不同结构穿甲弹弹头侵彻金属靶板性能分析

DOI:10.3969/j.issn.2095-509X.2014.01.008
不同结构穿甲弹弹头侵彻金属靶板性能分析
吴　凯,王　涛,沈　杰
(南京理工大学机械工程学院,江苏南京　210094)
摘要:为了研究头部形状对穿甲弹侵彻性能的影响,首先建立了4种头部形状穿甲弹的有限元模型,然后应用LS -DYNA 软件对模型进行了数值仿真和分析,获得了它们的速度衰减曲线及其变化规律。

结果表明,4种头部形状的弹芯在斜侵彻时的侵彻性能差异明显,结构方案一的弹芯在斜侵彻时的极限速度最小,其最大速度方向改变角也最小,综合侵彻性能最好。

关键词:穿甲弹;垂直侵彻;斜侵彻;数值仿真
中图分类号:TJ413.2 文献标识码:A 文章编号:2095-509X (2014)01-0031-04 在现代战场上,穿甲弹对付的目标主要为坦
克、自行火炮、装甲车辆、飞机、军舰以及混凝土工程等,其中以坦克为主。

在各国不断研究穿甲弹威力的同时,各种防御工事的防护能力也在不断提高[1]。

对于穿甲侵彻问题的研究,从进攻方面考
虑,主要研究弹丸如何能够有效地击穿靶板,使靶
板发生严重的破坏而失去防护能力;从防御方面考
虑,主要研究新型的装甲防护,使弹丸快速消耗能
量,例如采用多层间隔装甲或复合装甲。

将坦克的前装甲与水平面设置一个倾角,使穿甲弹在撞击金属靶板时存在一个着靶角,不但使弹头侵彻装甲时的有效厚度增加,还能使弹头速度方向发生偏转,通过改变弹头的运动轨迹来减小弹丸对靶后目标的毁伤。

弹丸的穿甲作用主要与下列因素有关[2-5]:(1)弹丸的质量与速度;(2)弹丸的着靶
角度;(3)弹丸的结构,主要包括弹丸头部形状、弹丸直径、弹丸长度;(4)弹丸的材料性能,主要包括弹丸的硬度、强度等;(5)弹丸的着靶姿态,主要是攻角的影响;(6)目标靶板的性能,主要包括靶板的机械性能、相对厚度等。

穿甲弹主要的穿甲部件为弹丸内部的穿甲弹芯,弹芯的结构对侵彻性能有很大的影响。

对于用大口径机枪发射的旋转稳定型穿甲子弹,由于受到飞行稳定性的影响,弹丸长径比不能大于5.5。

万文乾、龙源等研究了在相同初始条件下,长径比分别为1.5,2.5,4.0,5.0的弹体对钢筋混凝土靶板
的侵彻[6-7],发现随着长径比的增加,弹体穿过靶
板之后的剩余速度逐渐增加,但增加幅度越来越小,当长径比大于5时,弹丸剩余速度的增量已很小。

弹芯的头部形状对侵彻性能有很大的影响,特别是在对靶板开坑阶段的时候。

用枪弹打击目标时,不同距离处的目标弹丸着靶速度也不同。

对某种特定头部形状的弹芯,弹芯的着靶速度、着靶角也会影响侵彻性能,而且它们之间又会相互影响。

因此,研究不同头部形状的弹芯在不同的侵彻条件下对靶板的侵彻效应具有重要的意义。

本文主要分析弹芯头部形状对侵彻性能的影响。

员摇数值仿真分析法
数值仿真分析法中的有限元法是研究侵彻问题时使用较多的方法。

该方法将连续介质用有限个单元进行离散化,把连续的微分方程组简化成离散方
程组,通过数值计算方法求得问题的近似解[8-9]。

在分析侵彻问题时,常用Lagrange 算法、Euler 算法和ALE 算法。

Lagrange 算法是将网格依附在材料上,单元网格随着材料的流动而发生变形,物体形状的变化与网格的变化相一致,但是在处理大变形问题时,Lagrange 算法可能会由于网格的畸变而使计算困难,甚至无法求解,而在Euler 算法中,材料在固定不动的网格中流动,适用于处理流体问题和大变形问题。

但对于分析固体物质的变形,常需要非常精细的网格,大大增加了计算量[10]。

ALE 算法则是将Lagrange 算法与Euler 算法结合起来,在流体-固体耦合计算方面应用广泛。

收稿日期:2013-10-31
作者简介:吴凯(1986—),男,湖南益阳人,南京理工大学硕士研究生,主要研究方向为特种机械结构设计与动力学仿真。

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13·2014年1月 机械设计与制造工程 Jan.2014第43卷第1期 Machine Design and Manufacturing Engineering . All Rights Reserved.
2　仿真模型的建立
2.1　有限元模型的建立
4种弹芯的直径为7.5mm,为了只比较弹芯头部形状的影响,4种弹芯的头部长度都固定为10mm,调节弹芯的长度,使4种结构的弹芯的质量一致,调整后弹芯长径比约为5∶1,结构方案一和结构方案二的弹芯头部都为双锥形状,结构方案一顶锥角90°,前锥角10°,结构方案二顶锥角为120°,前锥角为10°,结构方案三为卵型弹,结构方案四为截头弹。

