槍榴彈侵徹木靶板時前沖過載特性仿真研究

李來福，王雨時

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

槍榴彈侵徹木靶板時前沖過載特性仿真研究

李來福，王雨時

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

為給槍榴彈機械觸發引信性能優化設計提供參考，利用LS-DYNA軟件仿真截錐形彈頭不同端面直徑的槍榴彈以不同著角侵徹不同厚度木質薄靶板過程，得到了彈丸頭部在貫穿靶板過程中彈丸前沖過載系數和彈丸速度。結果表明：著角、彈頭端面直徑、靶板厚度不同時，彈丸侵徹過程中前沖過載系數變化和速度變化不同；彈丸最大前沖過載系數出現在彈丸垂直碰擊靶板的初始時刻；彈丸速度在侵徹初始階段衰減最快。在靶場射擊試驗考核引信觸發作用靈敏度和鈍感度時，應考慮彈丸著角、立靶姿態、靶板厚度和彈頭端面直徑等因素的影響。

槍榴彈；觸發引信；侵徹；薄靶板；前沖過載；特性仿真

0 引言

靈敏度和鈍感度是機械觸發引信兩個重要指標。引信觸發作用靈敏度和鈍感度與彈丸碰擊目標時的前沖過載密切相關，工程上常用彈丸射擊薄靶板試驗來考察機械觸發引信的靈敏度和鈍感度是否滿足設計指標要求。而彈丸射擊碰撞靶板的過程即彈丸侵徹、貫穿靶板的過程。典型的射擊試驗用薄靶板有水曲柳膠合板和杉木板等。

目前，國內外關于彈丸侵徹理論研究已較深入。文獻[1]對剛性截錐形彈丸以低、中速侵徹薄靶板時的動態特性進行了理論分析和數學計算；在此基礎上文獻[2]通過考慮靶板強度效應，使建立的數學模型更適用于低速沖擊薄靶板情形。有關彈丸侵徹過程中彈丸的前沖過載研究文獻也較多。文獻[3]通過數值仿真研究了不同頭部形狀的彈丸以不同著角碰擊薄靶板時彈丸的最大前沖過載系數變化情況。文獻[4]通過仿真手段研究了小口徑穿甲爆破彈以不同著角、不同著速侵徹不同目標時彈丸前沖過載特性。目前未見有研究槍榴彈侵徹過程中前沖過載變化情況以及彈丸速度衰減情況的文獻。現就此通過仿真某40 mm槍榴彈侵徹水曲柳膠合板過程，得出彈丸前沖過載系數變化以及彈丸速度隨不同彈頭端面直徑、碰靶著角、靶板厚度的變化情況，為槍榴彈機械觸發引信靈敏度和鈍感度優化設計提供參考。

1 彈丸侵徹仿真模型

1.1 有限元模型

以質量為310 g、截錐形彈頭形狀的某40 mm槍榴彈侵徹水曲柳膠合板為例，建立有限元數值模型，彈丸碰擊靶板速度為90 m/s。將彈丸簡化為兩部分即彈體外殼和殼內填充物——土壤，根據文獻[5]可知將填充物等效為土壤對彈丸侵徹過程中的彈丸前沖過載影響較小。采用g·cm·μs單位制來建立仿真模型。采用三維實體顯示單元劃分網格，映射劃分模型網格；為減小計算時間，建立1/2模型，在對稱面上施加對稱約束，靶板邊界施加固定約束，并在靶板側表面施加非反射邊界條件，模擬無限大靶板，從而消除邊界效應。建立的彈丸和靶板有限元仿真模型如圖1所示。

彈丸侵徹靶板過程中，彈丸頭部有輕微侵蝕變形，可忽略不計。由于重點關注彈頭在侵徹靶板過程中彈丸前沖過載變化情況，同時為提高仿真效率，故對侵徹模型簡化如下：

1) 忽略彈丸自身重力的影響；

2) 忽略空氣阻力；

3) 仿真模型去掉尾翼；

4) 彈殼和彈丸內部填充物是均質的；

5) 忽略靶板在彈丸侵徹過程中的整體運動；

6) 彈丸侵徹靶板前，彈丸和靶板應力均為0；

7) 靶板為均質的；

8) 靶板表面為均勻平面。

圖1 彈丸和靶板有限元模型

1.2 材料模型

彈丸外殼材料取為7A04鋁合金，其材料仿真參數由材料模型和狀態方程描述。在LS-DYNA中采用“*MAT_JOHNSON_COOK”來定義7A04鋁合金材料；用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”來定義彈丸配重土壤模型和水曲柳膠合板。7A04鋁合金、土壤和水曲柳膠合板材料模型參數如表1和表2所列[6-8]。

