某小口徑彈丸穿甲與靜爆引爆TNT炸藥研究

田亞鋒，汪立國，吳護鵬，胡 勇，王華亭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

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某小口徑彈丸穿甲與靜爆引爆TNT炸藥研究

田亞鋒，汪立國，吳護鵬，胡 勇，王華亭

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

為了評價某小口徑多用途彈丸的沖擊起爆能力，采用分步試驗，結(jié)合ANSYS LS-DYNA動力學(xué)分析軟件，對該型彈丸的沖擊起爆能力進行了研究。通過調(diào)整彈丸半徑方向網(wǎng)格數(shù)量λ，建立了有效的彈丸穿甲計算仿真模型。對比仿真計算與試驗結(jié)果,表明網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果精度影響較大。當(dāng)λ>12時，仿真計算的臨界擊穿速度與試驗值基本一致。在彈丸能夠穿透鋼板的基礎(chǔ)上，對彈丸靜態(tài)引爆炸藥盒的試驗研究，驗證了該型小口徑榴彈的沖擊起爆TNT炸藥能力。

防空高炮；侵徹穿甲；引爆；數(shù)值模擬

作為小口徑防空高炮彈藥之一的多用途榴彈，兼具穿甲與爆破能力，當(dāng)前防空武器面臨多種制導(dǎo)類彈藥的威脅，基于命中即摧毀的毀傷機制，將來襲目標(biāo)擊爆是當(dāng)前防空武器所必須具備的能力[1]。筆者以戰(zhàn)斗部等效壁厚小于15 mm的空襲武器為研究對象，進行了該型彈丸穿甲、引爆目標(biāo)的研究。由于彈丸對來襲目標(biāo)的侵徹、擊爆過程是一個復(fù)雜的物理過程，采用理論分析方法需考慮多種因素，因此當(dāng)前對侵徹、擊爆過程的研究，多采用試驗或數(shù)值模擬手段[2]。筆者針對特定的彈靶系統(tǒng)，通過試驗研究、結(jié)合數(shù)值模擬方法，進行了侵徹及靜爆引爆TNT炸藥研究。

1 試驗研究

彈丸對來襲目標(biāo)的作用分為穿甲和起爆2個階段[3],因此將彈丸對典型目標(biāo)的擊爆試驗分為侵徹裝甲鋼板和靜爆引爆高能炸藥2個試驗。

1.1 穿甲試驗及結(jié)果

筆者進行了同口徑彈道炮發(fā)射彈丸侵徹裝甲鋼板的試驗研究。試驗用靶板為15 mm裝甲鋼板，靶板外法線與彈丸速度切線呈45°角，彈為該型定型彈藥18發(fā)，通過減裝藥改變彈丸出炮口時的速度，從而改變彈丸撞擊靶板時的著速，得出彈丸侵徹裝甲鋼板的臨界極限速度,試驗結(jié)果如表1所示。

表1 彈丸對15 mm /45°均質(zhì)裝甲鋼板毀傷試驗數(shù)據(jù)

由試驗結(jié)果可知，彈丸在45°著角情況下，以大于564.9 m/s的速度可有效擊穿15 mm厚均質(zhì)鋼板，彈丸底部引信出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。當(dāng)彈丸著速小于558.1 m/s時，彈丸不能穿透鋼板，出現(xiàn)彈丸跳飛現(xiàn)象。

1.2 靜爆試驗及結(jié)果

以彈丸穿透靶板為基礎(chǔ)，進行了彈丸靜態(tài)放置于炸藥盒內(nèi)的靜爆試驗，驗證在彈丸穿透殼體后，是否能夠有效地引爆炸藥盒內(nèi)裝藥。根據(jù)試驗需求，加工了3種方案的炸藥盒，炸藥盒尺寸如表2所示,方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表2 試驗所用炸藥盒類型及尺寸

試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 彈丸對炸藥盒靜爆引爆試驗結(jié)果

基于靜爆引爆試驗可以得出，彈丸在放入炸藥盒內(nèi)部一定深度時，能夠靠彈丸內(nèi)裝藥爆炸引爆炸藥盒內(nèi)裝藥;彈丸在炸藥盒外部爆炸時，不能引爆炸藥盒裝藥。

2 穿甲數(shù)值模擬計算

2.1 計算模型

建立與穿甲試驗工況一致的仿真模型，進行模擬仿真計算。由于彈丸裝藥的剛度可以忽略，忽略彈丸的裝藥部分，在保證彈丸質(zhì)量與實際一致的前提下，簡化彈丸結(jié)構(gòu)，建立了三維實體單元的侵徹計算模型，建模均采用cm-g-μs單位制[4]。圖2為建立的彈-靶系統(tǒng)仿真計算模型。

2.2 材料模型及參數(shù)

