王永亮,王雨時,李德才,張志彪,王光宇,聞 泉

(1 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094； 2 中國兵器裝備集團(tuán)公司第121廠, 黑龍江牡丹江 157013)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器戰(zhàn)術(shù)性能的不斷提高和作戰(zhàn)環(huán)境更加嚴(yán)酷,對武器彈藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲存及戰(zhàn)場環(huán)境下的安全性要求越來越高。北約提出的不敏感彈藥概念及其評估試驗標(biāo)準(zhǔn)體系STANAG4241目前得到了國內(nèi)的廣泛關(guān)注和普遍認(rèn)同。該評估試驗標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的槍彈射擊試驗(簡稱槍擊試驗)是采用美國12.7 mm口徑M2穿甲彈對試樣進(jìn)行連續(xù)3次射擊,用于模擬彈藥在儲運(yùn)和戰(zhàn)備狀態(tài)下受到輕武器攻擊的反應(yīng)程度。該槍彈的撞擊速度為(850±20) m/s、射速為(600±50) 發(fā)/min,要求發(fā)射間隔為(80±40) ms[1]。國內(nèi)槍擊試驗均采用國產(chǎn)12.7 mm口徑的穿甲燃燒槍彈[2-8],但是未見有考慮國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈在結(jié)構(gòu)方面的差異及其對槍擊試驗結(jié)果的影響。針對此問題,文中采用ANSYS/LS-DYNA商業(yè)仿真軟件分別對國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹過程進(jìn)行數(shù)值仿真,對不同情形得到的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行比較,為完善我國不敏感彈藥槍彈射擊試驗標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈對比

國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈由鋼芯、彈頭殼、鉛套和燃燒劑四部分組成,美國M2穿甲彈由鋼芯、彈頭殼和燃燒劑三部分組成,如圖1所示。

圖1 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈與美國M2穿甲彈對比

文獻(xiàn)[9]給出國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈性能數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2式穿甲彈性能數(shù)據(jù)

國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈比美國M2穿甲彈多了鉛套部分,前者彈頭比后者長4.8 mm左右。國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈鋼芯形狀是尖頭,美國M2穿甲彈鋼芯形狀是平頭,兩者鋼芯直徑相差無幾,前者鋼芯長度比后者鋼芯長度大4.8 mm左右,因此國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈鋼芯比美國M2穿甲彈鋼芯質(zhì)量大4.56 g左右。國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈彈頭殼比美國M2穿甲彈彈頭殼長8.65 mm左右,但是前者彈頭殼厚度比后者彈頭殼厚度小0.43 mm左右,而且前者彈頭殼材料為鋼,后者彈頭殼材料為黃銅,因此國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈彈頭殼質(zhì)量比美國M2穿甲彈彈頭殼質(zhì)量小4.7 g左右。

2 不敏感彈藥槍擊試驗方法數(shù)值仿真

2.1 數(shù)值仿真研究思路

在槍擊試驗中,鋼芯擊穿彈頭殼進(jìn)入主裝藥或?qū)П?、傳爆?有可能使主裝藥或?qū)П?、傳爆藥發(fā)生反應(yīng)。由于多數(shù)彈體和引信體都采用鋼材料,故采用45鋼靶板作為被侵徹對象,以彈頭侵徹靶板后的剩余動能作為進(jìn)入主裝藥或?qū)П帯鞅巸?nèi)的能量。采用ANSYS/LS-DYNA仿真軟件對國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈以不同攻角侵徹不同厚度的靶板進(jìn)行數(shù)值仿真,比較不同情形下國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹后的剩余動能。

2.2 有限元仿真模型建立

國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈有限元模型如圖2所示,美國M2穿甲彈有限元模型如圖3所示；45鋼靶板有限元模型如圖4所示。彈頭與靶板相比尺寸較小,彈頭侵徹靶板過程中,靶板四周受彈頭作用很小。為了提高計算效率,在建模時將靶板受彈頭作用的中心區(qū)域網(wǎng)格劃分較為密集,而其他區(qū)域網(wǎng)格劃分較為稀疏,同時對網(wǎng)格密集區(qū)域和網(wǎng)格稀疏區(qū)域進(jìn)行了過渡處理。彈頭各組分間的接觸形式設(shè)置為面面自動接觸；彈頭與靶板間是侵徹與被侵徹的關(guān)系,接觸形式設(shè)置為面面侵蝕接觸。在靶板邊界定義非反射邊界,采用八節(jié)點六面體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。

圖2 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈有限元模型

圖3 美國M2穿甲彈有限元模型

圖4 靶板有限元模型

在彈頭侵徹模擬過程中,作如下假設(shè)：

1)忽略彈頭自身重力影響；2)忽略空氣阻力；3)彈頭殼和彈頭內(nèi)部填充物是均質(zhì)的；4)侵徹過程中,靶板受影響的區(qū)域只考慮與彈頭直接和間接接觸的區(qū)域,其余部分的影響可以忽略；5)忽略靶板的剛體運(yùn)動；6)忽略熱效應(yīng),比如沖擊過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力；7)所有靶板表面都是均質(zhì)的平面；8)靶板在撞擊前內(nèi)部應(yīng)力為零。