表1 7A04鋁合金的Johnson-Cook材料模型參數

表2 土壤和水曲柳膠合板材料主要參數

2 仿真結果

彈丸侵徹靶板相關模型仿真參數如表3所列。

表3 侵徹模型仿真設置參數 mm

2.1 著角對前沖過載和速度的影響

以彈頭端面直徑為20 mm的彈丸侵徹3 mm厚水曲柳膠合板過程為例進行說明。彈丸以著角0°、2°、5°、10°、20°、30°、45°和60°侵徹水曲柳膠合板時，彈丸前沖過載系數變化曲線如圖2所示，彈丸速度衰減曲線如圖3所示。

圖2 不同碰靶著角時彈丸前沖過載系數變化曲線

圖3 不同碰靶著角時彈丸速度變化曲線

從圖2可看出，彈丸在垂直侵徹靶板時的最大前沖過載系數最大。當彈丸碰靶著角>0°時，最大前沖過載系數明顯減小，尤其是從0°增大到2°時，最大前沖過載系數由1949.1減小為772.9。隨著角從2°增大60°時，彈丸最大前沖過載系數變化幅度逐漸減小，最大前沖過載系數從772.9減小為255.8；最大前沖過載系數達到最大所用時間隨著碰靶著角的增大而加長；而且幾種過載系數變化曲線形狀類似。

從圖3可看出，彈丸碰靶著角(如0°、2°和5°)較小時彈丸速度先是近似線性迅速衰減，然后非線性緩慢衰減，最后速度穩定不變。而著角(30°、45°和60°)較大時，彈丸速度以非線性方式衰減；在著角較小時，彈丸速度衰減后穩定時間也基本相同。說明彈丸速度變化與彈丸所受阻抗力而導致的前沖過載系數變化是一致的。

根據文獻[2]所述截錐形彈丸侵徹靶板分為兩個過程：沖塞過程和撕裂過程；彈丸碰擊靶板初始階段為沖塞過程，之后為彈丸對靶板的撕裂過程。對比圖2和圖3可以看出：在彈丸開始垂直碰擊靶板的較短時間內其前沖過載系數迅速達到最大，彈丸速度迅速衰減；此階段對應于彈丸對靶板的沖塞剪切階段。當彈丸碰靶著角>0°時，彈丸頭部“沖塞”沖下的靶板面積不同，彈丸對靶板的擴孔大小不相同，彈丸對靶板的撕裂情況也不同，彈丸所受抗力就不同，因此彈丸最大前沖過載系數不同。但是從圖3可以得出：彈丸在0°著角下的最大前沖過載系數最大，而隨著碰靶著角從0°增大到60°時，彈丸最大前沖過載系數逐漸減小。

2.2 靶板厚度對前沖過載系數和速度的影響

彈頭端面直徑為20 mm的彈丸垂直侵徹3 mm、5mm、9mm、15mm和25mm厚水曲柳膠合板時，彈丸前沖過載系數變化曲線如圖4所示，彈丸速度衰減曲線如圖5所示。

圖4 不同水曲柳膠合板厚度彈丸前沖過載變化曲線

圖5 不同水曲柳膠合板厚度彈丸速度變化曲線

在其他侵徹條件相同的情況下，靶板厚度分別為3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm時，最大前沖過載系數分別為1 949.1、2 800.4、2 938.8、2 939.7和3 179.9。因此可以得出隨著靶板厚度的增大最大前沖過載系數也增大但增大幅度較小。由圖4可以看出在侵徹初始階段前沖過載系數就達到最大值，且達到最大值時間基本相同，說明彈丸垂直侵徹靶板時，無論靶板厚度大小如何，彈丸最大前沖過載均出現在彈丸碰擊靶板初始時刻。

從圖5可以看出彈丸速度先是在極短時間內近似線性衰減，然后經歷較長時間的非線性減小，最后速度穩定不變。說明彈丸速度變化與彈丸所受阻抗力而導致的前沖過載系數變化是一致的。

