彈體高速侵徹冰體研究

吳榕榕，王 健，王英霖

(1 南京理工大學能源與動力工程大學，南京 210094；2 鄭州機電工程研究所，鄭州 450047)

0 引言

由于地理氣候的原因，位于國內北緯30°以北區域的河流水域、黃河、黑龍江、遼河、松花江等流域極易形成凌汛災害，對水利設施、橋梁建筑、船舶設備等造成嚴重的經濟財產損失。高緯度海域由于地理氣候等原因會產生廣泛的海冰覆蓋區域，海冰會對船舶、海洋平臺、港口堤岸等產生嚴重影響，威脅設備的安全運行。因此，利用軍事技術進行冰體結構的毀傷研究，對無論是冰災防治、反潛作戰還是高寒極地環境作戰都具有重要意義。

在冰體力學試驗方面，Schulson進行了冰體的破壞試驗，研究冰體由韌性向脆性轉變問題；肖贊采用巴西試驗法對黃河冰進行加載試驗，獲得了冰的抗拉強度值，根據結果論證了巴西試驗法在冰的抗拉強度與斷裂韌度試驗中的適用性；Suzuki等進行了彈丸的高速沖擊侵徹試驗，通過試驗建立了用以描述表面力的分析模型。在爆破破冰方面，王瑩等建立了藥量、爆距、冰厚與破冰半徑的灰色關聯系數及關聯度，獲得破冰半徑的影響因素的主次關系；平源等利用相似理論分析了水下爆炸沖擊波對冰蓋的切割過程，結果表明建立的相似律模型適用于爆炸切割冰蓋過程。關于彈體侵徹冰體的研究較少，其中史興隆等設計了高能破冰彈并建立了數值分析模型,對高能破冰彈侵徹冰蓋以及水下爆炸破碎冰蓋的過程進行數值模擬研究，研究結果為破冰彈的優化設計以及破冰排凌提供了理論支持。

以破冰彈藥破冰為研究基礎，對制式彈藥侵徹毀傷冰體的過程進行研究，進行高速彈體侵徹毀傷試驗。試驗結果表明，冰體在高速侵徹沖擊作用時出現嚴重的冰體裂紋擴展，有限尺寸的冰體在受到沖擊后，會發生劇烈的冰體爆炸。彈體在侵徹過程中，被甲破壞嚴重，但彈體鋼芯基本保持完整。采用有限元分析方法建立數值計算模型，針對試驗工況進行仿真驗證，討論彈體著靶速度以及冰體厚度改變時，對侵徹的影響。研究結果對于指導破冰彈體設計及使用過程中效果的最大化提供了重要的參考，研究對防災減災、高原極地區域作戰等方面具有實際工程應用價值。

1 冰體侵徹射擊試驗

1.1 試驗器材及冰體制作

試驗采用95-1式制式步槍，如圖1所示，彈種為5.8 mm制式步槍彈。試驗采用高速攝像記錄彈體侵徹冰體的過程及彈丸的飛行姿態，采用紅外攝像對冰體侵徹試驗過程中的溫度場進行拍攝與圖像采集。

圖1 95-1式步槍及5.8 mm制式彈

由于實際環境中不同區域的冰層厚度不同，極地海冰冰蓋其厚度甚至可達數米。不同厚度的冰體的毀傷破壞過程會存在著一定區別，因此選用兩種不同厚度的冰體對這一過程進行研究，即10倍以上(35 cm)彈體長度冰體靶I；以及3～5倍(10 cm)彈體長度范圍內的冰體靶II。試驗采用放置高低溫試驗箱制作冰體，模具選用高強度透明亞克力板材，模具承載冰體一起進行射擊試驗。模具外徑150 mm，壁厚3 mm，長度分別為40 cm和15 cm。制備好的冰體如圖2所示，彈、靶參數如表1所示。

圖2 冰體制作

表1 試驗參數表

1.2 試驗步驟

1)開啟高速攝像機及紅外攝像機，將冰體安裝固定在靶架上，拍照記錄；

2) 射手進入射擊位置，其余試驗人員撤離至安全位置，做好隱蔽；

3)射擊結束，采集試驗圖像與數據，拍照記錄試驗后冰體，保存并處理高速攝像機及紅外攝像機的拍攝圖像；

4)清理試驗現場，準備下一次試驗；

5)清理試驗場地，剩余彈藥入庫保存。

1.3 試驗結果分析

1.3.1 侵徹35 cm厚度冰體

射擊后彈體命中位置為冰體中心偏下，偏離冰體中心，當彈體著靶后，冰體的受彈面彈孔周圍出現毀傷破壞區域，隨后彈體侵徹進入冰體內部，同時受彈面上彈孔向外噴射冰體碎屑粉末，冰體內部受到彈體侵徹出現裂紋擴展與冰體的破壞，彈體從靶體側面穿出，冰靶體整體炸裂破碎，如圖3所示。

