基于AUTODYN的明膠靶彈道仿真研究

邵長順，孟祥光，孔祥磊，李洪奎，劉雪婷，岳學民

(1.國營945廠 研發(fā)中心,山東 淄博 255075;2.國營945廠 檢驗處,山東 淄博 255075; 3.山東理工大學 數(shù)學與統(tǒng)計學院,山東 淄博 255049;4.山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255049;5.國營945廠 技術處,山東 淄博 255075)

低貫徹彈發(fā)展至今，基本集中在速度較低的手槍彈范疇，至今為止，常見的結(jié)構有兩種：一種是軟尖結(jié)構，另一種是空心結(jié)構。低貫徹彈的作用原理是彈頭進入目標之后，頭部受到很大的阻力，急速膨脹變形，彈頭與目標的作用面積加大，導致彈頭所受阻力加大，根據(jù)動能定理，彈頭貫徹深度變小，最終實現(xiàn)手槍彈低貫徹的效果。目前，國內(nèi)外對步槍彈低貫徹技術的研究停留在初始階段，主要原因是：手槍彈的速度一般在200～350 m/s，低于步槍彈750～950 m/s的速度；手槍彈頭部為鈍頭或球形，而步槍彈頭部為尖弧形；手槍彈長徑比為4～6，而步槍彈長徑比僅為2左右。國外對低貫徹步槍彈做過很多仿真，Salisbury等[1]采用SHPB的方法研究了明膠在各種應變率前提下，其應力和應變之間的關系。Ndompetelo等[2]基于試驗研究采用有限元軟件AUTODYN模擬了鋼球侵入彈道肥皂的動力學過程。Datoc[3]使用LS-DYNA仿真軟件模擬手槍彈貫徹明膠靶標的作用過程，并且采用不同材料本構時的明膠對仿真結(jié)果的影響進行了分析。Koene等[4]通過試驗與仿真分別對球形殺傷元以較低速度撞擊明膠的過程進行分析。目前，國內(nèi)外僅能采用軟件仿真的方法研究步槍彈的終點效應。本文主要對3個方案模型在明膠中的速度、加速度和貫徹深度進行分析，并加以試驗驗證。

1 仿真模型的建立

ANSYS AUTODYN作為顯示動力學分析軟件，以顯示求解為主，另外有隱式求解，其主要算法是拉格朗日算法，另外配有歐拉和ALE算法，可以模擬高速沖、貫徹等非線性動力學問題，在國防領域與彈道仿真方面應用廣泛。

本文主要從普通正裝結(jié)構、普通反裝結(jié)構、鉛芯重量改變的反裝結(jié)構3個方面建立模型。圖1顯示方案1的彈頭結(jié)構，位置1采用F11鋼，位置2采用鉛Pb-4，位置3空心。圖2顯示方案2的彈頭結(jié)構，位置1采用F11鋼，位置2采用鉛Pb-4，位置3空心。方案3中，調(diào)整圖1中位置2部分的長度和重量，尋找合適的彈頭。

圖1 方案1的彈頭結(jié)構Fig.1 Warhead structure of programme 1

圖2 方案2的彈頭結(jié)構Fig.2 Warhead structure of programme 2

彈頭采用材料模型JOHNSON-COOK，侵徹速度為950 m/s。由于明膠材料的應變率是由它的力學性能決定的，因此明膠有流變的性質(zhì)，所以采用線性多項式狀態(tài)方程LINEAR_POLYNOMIAL 對其在貫徹體作用下的變形響應進行描述，并且材料也有流體的彈性及固體塑性特征，因此本文選用AUTODYN 中的材料模型MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO 對其進行模擬[5]。采用彈頭和明膠靶板尺寸建立有限元模型。設明膠尺寸40 cm ×25 cm ×25 cm，并對其進行網(wǎng)格劃分，采用拉格朗日算法，彈頭與明膠的接觸采用面面侵蝕(ERODING_SURFACE_TO_SUR FACE)接觸[6]。各原材料的參數(shù)見表1。

表1 原材料的參數(shù)
Tab.1 Parameters of raw material

序號材料密度/g·cm-3彈性模量/GPa泊松比1被甲7.922000.32鉛芯11.34170.42

2 仿真結(jié)果及分析

采用彈頭垂直入侵明膠靶的方式對方案1—方案3進行模擬仿真。方案1從入侵明膠到彈頭停止歷時0.08 ms，開始破碎時間為0.04 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖3所示。方案2從入侵明膠到彈頭停止歷時0.12 ms，開始破碎時間為0.06 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖4所示。方案3從入侵明膠到彈頭停止歷時0.10 ms，開始破碎時間為0.04 ms，最終彈頭狀態(tài)如圖5所示。