4种弹芯的结构如图1所示。

为了保证弹丸的飞行稳定性,弹丸出膛口后都有一定的旋转速度,为了分析方便并减少计算量,本文忽略弹丸的旋转速度,建立轴对称的1/2模型。

弹芯以一定的速度侵彻金属靶板,靶板为45钢,靶板尺寸为50mm ×70mm ×10mm。

在SolidWorks 中建立实体模型并以IGES 的中间格式导入到Hypermesh 中,由于侵彻问题涉及到材料的侵蚀和大变形,因此对网格的要求比较高,使用Solid164单元将弹芯与靶板都划分为六面体网格,由于本文主要研究弹丸头部形状的影响,所以对弹丸头部进行较密的网格划分,有限元模型如图2所示。

图1　4种弹芯结构图
图2　4种结构的弹-靶有限元模型
2.2　接触控制与边界条件
弹丸与靶板接触时发生材料失效,因此选用面面自动接触侵蚀算法[11],在材料发生失效时将失效单元删除,让接触在剩余的单元中继续进行,为了防止接触时接触主从面发生渗透,选用罚函数算法,在从节点对主面发生穿透时,在被穿透主面与从节点之间引入一个接触力,这个接触力的大小与主从面的刚度以及穿透深度成正比。

在弹-靶有限元模型的对称面上建立对称约束,在靶板周围建立非反射边界条件以避免边界反射的冲击波对求解区域的影响。

3　仿真结果及其分析
3.1　4种结构方案的弹芯垂直侵彻金属靶板3.1.1　侵彻过程分析
仿真弹芯以600m /s、700m /s、800m /s、900m /s 4种不同的速度分别侵彻45钢金属靶板。

弹芯垂直侵彻金属靶板的整个过程可分为开坑阶段、侵彻阶段、冲塞阶段,如图3所示。

图3　弹芯垂直侵彻金属靶板过程
图4是4种结构方案的弹芯在900m /s 着靶速度下垂直侵彻金属靶板时的速度-时间变化曲线。

图4　900m /s 垂直侵彻速度-时间变化曲线
3.1.2　计算结果分析
将求解时间设为100μs,每1μs 输出一个结果文件。

经过软件计算之后,通过LS -PREPOST 将结果数据导入MATLAB 中进行分析计算,得到着靶速度与剩余速度的关系曲线,如图5所示。

由曲线可知,每种弹芯的剩余速度随着着靶速度的增加而增加,但增加幅度逐渐减小。

3.2　4种结构方案的弹芯斜侵彻金属靶板
所用的有限元模型与前一节的相同,保持其他条件不变,只是弹芯与靶板存在一个着靶角,仿真弹芯在600m /s、700m /s、800m /s、900m /s 时分别以着靶角15°、30°、45°侵彻金属靶板。

弹芯斜侵彻金
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23·2014年第43卷 机械设计与制造工程
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图5　垂直侵彻下着靶速度与剩余速度关系曲线图
属靶板时,由于存在着着靶角,会使弹芯侵彻路径发生改变,导致穿甲现象与垂直侵彻时不同。

图6是该弹芯速度方向改变角δ随时间的变化曲线图。

图6　弹芯速度方向改变角δ随时间变化曲线
在弹芯接触靶板至38μs的时候,弹芯处于开坑阶段,此时弹芯速度方向略有改变。

当侵彻时间达到
68μs的时候,弹芯速度方向改变角增加到最大23°,此时靶板背面已经产生很大的鼓包变形,靶板对弹芯下表面的作用力明显减小。

而此时弹芯头部继续侵彻金属靶板,随着侵彻深度的增加,靶板对弹芯上表面的作用力增加,在合力的作用下弹芯速度方向改变角又会减小,最后击穿靶板。

最大速度方向改变角越大,说明弹芯斜侵彻时越容易发生偏转。

表1是4种弹芯在不同着靶角度时不同着靶速度下的剩余速度。

将着靶速度与剩余速度数据导入到MATLAB软件中,并对其进行拟合。

与垂直分析时一样,拟合后的曲线在剩余速度为0m/s 时所对应的着靶速度为弹芯的极限速度。

当某一弹芯以一定的速度按照不同的着靶角侵彻金属靶板时,随着着靶角的增加,弹芯的剩余速度越来越小,同时穿靶的时间也越来越长。

在30°着靶角的情况下,4种弹芯以500m/s的着靶速度侵彻金属靶板,均不能有效的穿过靶板,由拟合的剩余速度来看,此时4种弹芯的极限速度均大于500m/s。

而在45°着靶角的情况下,4种弹芯要击穿靶板,必须使着靶速度大于640m/s。

表1　不同着靶角下剩余速度m/s　
着靶角/(°)
着靶速度/(m·s-1)
600700800900结构
方案一
15356510650770
30245440590724
450179443611结构
方案二
15340487625743
30215408562695
450140396568结构
方案三
15340507643765
30142426591725
45052392598结构
方案四
15354516655770
30214442602730
45022392596 在小着靶角15°的情况下,4种弹芯的侵彻性能与垂直侵彻时相一致,4种弹芯的剩余速度-着靶速度曲线相差不明显,4种弹芯的极限速度分别为453m/s、464m/s、472m/s、470m/s,结构方案一的弹芯的极限速度最小,但是4种弹芯的极限速度相差不明显,差别不超过5%。