圖3 5.8 mm彈體侵徹35 cm冰靶體高速攝像圖像

彈體在侵徹過程中從冰體側面穿出并且穿透靶架，彈體侵徹冰體時紅外圖像如圖4所示。在彈體高速侵徹冰體的過程中，從冰體側面穿出并且穿透靶架，因此可以在紅外圖5中觀測到彈體與靶架作用時產生的高溫區域。

圖4 彈體侵徹35 cm冰靶體紅外攝像圖像

1.3.2 侵徹10 cm厚度冰靶體

射擊后步槍彈命中位置為冰體中心，侵徹冰體時紅外圖像如圖5所示。在彈體著靶時，由于冰體較薄，彈體穿透冰體，冰體炸裂。圖6為彈體侵徹10 cm厚度冰體紅外圖像，通過紅外圖像可以清晰的觀測到冰體破壞與爆炸的情況。

圖5 5.8 mm彈體侵徹15 cm冰靶體高速攝像圖像

圖6 彈體侵徹10 cm冰靶體紅外攝像圖像

試驗結束后，觀測彈體的破壞情況。圖7為5.8 mm彈體結構示意圖，彈體包括銅材料披甲以及鋼材料彈芯兩個部分，圖8為彈體在侵徹過程結束后的形態，其中彈體1為第一次試驗彈體，彈體2為第二次試驗彈體。對比圖7與圖8可以發現，侵徹35 cm和15 cm冰體后，彈體被甲都被完全破壞，但彈體鋼芯均保持了較好的形態，彈芯頭部沒有明顯破壞的痕跡。對試驗后彈體進行高度測量，如圖9所示，5.8 mm彈體原始高度為24 mm，侵徹后彈體1高度為21.37 mm，彈體2高度為21.65 mm，高度損失分別為0.11%和0.09%。

圖7 5.8 mm彈體結構回收的彈體

圖8 試驗后彈體回收的彈體

圖9 5.8 mm彈體彈芯侵徹后高度

2 數值計算

2.1 建立計算模型

計算過程采用 Lagrange算法，采用六面體網格對模型進行劃分，并對彈體的彈頭部位進行一定程度的加密，彈體有限元模型如圖10所示。冰體材料的侵徹毀傷數值計算模型如圖11所示。彈體整體與冰體材料之間采用面面侵蝕接觸算法 ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。被甲與鋼芯之間采用自動面面接觸算法AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。冰體材料上添加邊界條件BOUNDARY_SPC_SET及BOUNDARY_NON_REFLECTING。

圖10 5.8 mm彈體有限元模型

圖11 35 cm和15 cm彈-靶有限元模型

2.2 彈體與冰體材料屬性

數值模擬計算中使用的5.8 mm小口徑步槍彈銅質被甲材料采用Johnson-Cook本構模型，對于大變形、高應變率下和高溫條件下的材料屬性，Johnson-Cook本構模型能夠進行有效的描述。Johnson-Cook模型在大應變情況下的本構關系方程為：

(1)

Gruneisen狀態方程定義的壓縮材料壓力為：

(2)

式中：為材料密度；為-曲線的截距；為Gruneisen常數；是對的一階體積修正;、、為-曲線斜率的系數；為楊氏模量；為相對體積壓縮狀態，用狀態方程定義為：

(3)

其中：為材料體積。

狀態方程定義膨脹材料的壓力為：

=+(+)

(4)

2.3 計算模型驗證

通過圖12冰體模擬與試驗對比圖像冰體碎屑噴射情況可以看出，彈體對較厚冰體的侵徹模擬與試驗接近。

圖12 彈體侵徹35 cm厚度冰體模擬與試驗對比圖像

圖13所示為彈體高速侵徹10 cm冰體的數值模擬與試驗圖像。當彈體侵入冰體后，冰體受彈面形成開坑并出現較大范圍的裂紋擴展，隨著侵徹的進行冰體前后出現碎屑粉末的噴射，在試驗中冰體受到彈體侵徹的影響內部破碎，在模擬中，冰體內部出現較為嚴重的破壞失效且失效節點的分布與冰體碎屑噴射較為相似。

