斗部的較優破片質量。

1 實驗

1.1 實驗準備

鎢球破片質量為0.16 g(Φ2.8 mm)；靶板為Ⅲ級凱夫拉、Ⅳ級凱夫拉及LY12CZ硬鋁板；發射裝置為12.7 mm滑膛彈道槍；測速裝置為NGL202-Z型測速儀,μs計時,利用通斷靶測試小質量鎢球靶前或靶后的速度,并記錄侵徹狀態。實驗原理如圖1所示。

圖1 實驗裝置

圖2 鎢球及彈托

1.2 實驗結果及分析

1.2.1 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉

鎢球破片質量為0.16 g,直徑為Φ2.8 mm,用Ⅲ級凱夫拉作靶板,并測試靶前和靶后速度,實驗結果如表1所示。

表1 鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉實驗數據

由表1可知：鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉極限穿透速度在725.3 ～732.7 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為7.4 m/s,故取平均值[6],則鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉極限穿透速度為729 m/s,侵徹狀態如圖3所示。

圖3 鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉實驗圖

1.2.2 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉

鎢球破片質量為0.16 g,直徑Φ2.8 mm,用Ⅳ級凱夫拉作靶板,由于防彈頭盔形狀的限制無法測到靶后速度,測得靶前速度實驗結果如表2所示。

表2 鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉實驗數據

由表2可知：鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉極限穿透速度在741.0～751.4 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為10.4 m/s,故取平均值,則鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉極限穿透速度為746.2 m/s,侵徹狀態如圖4所示。

圖4 鎢球侵徹Ⅳ級凱夫拉實驗圖

1.2.3 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板

鎢球破片質量為0.16 g,直徑Φ2.8 mm,用LY12CZ硬鋁板作靶板,并測試靶前和靶后速度,實驗結果如表3所示。

表3 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實驗數據

由表3可知：鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板極限穿透速度在377.5～381.1 m/s之間,由于兩速度值很接近,差值僅為3.6 m/s,故取平均值,則鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板極限穿透速度為379.3 m/s,侵徹狀態如圖5所示。

德·瑪爾公式[7]是用來計算等效靶板的常用公式,其表達式為：

(1)

式中：V50為極限穿透速度(m/s)；d為鎢球直徑(dm)；h為靶板厚度 (dm)；q為鎢球質量(kg)；K為復合穿甲系數。

圖5 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實驗圖

利用式(1)和0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板實驗得到k=1 318,可得鎢球侵徹LY12CZ硬鋁靶板的彈道極限公式為：

(2)

根據式(2)則可計算出Ⅲ級凱夫拉的當量LY 12CZ硬鋁板厚度為4.78 mm；Ⅳ級凱夫拉的當量LY12CZ硬鋁板厚度為4.93 mm。

2 不同小質量鎢球對LY12CZ硬鋁板侵徹數值仿真

取質量分別為0.16 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g,對應直徑分別為Φ2.8 mm、Φ3 mm、Φ3.2 mm、Φ3.5 mm和Φ3.65 mm的鎢球對LY12CZ硬鋁板進行數值仿真計算,靶板規格為40 mm×40 mm×2 mm。由于凱夫拉的精確參數難以獲得,故用比動能不變原理求出它們在上述質量鎢球下的極限穿透速度并研究極限穿透速度隨鎢球質量的變化規律,進而得到單兵作戰武器的較優質量破片,對單兵破片戰斗部的設計提供一定的指導作用。

2.1 有限元模型建立

數值仿真采用有限元分析軟件LS-DYNA,單位制為cm-g-μs,算法為Lagrange算法。在三維侵徹問題中,SOLID六面體實體單元是進行網格劃分的首選,本研究對小鎢球破片和LY12CZ硬鋁板采用SOLID六面體實體單元,對網格進行局部加密,密集處網格尺寸為0.25 mm,稀疏處網格尺寸為0.5 mm。為了簡化運算,根據結構的對稱性,考慮到計算的時間和周期,建立四分之一有限元模型[8],對稱面采用對稱邊界條件,邊界面采用非反射邊界條件,如圖6所示。

2.2 材料模型的確定

將小鎢球作為剛體,選擇*MAT_RIGID材料模型；LY12CZ硬鋁靶板選擇*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數如表4所示。

圖6 有限元模型

表4 數值仿真材料模型參數

2.3 仿真結果及分析

2.3.1 0.16 g(Φ2.8 mm)鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真

表5為鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真結果,圖7為速度380 m/s 時0.16 g鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板過程。

表5 鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真結果

圖7 鎢球以380 m/s的速度侵徹LY12CZ硬鋁板過程

由表5可知：鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板時,靶前速度小于等于379.5 m/s時仿真結果均為嵌入；靶前速度大于等于380.5 m/s時仿真結果均為穿透；靶前速為380 m/s時仿真結果均為即將穿透,再結合實驗結果,在允許的誤差范圍之內可以認為0.16 g鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度為380 m/s,可見數值仿真結果與實驗結果比較吻合,材料參數可靠。

2.3.2 其他不同質量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真

表6為不同質量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真結果。

表6 不同質量鎢球侵徹LY12CZ硬鋁板數值仿真結果

根據比動能不變原理[9],可以計算出Ⅲ級凱夫拉在0.2 g、0.25 g、0. 3 g和0.35 g鎢球侵徹時的極限穿透速度分別為698.6 m/s、687.3 m/s、665.5 m/s和642.5 m/s；Ⅳ級凱夫拉在0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g鎢球侵徹時的極限穿透速度分別為715.1 m/s、703.6 m/s、681.2 m/s和657.7 m/s。不同質量鎢球侵徹不同靶板極限穿透速度隨質量變化規律的關系曲線如圖8所示。

圖8 鎢球侵徹靶板極限穿透速度與質量的關系

通過圖8鎢球侵徹靶板極限穿透速度與質量的關系曲線可以看出不同質量的鎢球分別侵徹LY12CZ硬鋁板、Ⅲ級凱夫拉和Ⅳ級凱夫拉的極限穿透速度與鎢球質量成負相關,且當質量在0.2～0.25 g范圍內時極限穿透速度相對于其他范圍變化比較緩慢,綜合考慮單位體積內的破片個數和單兵作戰武器的戰技要求,單兵作戰武器破片戰斗部破片應該選取0.2～0.25 g的鎢球。

3 結論

1)0.16 g鎢球侵徹Ⅲ級凱夫拉、Ⅳ級凱夫拉和2 mm厚的LY12CZ硬鋁板的極限穿透速度分別為729 m/s,746.2 m/s和379.3 m/s；

2)Ⅲ級凱夫拉的當量LY2CZ硬鋁板厚度為4.78 mm；Ⅳ級凱夫拉的當量LY12CZ硬鋁板厚度為4.93 mm；

3)同一靶板的極限穿透速度與鎢球質量成負相關,考慮單位體積內的破片個數和單兵作戰武器的戰技要求,單兵作戰武器戰斗部破片取0.2～0.25 g的鎢球最為合適。