V形鋁合金靶板雙射彈高速沖擊損傷特性

張宇 白春玉 郭軍 舒挽

摘要：為研究V形鋁合金靶板抗雙射彈高速沖擊損傷特性，基于二級空氣炮系統開展射彈高速沖擊試驗，研究靶板變形及射彈剩余速度等變化規律，并基于經驗證的有限元模型，研究兩枚射彈角度、間距等對靶板損傷失效的影響。研究結果表明，V形靶板在射彈高速沖擊下發生局部剪切沖塞破壞，且后側壁板的損傷面積較大；射彈角度和射彈間距對靶板損傷失效面積影響較小，但射彈角度和間距越小，靶板的塑性變形區域越大；同時射彈間距對射彈速度變化幾乎沒有影響，但射彈角度越小，剩余速度越小。

關鍵詞：沖擊動力學；高速沖擊；試驗方法；數值模擬；ABAQUS

中圖分類號：O381文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.09.012

基金項目：航空科學基金（20174123008）；機械結構強度與振動國家重點實驗室開發課題（SV2019-KF-23）

飛機在執行作戰任務過程中，常常會受到武器系統的威脅，進行高生存力設計對于降低造價高昂的飛機系統的損耗、維持戰斗力起著非常重要的作用。飛機作戰生存力主要由敏感性和易損性兩部分組成，敏感性指的是飛機在特定條件下躲避敵方探測和定位的能力，易損性指的是飛機抵抗敵方特定打擊方式的能力。易損性涉及飛機面臨的終端威脅（如能夠對飛機造成損傷的發射平臺、槍炮、導彈及其終端產物等），側重于研究飛機被終端武器命中之后的殺傷特性[1]。在飛機易損性研究中，操縱面作為控制系統的執行部件，是較為易損的關鍵部件之一。

Beissel[1-2]、Evans[3]、Williamsen[4]等利用數值模擬方法進行了射彈高速沖擊的形狀效應研究，得到不同形狀射彈的彈道極限速度曲線。Staley[5]等利用數值仿真手段，分析了射彈打擊飛機結構前后速度與質量變化，并通過試驗進行了驗證。Balos[6]等采用抗彈撞擊試驗方法，以勻質靶板為研究對象，分析了射彈-靶板夾角與靶板損傷程度的關系，得出射彈與靶板法線夾角越大，損傷程度越低的結論。展全偉[7]等利用戰傷模擬試驗與數值仿真結合方法構建了不同速度射彈對飛機結構毀傷模擬試驗裝置，討論了射彈速度與結構應變、變形直徑、目標靶結構之間的關系，分析了操縱面的損傷特性。惠旭龍[8]等利用試驗和數值模擬方法研究了平板的彈道特性及彈頭形狀、撞擊角度及靶板后的影響。

針對以上研究現狀，可看到針對操縱面的高速沖擊易損特性已經開展了相應的研究，并獲得了一定的結論。但目前的研究主要集中于單射彈沖擊和平板/曲板結構。本文將飛機操縱面結構簡化為V形靶板，通過試驗研究雙射彈高速沖擊下的損傷特性，并基于經驗證的有限元模型，研究射彈間距及射彈速度對V形靶板的損傷特性。

1高速沖擊試驗方法[9]

1.1試驗件設計

操縱面包括升降舵（全動平尾）、副翼、方向舵等主操縱面以及前緣縫翼、襟翼、擾流板等輔助操縱面，是控制飛機升降、滾轉等的結構。本文參考F-35飛機的副翼操縱面結構，如圖1所示。從圖1可以看出，其外表面類似于V形，同時考慮到副翼的外表面形狀決定其操縱效率，因此本文只考慮其外表面結構，將其簡化為V形靶板。試驗件設計如圖2所示，高440mm，長800mm，同時作為方法研究，考慮試驗方便，采用5mm厚的2024-T4鋁合金材料。其中在兩塊平板之間設計肋板結構，用于模擬操縱面內部加強結構，保證V形靶板整體剛度。

1.2試驗設備

試驗中所使用的二級空氣炮系統主要由氣源系統、炮尾部件、活塞、一級炮管、支撐體、一二級炮管轉接體、二級炮管、彈托收集器和靶室等組成，如圖3所示。該空氣炮可將50g射彈加速到400～2000m/s。