圖13 彈體侵徹10 cm厚度冰體模擬與試驗對比圖像

根據建立的高速彈體侵徹冰靶體的數值計算模型，對照試驗進行仿真驗證，結果證明材料模型在侵徹計算中的合理性與適用性。

3 著靶速度對侵徹的影響

5.8 mm彈藥的有效射擊距離約為400 m，選取距靶體100 m、200 m、300 m、400 m時的彈體速度，分別為840 m/s、743 m/s、657 m/s、581 m/s，進行不同著靶速度下彈體對冰體的侵徹數值模擬，并對計算結果進行分析研究。

不同著靶速度下彈體對冰體侵徹的侵徹過程以及破壞毀傷區域如圖14所示，當彈體速度減小時，在一定程度上削弱了小口徑彈藥侵徹過程中的偏轉與失穩，從而提高了彈體在侵徹過程中的穩定性，著靶速度為581 m/s的侵徹幾乎未發生明顯的偏轉，著靶速度為743 m/s時，偏轉程度最為嚴重。

圖14 不同著靶速度下彈體對冰體侵徹的過程

對比4種計算工況，隨著彈體著靶速度的降低，彈體偏轉程度減小，侵徹隧道變得較為平直且寬度均勻。彈體在侵徹結束后的狀態如圖15所示。隨著著靶速度降低，披甲的脫離程度降低，著靶速度為840 m/s和743 m/s時，在高速侵徹下，部分被甲被撕裂，脫離彈體形成碎片披甲完全脫離彈芯，并出現了嚴重的破壞。當彈體著靶速度降低后，彈體在侵徹過程中的偏轉程度減弱，因此當著靶速度為657 m/s時，披甲呈現即將脫離鋼芯的狀態，而當著靶速度為581 m/s時，被甲僅出現頭部的侵蝕破壞，此時彈體剩余皮甲質量約為0.61 g。彈體彈芯在不同著靶速度侵徹過程中均保持較為完整的形態，沒有出現明顯破壞痕跡。

圖15 不同著靶速度下彈體披甲破壞情況

彈體在侵徹過程中鋼芯的速度變化曲線如圖16所示。對比圖中曲線，彈體著靶速度為581 m/s時，彈體未發生明顯的偏轉，因此彈體的速度變化較其余的工況下較小，侵徹結束后彈體鋼芯的剩余速度為463.6 m/s，速度損失20.2%。隨著著靶速度的增加，由于侵徹過程中穩定性逐漸減弱，彈體偏轉，導致彈體速度出現大幅度降低。657 m/s、743 m/s、840 m/s 著靶速度下的彈體侵徹，在侵徹結束后，彈體鋼芯速度損失比分別為41.6%、90.0%、49.5%。彈體以743 m/s的速度著靶時，彈體的偏轉最為嚴重，彈體由垂直方向侵徹偏轉為接近水平方向，因此速度損失最大。根據速度圖像可知，在彈體未發生較大偏轉的情況下，彈體在侵徹過程中的速度損失比隨侵徹著靶速度的減小而減小。但在侵徹開坑階段，彈體鋼芯的速度衰減隨著靶速度的減小而增大，表2所示為彈體在不同著靶速度下侵徹開坑時彈體鋼芯的速度損失比，隨著彈體著靶速度的減小，彈體鋼芯在著靶階段的速度損失比呈現增加的趨勢。

圖16 不同著靶速度下彈體鋼芯的速度變化

表2 侵徹開坑階段彈體鋼芯的速度損失比

彈體鋼芯的減加速度變化曲線如圖17所示。743 m/s、657 m/s與581 m/s的著靶速度下，彈體鋼芯受到的減加速度與840 m/s著靶速度時存在顯著差距。由于侵徹著靶速度的減小，彈體在侵徹開坑階段的速度損失增大，因此彈體鋼芯在此階段的減加速度變化較大。侵徹開坑階段結束后，彈體的速度變化趨于平緩，鋼芯受到的減加速度減小。743 m/s著靶速度下彈體偏轉較為嚴重，因此在坑下侵徹階段，彈體鋼芯受到的減加速度的值再次升高。