彈丸材料為35CrMnSiA，選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程[5],靶板采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型,參數(shù)如表4、5所示。

表4 彈丸Johnson-Cook材料模型主要參數(shù)

表5 靶板PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要參數(shù)

2.3 網(wǎng)格大小對計算結(jié)果的影響

為研究網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果的影響，建立與穿甲試驗一致的計算模型，定義靶板厚度方向網(wǎng)格數(shù)量為10，彈丸半徑方向網(wǎng)格數(shù)量為λ，通過改變λ大小，得出在穿透靶板的前提下，穿甲所需的彈丸著速，如表6所示。

表6 不同網(wǎng)格尺寸的計算結(jié)果比較

從表6可知，當(dāng)λ>12時，模擬計算的臨界穿甲速度接近于試驗結(jié)果，隨著λ增大，臨界穿甲速度與試驗情況相一致，且當(dāng)λ為12、16、22時，臨界穿甲速度計算值相差不大，最大差別僅為3%，該誤差可以忽略。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

對比穿甲試驗，通過設(shè)置合理的網(wǎng)格單元數(shù)量，建立仿真計算模型。通過改變彈丸的著速，得出了著角45°，穿透15 mm均質(zhì)裝甲鋼板所需的臨界穿甲速度，仿真結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)彈丸以大于566 m/s的著靶速度侵徹靶板時，彈丸能夠有效地穿透靶板，因此根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，該型榴彈傾斜45°，穿透15 mm厚均質(zhì)鋼板的臨界速度為566 m/s。另外在侵徹過程中彈丸產(chǎn)生擺動，導(dǎo)致彈丸側(cè)壁與靶板穿孔側(cè)壁碰撞，彈丸底部產(chǎn)生彎曲變形，與侵徹試驗中彈底引信脫落現(xiàn)象一致。

3 結(jié)論

筆者通過分步試驗、數(shù)值仿真分析方法對該型小口徑彈丸傾斜45°，穿透15 mm厚裝甲鋼板、彈丸內(nèi)炸藥爆炸引爆炸藥盒裝藥進行了研究，對試驗及仿真分析結(jié)果進行了對比分析，得出如下結(jié)論：

1)該型小口徑防空彈藥具備傾斜45°穿透15 mm厚裝甲鋼板的能力，在穿透鋼靶后，能夠有效地?fù)舯瑧?zhàn)斗部壁厚為15 mm的來襲目標(biāo)。

2)通過數(shù)值模擬穿甲過程，得出彈丸半徑方向網(wǎng)格尺寸越小，計算精度與試驗結(jié)果越吻合，在統(tǒng)籌考慮計算時間的基礎(chǔ)上，應(yīng)合理的劃分彈丸及靶板的網(wǎng)格疏密。

3)采用的分步試驗方法及建立的穿甲計算模型，對研究彈丸沖擊起爆戰(zhàn)斗部具有一定的參考價值，為后續(xù)小口徑彈藥威力分析及毀傷能力研究奠定了基礎(chǔ)。

References)

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LIU Tengyi，CHEN Xi，YANG Dong. Imagination and analysis on 35 mm AA gun ammunition development[J].Journal of Gun Launch & Control，2010(1):84-88.(in Chinese)

[2]王儒策，趙國志.彈丸終點效應(yīng)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1993. WANG Ruce，ZHAO Guozhi.Terminal ballistics effects of projectile[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press，1993.(in Chinese)

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[5]丁毓峰.ANSYS有限元分析完全手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011. DING Yufeng.Complete manual of ANSYS finite element analysis[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011. (in Chinese)

Study on Projectile Oblique Penetration into Steel Armor Plate and the Detonation of TNT Charge

TIAN Yafeng，WANG Liguo，WU Hupeng，HU Yong，WANG Huating

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engeering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

For the purpose of evaluating the penetration performance of a small armor-piercing multi-role projectile, through the use of the multiple-step experiment method in combination with simulation analysis software ANSYS in terms of dynamics, the ability of shock and initiation for the projectile was studied. Through changing the mesh sizes on projectile, an effective penetration model for the projectile was established. Compared with test data, the calculation results showed that the effects of mesh partition on calculation precision are great. When is greater than 12, critical penetration velocity is near the experimental value. Based on the result that the projectile can penetrate into the steel armor plate, the detonation progress of TNT by projectile was researched with an experiment, and the result showed that the small armor-piercing multi-role projectile had the ability to detonate TNT charge.

anti-aircraft artillery; penetration; detonation; simulation

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.008

2015-09-25

田亞鋒(1985—)，男，工程師，主要從事機械結(jié)構(gòu)總體技術(shù)及彈藥高效毀傷研究。E-mail：tianyafeng19870325@163.com

TJ410.3

A

1673-6524(2016)04-0035-03