在30°与45°着靶角的情况下,4种弹芯的极限速度相差明显。

在30°着靶角下,4种弹芯的极限速度分别为508m/s、513m/s、566m/s、532m/s。

在45°着靶角的情况下, 4种弹芯的极限速度分别为642m/s、652m/s、687m/s、695m/s。

从极限速度分析来看,与垂直侵彻的时候不同,结构方案三的弹芯不再具有最小的极限速度,此时结构方案一的弹芯的极限速度最小,击穿靶板时所需的着靶速度最小,因此结构方案一的弹芯侵彻性能最好。

将弹芯的速度分量导入到MATLAB中,根据正弦定理可求得弹芯的速度方向角变化。

表2为4种弹芯以15°、30°、45°着靶角侵彻金属靶板时的最大速度方向改变角。

随着着靶角的增加,同种弹芯在同一着靶速度下的最大速度方向改变角也越来越大,4种弹芯的最大速度方向改变角差异也越来越大。

随着着靶速度的增加,同种弹芯在同一着靶角下弹芯的速度方向改变角越来越小,这是由于大着靶速度的情况下,虽然弹芯与靶板的冲击力很大,但是在开坑阶段,弹芯的高速撞击使弹芯快速地在靶板上形成弹坑,弹丸来不及发生偏转,使得方向改变角变化很小,弹芯不容易偏转。

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2014年第1期 吴　凯:不同结构穿甲弹弹头侵彻金属靶板性能分析. All Rights Reserved.
表2　不同着靶角时的最大改变角
(°)　
着靶角/(°)
着靶速度/(m·s -1)600700800900
结构方案一154.46
2.29
1.540.643011.895.98
2.211.144536.2414.145.391.97结构方案二155.15
2.871.871.053014.007.744.122.194537.4117.349.124.79结构方案三156.73
3.541.720.923018.949.80
4.752.26457
5.1223.6511.344.69结构方案四
155.712.631.44
0.793015.107.254.442.24
45
83.6621.8011.18
4.63
对应于每种着靶角β下的不同的着靶速度,每种弹芯都有一个最大速度方向改变角δ。

如果β+δ>90°,则弹芯跳飞。

在所仿真的几组数据中,在着靶角45°的情况下,以500m /s 的着靶速度侵彻金属靶板,由于β+δ>90°,因此4种弹芯均发生跳飞。

而在600m /s 的着靶速度下,结构方案一与结构方案二的弹芯没有发生跳飞,而结构方案三与结构方案四的弹芯均发生了跳飞。

4　结束语
本文用HYPERMESH 软件对4种头部形状的弹芯-靶板系统进行前处理,建立有限元模型,导入到LS -DYNA 中进行求解。

比较了4种头部形状的弹芯在600m /s、700m /s、800m /s、900m /s 的着靶速度下垂直和斜侵彻金属靶板,对4种结构方案弹芯的速度进行了分析,得到了弹芯在垂直和斜侵彻时的极限速度以及斜侵彻时的最大速度方向改变角。

由仿真结果拟合的极限速度来看,在垂直侵彻金属靶板的时候,结构方案一的弹芯的剩余速度
为428m /s,结构方案三的弹芯的剩余速度为
415m /s,在4种结构的弹芯中,结构方案三的弹芯的侵彻性能最好,但相比于结构方案一的弹芯,优势不是太明显。

在斜侵彻的情况下,结构方案一的弹芯侵彻过程中的最大速度方向改变角较小,相比于其他3种弹芯,结构方案一的弹芯不易发生偏转,同时,结构方案一的弹芯击穿靶板所需的着靶速度最小,相比于其他3种弹芯,优势明显。

因此,从仿真结果来看,4种结构中,结构方案一的弹芯具有最好的综合穿甲性能。

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The Performance Analysis of Different Structure
Metal Target Board Resistance to Armour -piercing Bullet
WU Kai,WANG Tao,SHEN Jie
(Nanjing University of Science and Technology,Jiangsu Nanjing,210094,China)
Abstract :In order to analyzes the effect of head shape on the armour -piercing bullet performance,it builds the finite element models of 4types head shape armour -piercing bullets,simulates their performances based on LS⁃DYNA,obtains the velocity decay curve and their change rule.The result shows there are obvious penetration deference in these 4bullets at diagonal direction into the target board,and that the structure scheme A has the smallest speed limit and smallest change angle of speed direction,the A structure has the most penetration per⁃formance.
Key words :Armour -piercing Bullet;Vertical into Target Board;At Diagonal Direction into the Target Board ·
43·2014年第43卷
机械设计与制造工程
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