圖17 不同著靶速度下彈體鋼芯的減加速度變化

圖18為不同著靶速度下冰體質量變化曲線，隨著侵徹著靶速度降低，坑下侵徹階段冰體的質量損失速率減小。侵徹開坑階段的冰體質量損失速率隨侵徹速度的增加整體上呈現將先增加后減小的趨勢。當彈體的侵徹速度為743 m/s時，冰體在開坑階段的質量損失占到總質量損失的52.8%。當彈體著靶速度在一定范圍內，冰體的質量損失主要集中于侵徹開坑階段。

圖18 不同著靶速度下冰體質量變化

4 冰體厚度改變對冰體的侵徹毀傷

在破冰彈藥的設計及實際使用過程中，冰體與彈體的長度比例不會過高。因此10 cm厚度冰體的侵徹毀傷效應進行研究。

圖19為不同著靶速度下彈體對冰體侵徹的侵徹過程圖，從圖19可以看出，隨著著靶速度的降低，彈體對冰體的破壞呈現減小的趨勢，連續的徑向裂紋的擴展程度減弱。

圖19 不同著靶速度下彈體對冰體侵徹的過程

彈體完全穿冰后的形態如圖20所示，彈體侵徹路徑較短，因此披甲破壞程度明顯較35 cm冰體輕，被甲剩余質量的變化如圖21所示。彈體在侵徹10 cm厚度冰體過程中，彈體頭部為主要侵徹部位，因此彈體頭部的侵蝕磨損嚴重，頭部被甲卷曲變形，且在高速侵徹下，部分被甲被撕裂，脫離彈體形成碎片。當彈體在侵徹出現偏轉后，會導致彈體被甲一側的破壞加劇。當彈體著靶速度降低后，彈體偏轉程度減小，如彈體以581 m/s的著靶速度侵徹時，彈體除頭部被甲外均保持較好形態，未出現嚴重的侵蝕破壞。因此對于破冰彈的設計，應當增大侵徹重點部位的強度與厚度，以減輕對破冰彈體內部的破壞，同時適當控制彈體侵徹速度，以抑制彈體的侵徹偏轉，減輕彈體的破壞。

圖20 不同著靶速度下彈體披甲破壞情況

圖21 彈體剩余披甲質量

彈體鋼芯的速度損失比與冰體的質量損失比如圖22所示，隨著侵徹著靶速度的增加，彈體鋼芯的速度損失比呈現下降的趨勢，而冰體的質量損失比呈現波動變化。當彈體著靶速度大于750 m/s時，著靶速度越大，則彈體對冰體造成的質量損失越大。彈體著靶速度在850 m/s以下時，彈體鋼芯的速度損失比與冰體質量損失比的變化趨勢一致。

圖22 侵徹結束后損失比變化圖像

5 結論

1)彈體高速侵徹35 cm冰靶體時在開坑階段的速度損失比與彈體受到的減加速度隨著靶速度的減小而增加。隨著彈體著靶速度的降低，侵徹過程中的彈體偏轉被抑制，彈體侵徹穩定性增強，彈體偏轉程度減小，彈體侵徹過程中的速度損失比減小，冰體的剩余質量呈現先減小后增加的趨勢。

2)彈體在高速侵徹10 cm冰體時，侵徹過程與侵徹35 cm厚度冰體初期相似。彈體被甲在840～657 m/s的速度范圍侵徹冰體時受到的侵蝕破壞程度較大；隨著彈體著靶速度增加，侵徹結束時彈體的速度損失比呈現下降趨勢，而彈體的質量損失比波動變化；當彈體著靶速度大于750 m/s時，著靶速度越大，彈體對冰體造成的質量損失越大。

3)著靶速度為彈體侵徹冰體過程中失穩偏轉的主要原因。著靶速度越大彈體越容易失穩，從而增加披甲破壞程度。同時，彈體的運動路徑越長，彈體披甲的破壞程度也越嚴重。

4)建議增大侵徹重點部位的強度與厚度，以減輕對破冰彈體內部的破壞，同時適當控制彈體侵徹速度，以抑制彈體的侵徹偏轉，減輕彈體的破壞。由于試驗條件以及氣候條件的影響，冰體尺寸沒有做到足夠大，不同水域的冰體存在一定差異，因此可以對不同種類冰體進行試驗研究，同時也可以對不同影響因素及變量進行分析。