對于二級空氣炮系統，其利用重活塞壓縮氣體至高溫高壓狀態（高壓氣體對被壓縮氣體做功，重活塞相當于能量轉換器），當被壓縮氣體壓力至膜片臨界破膜壓力時，膜片破裂，高溫高壓氣體推動彈托射彈加速運動。為了提高被壓縮氣體的做功能力，通常采用分子量小的氣體，如氫氣或氦氣等。綜合考慮本文中試驗速度需求和試驗成本，采用空氣作為壓縮氣體。

二級空氣炮系統所使用的射彈如圖4所示。射彈直徑12.7mm，射彈圓柱段長度75mm，前端為半球頭，質量78g，材料為30CrMnSi。試驗中，彈托與炮管直徑相同，保證射彈軌跡與炮管方向平行；在炮管終端，彈托與撞擊塊撞擊，實現射彈與彈托分離，從而保證射彈的初始軌跡姿態。

試驗設備還包括高速攝像機測量系統，其具體參數見表1（表中，1ft≈0.3048m）。

1.3試驗測量方法

本試驗中，一臺高速攝像機測量射彈的初速度和剩余速度，另外一臺高速攝像機用于觀察射彈與試驗件表面之間的相互作用。其空間布置如圖5所示。

為保證高速攝像機2測速的準確性，試驗前對其進行標距處理，保證測量結果的準確性。

本次試驗對同一試驗件進行不同位置兩次沖擊，獲得多彈丸高速沖擊下的損傷規律。

2試驗結果分析

2.1試驗件損傷變形

射彈高速沖擊下，試驗件整體損傷變形如圖6所示。從圖6可以看出，在射彈高速沖擊下，試驗件僅在沖擊點附件產生損傷和塑性變形；其中在試驗件上產生局部剪切沖塞破壞，幾乎沒有產生撕裂裂紋；且試驗件損傷區域近乎為圓形，與射彈投影形狀完全一致；對比V形靶板前壁板和后壁板，可看到在后壁板塑性變形面積比前壁板更大。

圖7和圖8分別為射彈高速沖擊下，在前壁板和后壁板上形成的損傷區域沿橫向和縱向的尺寸大小（見表2）。可以看到射彈在試驗件上留下的孔洞尺寸略大于射彈直徑（12.7mm），且形成的孔洞外形近乎為圓形；其中在后側壁板形成的損傷面積略大于前側壁板的損傷面積，說明射彈在侵徹穿透前側壁板過程中，射彈姿態產生變化，同時考慮局部剪切沖塞在前側壁板產生的碎片的共同作用，導致后側壁板的損傷面積增大。

2.2射彈速度變化

表3給出了兩發試驗及一發補充試驗中射彈的初始速度、剩余速度及其動能損失。從表3中可以看到，隨著射彈速度的增加，動能損失逐漸增大。這是因為在彈靶侵徹過程中，彈動能的損失主要是因為彈靶之間的侵徹阻力（主要）和摩擦力（次要），其中侵徹阻力與速度的平方正相關。因此，隨著射彈速度的增加，侵徹阻力增大，做的功越多，射彈的動能損失更多。

3有限元分析及驗證

基于Johnson-Cook本構模型和失效模型，采用有限元分析軟件ABAQUS模擬射彈高速沖擊V形靶板過程，獲得沖擊過程中射彈速度、動能衰減變化及V形靶板損傷方式。

3.1有限元模型

G. Tiwari等[10]在2014年通過對彈丸高速撞擊鋁合金平板試驗和數值仿真結果分析，發現單層板的彈道極限速度隨邊界緊固度的增加而減小。因此為保證仿真結果和試驗結果的可對比性，應充分考慮邊界條件（試驗夾具）的影響。

建立的有限元模型如圖9所示。V形靶板和射彈均采用六面體單元，同時為了提高計算效率和精度，將V形靶板撞擊區域網格細化，經網格敏感性分析確定撞擊區域單元尺寸為0.8mm，并光滑過渡到模型非撞擊區，沿V形靶板厚度方向共劃分5層單元，最終劃分為1209040個單元，射彈劃分為1492個單元。

通過Interaction-Create Constraint-Tie設置試驗夾具與試驗件之間的接觸，考慮實際沖擊過程中傳遞路徑，其中試驗夾具為主面，試驗件為從面。邊界/載荷設置與試驗工況保持一致，通過固定試驗夾具保證邊界的設置，通過給射彈賦初始速度場來設置速度。射彈、試驗夾具及V形靶板材料參數見表4和表5。

