易碎鎢合金桿侵徹間隔靶的實(shí)驗(yàn)與仿真研究

劉鐵磊， 沈培輝， 薛建鋒

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2.航空工業(yè)洪都660所，南昌 330024)

鎢合金易碎彈是一種近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興彈藥，其主要?dú)硎抢脧楏w貫穿靶板瞬間產(chǎn)生的卸載波，將彈體瓦解成為高速的碎片，從而產(chǎn)生“瀑布”的殺傷效果[1]。它可以產(chǎn)生類(lèi)似殺爆彈預(yù)制破片的碎片，對(duì)于密閉空間人員進(jìn)行有效殺傷。相比較需裝配引信，炸藥等敏感部件的普通殺爆彈而言，易碎彈的安全性和可靠性較高。國(guó)內(nèi)對(duì)此也進(jìn)行研究，杜忠華等[2]曾對(duì)不同材料特性的易碎鎢合金彈芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并得出抗拉強(qiáng)度，延伸率，斷面收縮率低的材料，易碎效果好的結(jié)論；章程浩等[3]對(duì)不同密度的易碎彈侵徹靶板進(jìn)行了仿真模擬，得出了彈丸密度越大，變形能越大，彈丸破碎程度越大的結(jié)論。李林慶等[4-5]則從易碎材料特點(diǎn)的角度出發(fā)，對(duì)易碎彈破碎理論加以論述，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。由此可見(jiàn)，易碎彈已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)工程化，即將進(jìn)入產(chǎn)品應(yīng)用階段。然而目前對(duì)于易碎彈的理論研究多停留在侵徹單層靶板上，對(duì)于多層間隔靶的侵徹研究則較少。由于單層板對(duì)于毀傷效果評(píng)估有限，需要多層間隔靶以模擬工事內(nèi)部防護(hù)物對(duì)碎片的抵擋作用，故易碎彈侵徹多層間隔靶的研究具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

裝甲靶和間隔靶的布置如圖1所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，彈丸首先侵徹60°斜裝甲鋼板，在穿過(guò)裝甲鋼后，易碎彈形成的碎片云將繼續(xù)侵徹5層斜置10°的間隔靶板，而各間隔靶上產(chǎn)生的孔徑數(shù)目和變形情況則反映易碎彈毀傷能力大小。圖2是試驗(yàn)采用的易碎彈，該彈由易碎鎢合金制成，在侵徹厚鋼甲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的碎片。

圖1 試驗(yàn)布靶示意圖Fig.1 The position of the test target

圖2 試驗(yàn)所采用的易碎彈Fig.2 A fragile projectile used in the experiment

圖3是易碎彈對(duì)厚鋼靶侵徹的破壞情況。從圖中可知，彈丸在侵徹裝甲鋼時(shí)，其正面開(kāi)坑較大，而靶后開(kāi)坑較小，呈現(xiàn)沖塞型破壞特征，但沖塞體較小，與傳統(tǒng)穿甲彈的破壞特征有較大的差別，其中亮白色為鋁風(fēng)帽撞擊靶板留下的痕跡。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝甲靶板破壞圖Fig.3 Experiment armored target plate damage

圖4為易碎彈碎片侵徹間隔靶的破壞情況。其中A組靶板是易碎彈在1 087 m/s下的破壞情況；B組靶板是易碎彈在960 m/s下的破壞情況。1～5表示靶板在靶架上的相對(duì)位置，其中1號(hào)靶距離炮口最近。從圖4以及表1可以看出同組試驗(yàn)的五塊間隔靶中，第一塊間隔靶的變形破壞程度最大，而最后一塊間隔靶的破壞程度最小，前三塊靶，均留有多個(gè)穿孔，這與董永香等[6-8]所做的普通穿甲彈侵徹間隔靶實(shí)驗(yàn)的破壞特征完全不同。表明易碎彈在侵徹厚裝甲鋼靶后，產(chǎn)生了大量質(zhì)量不等的碎片，其中少數(shù)較大的碎片穿透鋼板，而大部分的小碎片被第一塊間隔靶板所擋，而使間隔靶板產(chǎn)生變形。各板穿孔的形狀大小不同，從第一塊隔板開(kāi)始，孔徑呈遞減的趨勢(shì)變化；各板形成的穿孔位置也有較大的差異，表明在穿孔過(guò)程中，較大的碎片因撞擊而產(chǎn)生了二次分裂，且每撞擊間隔靶板一次，碎片發(fā)生一次分裂，直到分裂的碎片再也無(wú)法貫穿靶板。對(duì)兩發(fā)彈侵徹靶板所形成的穿孔數(shù)和穿孔大小進(jìn)行對(duì)比，表明初速越高，易碎彈的破碎情況越嚴(yán)重。同時(shí)，穿孔數(shù)目表明：易碎彈的初速越高，靶板的破壞效果越好。