2.3 材料模型與參數(shù)

國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的鋼芯材料均為T12A冷拉碳素工具鋼或其他相近鋼號,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈的鉛套材料為鉛、彈頭殼材料為優(yōu)質(zhì)低碳薄鋼片,美國M2穿甲彈彈頭殼材料為H90黃銅,靶板材料為45鋼。鋼芯、鉛套、彈頭殼和45鋼靶板采用Johnson-Cook模型；燃燒劑用等效密度的土壤代替,采用泡沫材料模型。各材料模型參數(shù)如表2所列。

表2 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈仿真用材料模型參數(shù)[10-12]

2.4 仿真可信性說明

文獻(xiàn)[13]用國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈在彈頭傾角為0°的情形下對6 mm厚的碳化硅陶瓷進(jìn)行抗彈性能靶板試驗。文中采用ANSYS/LS-DYNA商業(yè)仿真軟件建立與該試驗相同的仿真模型并選用相近的材料模型參數(shù),所得仿真結(jié)果與抗彈性能靶板試驗結(jié)果對比見表3。

表3 抗彈性能靶板試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

表3說明文中建立的仿真模型、所用仿真參數(shù)和仿真結(jié)果基本上可信。

3 仿真結(jié)果及其分析

3.1 彈頭轉(zhuǎn)速對侵徹結(jié)果的影響

槍擊試驗中,樣彈位置距離槍口很近,因此槍口速度近似為彈頭撞擊時的速度,利用內(nèi)彈道計算公式計算出槍口時刻轉(zhuǎn)速,即可近似為彈頭撞擊時的轉(zhuǎn)速。

文獻(xiàn)[14]給出了等齊膛線時,彈頭轉(zhuǎn)速ω與速度v之間的關(guān)系式：

(1)

式中:h為膛線纏距；ω為彈頭轉(zhuǎn)速；v為彈頭速度。

文獻(xiàn)[9]給出國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈膛線纏距為380 mm,美國M2穿甲彈膛線纏距為381 mm。速度為850 m/s時,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈轉(zhuǎn)速為14 054 rad/s,美國M2穿甲燃燒槍彈轉(zhuǎn)速為14 018 rad/s,兩者幾乎完全相同。

以往有關(guān)國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹靶板的數(shù)值仿真研究都是忽略轉(zhuǎn)速的影響,即在數(shù)值仿真時只施加了彈頭速度,而沒有施加彈頭轉(zhuǎn)速[13,15-16]。為了研究國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在數(shù)值仿真時忽略轉(zhuǎn)速對侵徹結(jié)果的影響,用未施加轉(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈和施加轉(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈分別以850 m/s的速度對5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板進(jìn)行侵徹數(shù)值仿真,對侵徹后的剩余動能進(jìn)行比較,結(jié)果如表4所列。

表4 有無轉(zhuǎn)速的彈頭侵徹45鋼靶板后的剩余動能 kJ

由表4可知,施加轉(zhuǎn)速后,侵徹45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大,因而都不能忽略轉(zhuǎn)速的影響,即在數(shù)值仿真時既要施加彈頭速度,又要施加彈頭轉(zhuǎn)速。

3.2 將彈頭簡化成裸鋼芯對侵徹結(jié)果的影響

文獻(xiàn)[13]指出彈頭穿甲侵徹靶板過程中,主要是鋼芯起侵徹作用,因此在其數(shù)值仿真過程中僅考慮了鋼芯的作用,忽略其余部分,但是沒有給出相關(guān)的可信性證明。為了研究國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在穿甲侵徹靶板過程中能否簡化成裸鋼芯,分別用施加轉(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、簡化后的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈以及簡化后的美國M2穿甲彈裸鋼芯以850 m/s的速度模擬侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板,侵徹后的剩余動能如表5所列。

表5 不同彈頭模型侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真結(jié)果 kJ

由表5可知,簡化后的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈裸鋼芯與國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈相比,分別侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大。隨著45鋼靶板厚度的增加,剩余動能的差別越來越小。因此,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在進(jìn)行穿甲侵徹靶板數(shù)值仿真時一般不宜僅考慮鋼芯的穿甲作用,即在建模時一般不能簡化為裸鋼芯。

3.3 彈頭各部分對侵徹結(jié)果的影響

既然彈頭在進(jìn)行穿甲侵徹靶板數(shù)值仿真時不能簡化為裸鋼芯建模,那么彈頭中除鋼芯以外的其他部分也起到了一定的穿甲作用。為了研究國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈各部分對侵徹結(jié)果的影響,擬定了4種不同建模方案,分別以850 m/s的速度和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速對5 mm厚的45鋼靶板進(jìn)行侵徹數(shù)值仿真,并對彈頭侵徹后的剩余動能進(jìn)行比較,如表6所列。