頭部為截錐形的彈丸侵徹靶板過程即彈頭端面沖塞靶板、彈頭錐面擴孔撕裂靶板和彈體貫穿靶板過程。在沖塞階段，彈丸所受剪切抗力較大且力的大小較穩定，因而彈丸近似線性減速；在撕裂擴孔階段，彈丸所受抗力是變化的，因而彈丸速度非線性減小；最后彈丸擴孔結束，彈丸不再受抗力，速度保持不變。因此由圖4和圖5可以得出：靶板越厚，彈丸最大前沖過載系數越大，彈丸速度衰減幅度越大，而彈丸侵徹5種不同厚度靶板時，彈丸速度線性衰減時間和衰減幅度基本相同。

2.3 彈頭端面直徑對前沖過載和速度的影響

以彈丸垂直侵徹3 mm厚水曲柳膠合板為例進行說明。端面直徑分別為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的彈丸侵徹水曲柳膠合板時，彈丸前沖過載系數變化曲線如圖6所示，彈丸速度衰減曲線如圖7所示。

圖6 不同彈頭端面直徑下彈丸前沖過載變化曲線

通過仿真得出彈頭端面直徑D分別為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm時，對應的最大前沖過載系數分別為398.9、582.0、1 189.2和1 949.1。由圖6可以看出彈頭端面直徑越大，最大前沖過載系數也越大，過載系數變化曲線趨勢相同。而且隨著彈頭端面直徑增大，最大前沖過載增大幅度也越大。由圖7可以看出在侵徹靶板過程中，彈丸速度先是經歷近似線性衰減，又呈非線性變化，最后趨向穩定，而且不同彈頭端面直徑的彈丸速度近似線性衰減時間和非線性衰減時間基本相同。彈丸速度在近似線性衰減階段，彈丸頭部端面直徑D越大，衰減程度也越大。這是因為彈頭端面直徑D越大，彈丸對靶板沖塞面積越大，其所受抗力也越大。說明彈丸速度變化與彈丸所受阻抗力而導致的前沖過載系數變化是一致的。

圖7 不同彈頭端面直徑下彈丸速度載變化曲線

2.4 彈丸最大前沖過載系數匯總

彈頭端面直徑D分別為5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的彈丸以90 m/s落速、0°～60°著角侵徹3 mm～25 mm厚度水曲柳膠合板的最大前沖過載系數如表4所列。

表4 最大前沖過載系數仿真結果匯總

由表4可以看出：在其他侵徹條件相同的情況下，彈丸垂直碰靶時彈丸最大前沖過載系數最大；碰靶角度>0°時，最大前沖過載系數明顯減小，尤其是碰靶角度從0°增大到2°時，最大前沖過載系數急劇減小，從2°增大到60°時，最大前沖過載系數變化不一，但整體上彈丸的最大前沖過載系數在逐漸減小。同時也可以得出在其他侵徹條件相同情況下，彈頭端面直徑越大，最大前沖過載系數就越大，從而驗證了彈丸侵徹靶板的沖塞剪切抗力是彈丸產生前沖過載的主要原因；而且在其他侵徹條件相同情況下，靶板越厚，最大前沖過載系數增大也就越明顯。

a) 最大前沖過載系數與靶板的厚度關系

由表4可知：彈丸侵徹靶板時，彈丸頭部端面直徑和靶板厚度不同，最大前沖過載系數也不同；以彈頭端面直徑D為5 mm、10 mm、15mm和20 mm的彈丸垂直侵徹3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm厚水曲柳膠合板的彈丸最大前沖過載系數來說明，如圖8所示。

圖8 不同彈頭端面直徑的彈丸垂直侵徹不同厚度 膠合板時的最大前沖過載系數

由圖8可以看出：在其他侵徹條件相同的情況下，靶板越厚，最大前沖過載系數越大，但是增大的幅度逐漸減小。其他侵徹條件相同的情況下，彈丸頭部端面直徑越大，最大前沖過載系數也越大。

b) 最大前沖過載系數與著角的關系

由表4可以看出：碰靶著角不同，彈丸最大前沖過載系數也不同；以彈頭端面直徑D為20 mm分別以0°、2°、5°、10°、20°、30°、45°和60°著角侵徹3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm厚水曲柳膠合板的彈丸最大前沖過載系數來說明，如圖9所示。