3.2模型驗證

圖10給出有限元計算結果應力云圖。可看到，仿真得到的損傷區域也是圓形，與試驗結果一致。表6給出了射彈速度變化、仿真損傷區域大小及其與試驗結果的誤差。從表6可以看到，兩者之間的誤差小于5%，且數值計算結果對射彈剩余速度和前側壁板損傷擬合程度更好。證明所建有限元模型的有效性及計算結果的可靠性，可進一步開展相關分析。

4 V形靶板損傷多影響因素研究

基于真實場景，在單彈丸研究中，常常開展射彈角度、速度以及射彈形狀等因素的研究。對于雙彈入射，在其基礎上，射彈角度和空間間距則是考慮的重點。因此考慮射彈間距和射彈角度的變化，研究其對V形靶板損傷射彈高速沖擊損傷的影響[11-12]。

4.1射彈角度

試驗中射彈垂直入射，基于試驗結果分別設置射彈入射角度為90°、80°和60°，研究射彈角度對兩枚射彈同時沖擊V形靶板的影響。數值仿真計算結果如圖11所示。

從圖11可以看到，三種入射角度下，射彈在靶板上形成的孔洞大小基本一致，說明靶板發生局部剪切沖塞破壞的面積與射彈入射角度無關；垂直入射（入射角度90°）時，在靶板沖擊點上下兩側應力變化趨勢一致；斜入射時，在靶板沖擊點一側應力較為集中，另外一側應力較小。因此，斜入射對結構的抗沖擊性能要求更高，應充分考慮斜入射的影響。

圖12給出了不同入射角度下兩枚射彈的速度變化。從圖12可以看出，同一入射角度下，兩枚射彈的速度變化規律基本一致；不同入射角度下，射彈速度分別發生兩次明顯衰減，分別對應射彈侵徹前側壁板和后側壁板；且射彈剩余速度隨著入射角度的減小而降低，這是因為說明入射角度越小，沖擊過程中射彈侵徹靶板厚度越大，靶板吸收能量越多。

4.2射彈間距

試驗中射彈空間間距約8cm，基于試驗結果分別設置射彈軸心間距為20mm、40mm和60mm，研究射彈間距對兩枚射彈同時沖擊V形靶板的影響。數值仿真計算結果如圖13所示。

圖13分別給出了不同射彈間距下，射彈沖擊過程中靶板后側壁板的應力云圖和位移云圖（云圖中標度已統一）。從圖13可以看出，三種射彈間距下，射彈在靶板上形成的孔洞大小基本一致，說明靶板發生局部剪切沖塞破壞的面積與射彈間距無關；但隨著射彈間距減小，兩個彈孔之間區域的應力增大，變形程度（位移）逐漸增大，最大位移分別為3.77mm、4.24mm和5.81mm。說明射彈距離越近，對靶板的損傷失效影響程度越大。

圖14給出了不同射彈間距下兩枚射彈的速度變化。從圖14可以看出，射彈間距對射彈速度變化幾乎沒有影響，說明兩枚射彈之間的相互作用只影響靶板的變形程度，對射彈的速度變化幾乎沒有影響。

5結束語

本文基于二級空氣炮系統開展V形靶板射彈高速沖擊試驗，研究了靶板變形及射彈剩余速度等變化規律，結合經試驗驗證的有限元模型，開展兩枚射彈同時沖擊V形靶板數值分析工作，并研究了射彈角度、間距等對靶板損傷失效的影響，可以得到以下結論：

（1）本文采用的二級炮試驗方法可有效開展靶板彈道高速沖擊試驗，發現V形靶板在射彈高速沖擊下發生局部剪切沖塞破壞，且后側壁板的損傷面積較大，但兩枚射彈之間幾乎沒有影響。

（2）基于經試驗驗證的數值分析模型，發現射彈角度和射彈間距對靶板損傷失效面積影響較小；但射彈斜入射、小間距入射下，靶板的塑性變形區域越大，位移越大；同時射彈間距對射彈速度幾乎沒有影響，射彈角度越小，剩余速度越小。

（3）針對V形靶板抗射彈高速沖擊損傷特性，還需進一步結合試驗與數值分析方法開展相關研究。

參考文獻

[1]裴揚，宋筆鋒，石帥.飛機作戰生存力分析方法研究進展與挑戰[J].航空學報， 2016， 37（1）： 216-234. Pei Yang， Song Bifeng， Shi Shuai. Analysis method of aircraft combatsurvivability：progressandchallenge[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2016， 37（1）： 216-234.（in Chinese）

[2]Beissel S R，Gerlach C A，Johnson G R. A quantitative analysis of computed hypervelocity debris clouds[J]. International Journal of Impact Engineering，2008，35（12）：1410-1418.