圖4 間隔靶破壞圖Fig.4 Interval target damage

初速穿透靶數(shù)各靶主要穿孔數(shù)第1靶第2靶第3靶第4靶第5靶A組1 087588322B組960477420

2 數(shù)值計(jì)算

通過(guò)設(shè)置不同的初始條件，對(duì)易碎彈侵徹間隔靶進(jìn)行分析。由于易碎彈在撞擊厚靶板后會(huì)發(fā)生破碎，且碎片在撞擊間隔板時(shí)會(huì)發(fā)生二次破碎。傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法對(duì)此無(wú)能為力，因此需要采用數(shù)值仿真的方法對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。

2.1 數(shù)值仿真進(jìn)展

對(duì)于碎片云侵徹靶板的仿真，一直以來(lái)都是研究熱點(diǎn)，其主要有三種類(lèi)型。付塍強(qiáng)等[9]運(yùn)用軟件BADSIT模擬了桿彈撞擊靶板，靶后后效破片的產(chǎn)生。從其仿真圖片和實(shí)驗(yàn)圖片對(duì)比的情況可以看出，其結(jié)果還是相當(dāng)真實(shí)的,但國(guó)內(nèi)介紹該方法的文獻(xiàn)較少;鄧云飛等[10]運(yùn)用有限元軟件，通過(guò)假設(shè)破片的形狀和撞擊角度，模擬破片對(duì)靶板的毀傷的方法為目前研究破片殺傷的主流方法。該方法簡(jiǎn)單，直觀，對(duì)單一破片侵徹靶板的計(jì)算準(zhǔn)確度高。但是囿于有限元方法失效準(zhǔn)則的固有缺陷，該方法不能模擬破片產(chǎn)生的過(guò)程，因此對(duì)于破片云毀傷的模擬效果大打折扣；榮吉利等[11]采用光滑粒子法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)模擬鎢合金易碎彈侵徹有機(jī)玻璃是目前看來(lái)，碎片效果最好的思路，可以模擬碎片產(chǎn)生的過(guò)程。但采用全SPH法模擬侵徹過(guò)程，計(jì)算效率較低，且計(jì)算精度不高，特別反映在對(duì)靶板的破壞上。針對(duì)上述不足，擬采用FEM(Finite Element Method)-SPH耦合的方法，即彈丸采用SPH建模，以模擬其侵蝕破碎的過(guò)程；靶板采用有限元模型，模擬其變形破壞的過(guò)程。

在高速侵徹學(xué)科，采用FEM-SPH耦合方法模擬彈丸侵徹靶板的過(guò)程已有不少學(xué)者應(yīng)用。張志春等[12]便利用該方法對(duì)球頭彈沖擊鋼板的過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算，但相比較FEM法而言，該方法應(yīng)用較少，主要是因?yàn)閷?duì)于單純的侵徹計(jì)算，F(xiàn)EM法已經(jīng)相當(dāng)成熟，且計(jì)算精度也較高。然而涉及到彈丸碎片云的產(chǎn)生問(wèn)題，F(xiàn)EM-SPH耦合方法具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

2.2 數(shù)值仿真過(guò)程

本文進(jìn)行了多組數(shù)值仿真。仿真模型如圖5所示，模型包括彈體，厚鋼靶，薄間隔靶。為了減少模型大小，縮短計(jì)算時(shí)間，對(duì)靶的長(zhǎng)寬尺寸做了一定的縮小。其中彈丸直徑25 mm，與實(shí)驗(yàn)彈丸相同。厚鋼板尺寸為：120 mm×120 mm×40 mm，薄鋼板尺寸為200 mm×200 mm×2 mm。仿真涉及到的主要材料參數(shù)如表2所示。其中易碎鎢合金的部分材料參數(shù)由之前所做的實(shí)驗(yàn)測(cè)得.其余材料參數(shù)源自實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。為保證計(jì)算精度，仿真采用三維模型建模，并通過(guò)DYNA求解器計(jì)算。

在仿真中，彈和靶均采用JOHNSON-COOK本構(gòu)模型。該模型是描述材料在大變形、高應(yīng)變率和高溫條件下的本構(gòu)模型，適用于許多材料,包括大部分金屬材料。計(jì)算采用Gruneisen狀態(tài)方程，關(guān)于本構(gòu)方程和狀態(tài)方程的形式，參考文獻(xiàn)[13]均已給出，此處不再詳述。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