圖3 方案1的 彈頭狀態(tài)Fig.3 Warhead state of programme 1

圖4 方案2的 彈頭狀態(tài)Fig.4 Warhead state of programme 2

圖5 方案3的彈頭狀態(tài)Fig.5 Warhead state of programme 3

3個方案的質(zhì)心距彈底距離百分比、貫徹時間、貫徹深度和貫徹最大加速度見表2。

表2 3個方案貫徹效果對比表
Tab.2 The contrast table of penetration effect of three plans

方案號質(zhì)心距彈底距離百分比/%貫徹時間/ms貫徹深度/cm最大加速度/mm·ms-2139.50.08255 000239.50.12354 000339.70.09283 500

由仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論：

1) 彈頭在明膠中的阻力和其結(jié)構特征使得彈頭在明膠中破碎，彈頭與明膠接觸面積增加，使得明膠受到的阻力變大，因此彈頭在明膠靶標中全面破碎。

2)對比方案1—方案3，其質(zhì)心距彈底距離的百分比分別為：39.5%、39.5%和39.7%。對于方案1和方案2，質(zhì)心距彈底距離的百分比相同，而結(jié)構不同，方案1是反裝結(jié)構，方案2是正裝結(jié)構；從貫徹時間和貫徹深度來看，反裝結(jié)構更利于設計方案的選擇。對于方案1和方案3，都采用反裝結(jié)構，但是質(zhì)心距彈底百分比不同；仿真結(jié)果顯示，質(zhì)心也是制約破碎貫徹效果的一個重要因素，質(zhì)心位置后移時彈頭破碎會提前。按照低貫徹彈的使用要求，在確保殺傷威力的同時，最大程度地減小貫徹深度，參考彈頭破碎機制和影響因素分析的研究結(jié)論，可以得出控制貫徹的途徑有兩個：(1)采取使彈頭質(zhì)心后移的方法來增大彈頭的加速度，讓彈頭破碎時間提前。(2)采取合理的結(jié)構保證彈頭的破碎，減小碎片的貫徹深度。

3 試驗研究

在方案1的基礎上，對方案進行優(yōu)化設計，控制裝藥量，保證彈頭初速950 m/s，彈頭殼采取F11鋼，內(nèi)部包裹彈芯，質(zhì)心距彈底百分比為39.5%。試驗采取測速彈道槍發(fā)射槍彈，射擊距離分別為50 m和100 m，明膠靶采用4 ℃、10%濃度的靶標能很好地模擬彈頭對生物肌肉組織的侵徹殺傷效果,而且明膠靶標有較好的透明度，可以明顯獲得彈頭的貫徹效果，明膠靶尺寸設定為 35 cm × 25 cm × 25 cm，采取高靈敏度光幕靶監(jiān)測彈頭初速，初速為950±10 m/s，試驗結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 50 m貫徹效果Fig.6 The penetration effect of 50 m

圖7 100 m貫徹效果Fig.7 The penetration effect of 100 m

試驗共射擊槍彈20發(fā)，試驗結(jié)果如下：50 m射擊10發(fā)，平均穿深為27.5 cm；100 m射擊10發(fā)，平均穿深為32 cm。

與現(xiàn)有同口徑制式步槍彈相比，穿深降低了1/2左右，試驗結(jié)果實現(xiàn)了方案的設計意圖。按照美國FBI標準，貫徹10%軍用明膠，穿深不超過35.5 cm，代表對人體不產(chǎn)生過穿透。此外，彈頭在目標中破碎分解，能量全部傳遞給目標，造成較大的殺傷效果，收集的破片如圖8所示。

圖8 破片收集Fig.8 Fragment image

比較射擊距離50 m和100 m的試驗結(jié)果可知：初速相同的前提下，彈頭到達50 m時的速度降低量小于100 m時的速度降低量；射擊距離50 m時的彈頭能量比100 m時的大；能量越大，彈頭受到的沖擊力也越大，變形時間越早，與明膠接觸面積越大，受到阻力越大，彈頭穿深越小。