圖9 不同著角侵徹膠合板時最大前沖過載系數

由圖9可看出，彈丸垂直侵徹靶板時，其最大前沖過載系數最大。當碰靶著角>0°時，最大前沖過載系數大小變化不一。當靶板厚度較薄時(如3mm和5mm厚靶板)，著角越大，最大前沖過載系數越小；當靶板較厚時(如15mm和25mm厚靶板)，0°著角增大到2°著角時，最大前沖過載系數迅速減小，之后隨著碰靶著角從2°增大時，最大前沖過載系數在小范圍內增大或減小。

3 結語

運用LS-DYNA軟件仿真頭部形狀為截錐形的槍榴彈以不同著角侵徹不同厚度靶板的過程，研究了彈丸在侵徹過程中前沖過載系數和速度變化情況，為槍榴彈彈底機械觸發引信優化設計提供了參考和依據。

a) 彈頭形狀為截錐形的槍榴彈碰靶著角從0°增大到60°，彈丸最大前沖過載系數先是從1949.1迅速減小為772.9，然后逐漸減小為255.8。可知彈丸碰靶著角對彈丸前沖過載影響較大。因此在彈丸靶場試驗考核引信觸發作用靈敏度和鈍感度時，需要關注彈丸著角以及布靶誤差導致的著角變化對試驗結果的影響。

b) 彈頭端面直徑D分別為5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的彈丸垂直侵徹3 mm厚水曲柳膠合板時，對應的最大前沖過載系數分別為398.9、582.0、1 189.2和1 949.1。由此可知截錐形彈頭端面直徑對彈丸最大前沖過載影響較大。因此在設計彈頭形狀與尺寸時應綜合考慮，使其滿足前沖過載的需要。

c) 彈丸侵徹不同厚度的靶板，其前沖過載變化不同。因此在靶場試驗引信觸發作用不同靈敏度時，可以選用不同厚度的靶板來考察引信作用靈敏度和鈍感度。

[1] 高世橋，王寶興. 截錐形彈低中速貫穿薄靶板時的動力分析與計算[J]. 應用數學和力學，1986，7(11): 1033-1038.

[2] 王寶興， 高世橋. 引信著靶時的動態分析與計算[J]. 北京工業學院學報，1986，(3): 89-96.

[3] 曹蘇雅拉圖，王雨時，王強,等. 頭部形狀和著角對彈丸碰擊薄目標前沖過載系數仿真研究[J]. 彈箭與制導學報，2012，32(5)：94-97，100.

[4] 陳勇軍. 小口徑穿甲爆破炮彈侵徹目標數值模擬研究[D]. 南京：南京理工大學，2013.

[5] 曹蘇雅拉圖，王雨時，王強,等. 某尾翼火箭彈碰擊薄弱目標前沖過載系數仿真研究[J]. 探測與控制學報，2012，(2):20-24.

[6] 王雨時，張德智，曹純柱. 觸發引信防雨試驗的等效靶板模擬[J]. 沈陽工業學院學報，1994，(3)：27-37.

[7] 機械工程手冊、電機工程手冊編輯委員會. 機械工程手冊(工程材料卷)[M]. 2版.北京：機械工業出版社，1996.

[8] 樓劍鋒，王政，洪滔,等. 鎢合金桿侵徹半無限厚鋁合金靶的數值研究[J]. 高壓物理學報，2009，23(1)：65-70.

Simulation Research on Performance of Rifle Grenade Set-forwardOverload at Penetrating Wood Target

LI Laifu, WANG Yushi

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

In order to give a reference to optimal design of a rifle grenade mechanical contact fuze, LS-DYNA is used to simulate the process of rifle grenade penetrating target plate. The warhead of rifle grenade is truncated cone, and the diameter at the end of warheads. the thickness of target plate and the angle of bullet penetrating target plate are all different. Through the simulation the set-forward overload factor and speed of rifle grenade at its warhead penetrating targets are got. Then the simulation results demonstrate that the change of set-forward overload factor and speed of rifle grenade is different on the different conditions of the penetration. In the initial moment of penetrating the target plate vertically, the set-forward overload factor is maximum, and the attenuation of speed is quickest. Assessing the fuze triggering sensitivity and insensitivity in shooting range, some factors should be considered, including penetrating angle, gesture and thickness of the target ,and diameter at the end of warheads.

rifle grenade; contact fuze; penetration; thin wood target; set-forward overload; performance simulation

李來福(1989-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：武器系統與運用工程。

TJ411+.8; TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0108-05

2014-01-21