材料ρ/(g·cm-3)E/GPaμA/MPa易碎鎢17.63.500.284300普通鎢17.63.500.2841 510鋼靶7.830.770.22350材料B/MPaCmn易碎鎢1770.08010.12普通鎢1770.08010.12鋼靶300.0141.030.12材料Tmelt/kTroom/k易碎鎢1 450294普通鎢1 450294鋼靶1 760294

為了排除SPH方法本身對(duì)結(jié)果的干擾。首先對(duì)普通鎢合金穿甲彈對(duì)多層靶侵徹進(jìn)行了模擬，仿真結(jié)果如圖6所示，彈丸初始速度為1 087 m/s。

圖6 普通穿甲彈侵徹仿真Fig.6 Penetration simulation of ordinary armor piercing projectile

同樣的方法，對(duì)易碎彈在1 087 m/s和960 m/s兩個(gè)速度下對(duì)靶板的侵徹進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 初速1 087 m/s易碎彈侵徹仿真Fig.7 Initial velocity 1 087 m/s fragile projectile penetration simulation

圖8 初速960 m/s易碎彈侵徹仿真Fig.8 Initial velocity 960 m/s fragile projectile penetration simulation

圖6～圖8充分地反映了普通穿甲彈和易碎彈在不同速度下對(duì)間隔靶板的破壞情況。首先對(duì)比三個(gè)仿真的薄板侵徹前時(shí)刻，即各組圖(a)的圖片，可以看出易碎彈高速侵徹厚靶板時(shí)產(chǎn)生的碎片數(shù)較低速侵徹時(shí)多，這與實(shí)驗(yàn)中初速越高，易碎彈的破壞效果越好的結(jié)論相互印證。比較各組仿真中間隔靶的侵徹結(jié)果，可以較為直觀地看出普通鎢合金彈丸對(duì)五組間隔靶均實(shí)現(xiàn)有效貫穿，且貫穿后仍然存在較大塊的侵徹殘?bào)w；易碎彈則均未能對(duì)第五組間隔靶實(shí)現(xiàn)貫穿，且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)殘留體存在，證明經(jīng)過(guò)撞擊各間隔靶后，易碎彈已充分破碎。

對(duì)于各靶板破壞的評(píng)估，僅憑肉眼觀察穿孔形成的大小和數(shù)目是不準(zhǔn)確的。因?yàn)樗槠漠a(chǎn)生具有隨機(jī)性，而且其大小和數(shù)目也往往不對(duì)等。因此需要一個(gè)更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

彈丸對(duì)于間隔靶板的破壞，主要表征為兩種形式：穿孔和變形。在侵徹過(guò)程中，當(dāng)彈丸穿孔時(shí)，會(huì)有一部分靶板受剪切作用飛出，導(dǎo)致靶板質(zhì)量減少；碎片云作用于靶板表面，導(dǎo)致靶板發(fā)生變形，使靶板面積增加。故在此提出以靶板質(zhì)量和靶板面積兩個(gè)指標(biāo)作為靶板破壞判據(jù)。

Ls-Prepost后處理軟件中的Measure模塊可以計(jì)算各靶版的面積和質(zhì)量的變化情況。為了消除量綱所帶來(lái)的差異性，將所計(jì)算的數(shù)據(jù)與初始時(shí)刻數(shù)據(jù)相除，從而消去量綱。

結(jié)果如圖9和10所示，從左至右，依次是1～5靶特征變化曲線(xiàn)，相鄰靶板曲線(xiàn)以虛線(xiàn)區(qū)分。

圖9 彈丸侵徹時(shí)各間隔靶板質(zhì)量Fig.9 The quality of the intervals target plates at projectile penetrating

圖10 彈丸侵徹時(shí)各間隔靶板面積Fig.10 The area of the intervals target plates at projectile penetrating

圖9是靶板隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖。比較圖9(a)～圖9(c)，可以發(fā)現(xiàn)前三靶的質(zhì)量損失均有

mass1 087,loss>mass普通，loss

(1)

mass1 087,loss>mass960，loss

(2)

后兩靶的質(zhì)量損失大致為

mass普通,loss>mass1 087，loss

(3)

mass960,loss>mass1 087，loss

(4)

定性地反映出易碎彈對(duì)于厚靶后的目標(biāo)的破壞能力強(qiáng)，但連續(xù)侵徹能力不如普通穿甲彈。且易碎彈的初速越高，破壞效果越好，但連續(xù)侵徹能力越弱。