[3]Evans S，Williamsen J. Orbital debris shape and orientation effects on impact damage to shuttle[C]// AIAA/ASME/ASCE/ AHS/ASCStructures，StructuralDynamics，andMaterials Conference，2013.

[4]Williamsen J E，Schonberg W P，Evans H，et al. A comparison of NASA，DoD，and hydrocode ballistic limit predictions for spherical and non-spherical shapes versus dual- and single-wall targets，and their effects on orbital debris penetration risk[J]. International Journal of Impact Engineering，2008，35（12）：1870-1877.

[5]Staley T D，Baker J R. Finite element simulation of ballistic impact in survivability studies[M].Palm Springs，2004.

[6]Balos S，Grabulov V，Sidjanin L，et al. Geometry，mechanical properties and mounting of perforated plates for ballistic application[J]. Materials & Design，2010，31（6）：2916-2924.

[7]展全偉.飛機典型結構件的模擬戰傷試驗及數值模擬[D].西安：西北工業大學， 2005. Zhan Quanwei. Simulated battle damage test and numerical simulation of typical structural parts of aircraft[D]. Xian：Northwest Polytechnic University， 2005.（in Chinese）

[8]惠旭龍，劉小川，王計真，等. TC4鈦合金平板高速撞擊損傷及彈道極限特性[J].科學技術與工程， 2017，17（11）：1-8. Hui Xulong，Liu Xiaochuan，Wang Jizhen，et al.High velocity impact failure and ballistic performance of TC4 plate[J]. Science Technology and Engineering， 2017，17（11） ： 1-8.（in Chinese）

[9]郭軍，張宇，舒挽.油箱水錘效應試驗方法研究[J].航空科學技術， 2019， 30（3）：63-70. Guo Jun， Zhang Yu， Shu Wan. Experimental study on hydrodynamic ram phenomenon of fuel tank[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（3）：63-70.（in Chinese）

[10]Tiwari. G，Iqbal M A，Gupta P K，et al. The ballistic resistance of thin aluminum plates with varying degrees of fixity along the circumference[J]. International Journal of Impacting Engineering，2014，74：46-56.

[11]劉小川，王彬文，白春玉，等.航空結構沖擊動力學技術的發展與展望[J].航空科學技術，2020，31（3）：1-14. Liu Xiaochuan， Wang Binwen， Bai Chunyu， et al. Progress and prospect of aviation structure impact dynamics[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020，31（3）：1-14.（in Chinese）

[12]劉牧東.金屬薄板材料沖擊性能研究進展[J].航空科學技術，2019，30（2）：1-6.

Liu Mudong. Research progress on impact property of sheet metal materials[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（2）：1-6.（in Chinese）（責任編輯陳東曉）

作者簡介

張宇（1994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：沖擊動力學。

Tel：029-88268287

E-mail：305869212@qq.com

白春玉（1986-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機結構強度。

Tel：029-88268287

E-mail：asri02@163.com

郭軍（1973-）男，學士，高級工程師。主要研究方向：飛機結構強度。

Tel：029-88268287

E-mail：guojun623@126.com

舒挽（1985-）男，碩士，工程師。主要研究方向：飛機結構強度試驗。

Tel：029-88268287

E-mail：swyx5@163.com

High-speed Impact Damage Characteristics of V Aluminum Target

Zhang Yu*，Bai Chunyu，Guo Jun，Shu Wan

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

Abstract： In order to study the characteristics of V-shaped aluminum alloy target plate against high-speed impact damage of double projectiles， the experiment is carried out based on the secondary air gun system. The variation laws of target plate deformation and residual velocity of projectiles are studied. Based on the verified finite element model， the effects of angle and spacing of two projectiles on the damage and failure of target plate are studied. The results show that the V shaped target plate is damaged by local shear plug under the high-speed impact of projectile， and the damage area of the rear side wall plate is larger. The impact of the projectile angle and distance on the damage area of the target plate is smaller. However， the smaller the projectile angle and distance are， the larger the plastic deformation area of the target plate is. At the same time， the projectile distance has little impact on the change of projectile speed， Whereas the residual velocity of projectile decreases with the decrease of angle.

Key Words： impact dynamics； high-speed impact； experiment method； numerical simulation； ABAQUS