方案一建模時國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈各部分均保留；方案二建模時國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈均去除燃燒劑部分；方案三建模時國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈去除鉛套部分；方案四建模時國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈均去除彈頭殼部分。各方案仿真模型剖面圖如圖5所示。

圖5 各方案仿真模型剖面圖

表6 不同建模方案下彈頭侵徹靶板后的剩余動能仿真結(jié)果

由表6可知,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈的鉛套和燃燒劑部分對穿甲侵徹作用的影響很小,美國M2穿甲彈的燃燒劑部分對穿甲侵徹作用的影響也很小,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的彈頭殼部分對穿甲侵徹作用的影響很大,說明彈頭殼有一定的穿甲侵徹作用,不能在仿真研究中忽略。

3.4 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)槍擊試驗的可行性分析

文獻(xiàn)[9]給出國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈制式初速為810～825 m/s(工程上可通過改變裝藥量來調(diào)整)。北約不敏感彈藥評估試驗標(biāo)準(zhǔn)體系STANAG4241規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)槍擊試驗中美國M2穿甲彈速度為(850±20)m/s。由上文數(shù)值仿真結(jié)果可知,彈頭侵徹模型不能簡化為鋼芯,轉(zhuǎn)速對侵徹結(jié)果的影響也不能忽略,因此用施加速度和轉(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈分別對5 mm、10 mm和15 mm厚的45鋼靶板進(jìn)行侵徹數(shù)值仿真,對侵徹后的剩余動能進(jìn)行比較,結(jié)果如表7所列。

由表7可知,速度為818～850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm和10 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能,速度為834 m/s和850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm、10 mm和15 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。因此,用速度為810～825 m/s的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行槍彈試驗是不可靠的,而用12.7 mm口徑的彈道槍槍口速度為834 m/s以上的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行槍擊試驗是保守可行的。

表7 國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真結(jié)果 kJ

3.5 彈頭攻角對侵徹結(jié)果的影響

彈頭在飛行過程中,由于脫殼、重力和氣動等因素的影響,很難實現(xiàn)理想的垂直著靶姿態(tài)[17-20],彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角。為了研究彈頭攻角對侵徹結(jié)果的影響,分別用速度為834 m/s和850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈以及速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈在不同攻角狀態(tài)下分別對5 mm厚的45鋼靶板進(jìn)行侵徹數(shù)值仿真,對侵徹后的剩余動能進(jìn)行比較,結(jié)果如表8所列。

表8 不同彈頭在不同攻角狀態(tài)下侵徹45鋼靶板后的剩余動能仿真 kJ

由表8可知,彈頭攻角不超過5°時,對國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能影響不大。攻角相同時,速度為834 m/s和850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。因此,盡管彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角,但是以速度為834 m/s以上的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行槍彈試驗依然是保守可行的。

4 結(jié)論

文中采用ANSYS/LS-DYNA商業(yè)仿真軟件分別對不敏感彈藥槍擊試驗的主要過程即國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹鋼板的過程進(jìn)行數(shù)值仿真,在驗證了可信性的基礎(chǔ)上,分析不同情形下彈頭侵徹45鋼靶板后的剩余動能,得出以下結(jié)論：

1)施加轉(zhuǎn)速后,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能變小,差別較大,因而都不能忽略轉(zhuǎn)速的影響。

2)國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈裸鋼芯、美國M2穿甲彈裸鋼芯與國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈、美國M2穿甲彈相比,侵徹45鋼靶板后的剩余動能更小,差別較大。因此,國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈在進(jìn)行穿甲侵徹靶板數(shù)值仿真時一般不宜僅考慮鋼芯的穿甲作用,即在建模時一般不能簡化為單一的裸鋼芯。

3)國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈的彈頭殼部分有一定的穿甲侵徹作用,不能在仿真研究中忽略；其余部分對穿甲侵徹作用的影響很小,可以忽略。

4)速度為834 m/s和850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹不同厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。

5)彈頭在侵徹靶板時通常都具有不超過5°的攻角,但是對國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈和美國M2穿甲彈侵徹45鋼靶板后的剩余動能影響不大。攻角相同時,速度為834 m/s以上且?guī)в修D(zhuǎn)速的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈侵徹5 mm厚度45鋼靶板后的剩余動能均大于速度為850 m/s且?guī)в修D(zhuǎn)速的美國M2穿甲彈侵徹靶板后的剩余動能。

因此,用速度為810～825 m/s的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行不敏感彈藥槍擊試驗所得結(jié)論并不可信,可能是偏于冒進(jìn)的。而用12.7 mm口徑的彈道槍槍口速度為834 m/s以上的國產(chǎn)12.7 mm穿甲燃燒槍彈代替美國M2穿甲彈進(jìn)行不敏感彈藥槍擊試驗是可行但有可能是保守的。