圖10為靶板面積隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖。靶板面積的變化實(shí)質(zhì)上反映了靶板變形程度，同樣分析前三塊靶板，有規(guī)律

area1 087，expand>area普通，expand

(5)

area1 087，expand>area960，expand

(6)

后兩塊靶板的面積變化為

area1 087，expand≈area普通，expand

(7)

area960，expand≥area1 087，expand

(8)

上式反映出對(duì)于前三塊靶版，易碎彈對(duì)靶板的變形作用大于普通彈，且初速越大，靶板變形程度越大。這一現(xiàn)象反映了易碎彈在侵徹靶板時(shí)，會(huì)發(fā)生分裂現(xiàn)象。多個(gè)碎片撞擊靶板，使其面積顯著增加。在后兩塊板，易碎彈對(duì)靶板產(chǎn)生的變形作用與普通彈相比差異性不大，且速度作用不明顯。

圖9和圖10中，關(guān)于靶板質(zhì)量與面積變化的定量化數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 侵徹后間隔靶板質(zhì)量與面積變化Tab.3 Changes in the mass and area of the target plate after the penetrating interval %

表3結(jié)果定量地反映了不同彈丸對(duì)靶板破壞的程度。若將穿孔和變形效應(yīng)疊加，即將無(wú)量綱質(zhì)量和面積疊加，兩者之和可定義為破壞指數(shù)，則各靶板的破壞指數(shù)如表4所示。

表4 間隔靶破壞指數(shù)Tab.4 Interval target destruction index %

表4可以看出，相同速度下，易碎彈對(duì)前三塊間隔板的破壞指數(shù)顯著高于普通彈，證明易碎彈厚靶后的破碎效果更好。且初速越高，易碎彈對(duì)于前三塊靶板的破壞效果越好，這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相互印證。

3 易碎彈破壞過(guò)程分析

試驗(yàn)和仿真完美地呈現(xiàn)易碎彈對(duì)間隔靶板的破壞過(guò)程，據(jù)此可以大致勾勒出易碎彈的破壞過(guò)程：易碎彈在侵徹間隔靶時(shí)，遵循破碎—侵徹—破碎的過(guò)程。Andrew等[14]研究了鋁球撞擊鋁板，產(chǎn)生大量碎片云的過(guò)程，其產(chǎn)生的碎片云分布與易碎彈碎片云極為類(lèi)似。在侵徹過(guò)程中，彈丸將破碎為前，中，后三個(gè)部分，其中中間區(qū)域由內(nèi)部的彈丸碎片和包裹在外的靶板碎片組成，是起貫穿作用的主要部分。前，后兩個(gè)部分的碎片較小，而數(shù)目較多，對(duì)靶板起著變形，擴(kuò)孔的作用。易碎彈的破碎程度和其拉伸強(qiáng)度相關(guān)，也和初速相關(guān)，其拉伸強(qiáng)度越小，則破碎越嚴(yán)重；初速越大，破碎越嚴(yán)重。

彈丸因卸載波作用而第一次破碎，華志敏等[15]模擬了彈丸第一次破碎的過(guò)程。尓后，較大的碎片在再次侵徹靶板時(shí)，會(huì)發(fā)生連續(xù)破碎，如圖11所示。一部分具有較大能量的碎片在接觸靶板后，對(duì)靶板實(shí)現(xiàn)了貫穿，同時(shí)受撞擊作用，繼續(xù)分裂為小的碎片。而其余大量的微小碎片則被靶板所阻隔，在使靶板發(fā)生變形的同時(shí)，其自身也被彈回。直到所有碎片具有的動(dòng)能不再對(duì)靶板起貫穿作用時(shí)，易碎彈侵徹過(guò)程停止。

圖11 碎片云撞擊間隔靶板發(fā)生二次破碎過(guò)程Fig.11 Fragmentation of debris hits two target breaking processes

4 結(jié) 論

本文通過(guò)試驗(yàn)和仿真，對(duì)不同初速易碎彈侵徹間隔靶板的過(guò)程進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初速越高，靶板的破壞程度越高。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了數(shù)值仿真 。同時(shí)增加了普通彈作為對(duì)照組，比較易碎彈和普通彈的毀傷效果。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，證明FEM-SPH耦合仿真方法是可行的，同時(shí)也證明了相同初速下的易碎彈較普通彈的靶后效應(yīng)更加嚴(yán)重。仿真采用了靶板的面積/質(zhì)量變化程度作為評(píng)定毀傷程度的判據(jù)，可為今后易碎彈仿真的毀傷評(píng)估提供參考。