入射角度對破片穿甲威力影響

袁新波

(安徽神劍科技股份有限公司，合肥 230601)

破片穿甲威力是指戰斗部裝藥起爆后驅動預制破片，使其獲得高初速、高動能，進而利用其動能侵徹裝甲、以及完成后效殺傷的能力［1］。裝藥起爆后，戰斗部外形影響破片的空間分布，同時破片飛散特性使得預制破片在接觸裝甲鋼板時存在一定角度，入射角度(破片速度方向與靶板法線方向夾角)不同，接觸面積及穿甲等效厚度均有所不同［2］。因此研究破片不同入射角度穿甲過程中，速度、動能衰減曲線有著重要意義。

立方體鎢破片作為預制破片的一種類型，由于具有密度高、衰減系數小、穿甲能力強等優點被廣泛用于預制破片戰斗部［3］。本文以立方體鎢破片為研究對象，建立有限元模型，對比研究破片以不同入射角度進行斜穿甲過程中，速度、動能衰減趨勢，并確定極限入射角度。

1 仿真模型建立及計算方案確定

1.1 仿真模型建立

本文采用三維Lagrange計算方法，建立立方體鎢破片斜穿甲三維仿真模型，立方體鎢破片邊長8 mm，質量均為9 g，鋼板靶厚度為10 mm。由于破片尺寸遠小于靶板尺寸，靶板遠端受到影響較小，可以將靶板考慮為無限靶，因此對靶板四邊施加非反射邊界條件［4］，破片與靶板之間接觸采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法采用［5］。立方體鎢破片斜穿甲仿真模型如圖1所示，δ為入射角度。

圖1 破片斜穿甲仿真模型

1.2 材料模型及參數選擇

鎢破片密度高、強度極限較大，因此將鎢破片在數值模擬中作為鋼體處理，選擇*MAT_RIGID材料模型，其參數為:密度 ρ=17.3 g/cm3;彈性模量E=117 GPa;泊松比 μ=0.22［6］。鋼板靶選用的材料模型為*MAT_JOHNSON_COOK，該模型是描述材料在大變形、高應變率和高溫條件下的本構模型，適用于大部分金屬材料，其應力表達式為［7］

式(1)中:參數A、B、C、n、m為材料常數，由材料動力學試驗推導;Troom、Tmelt分別為室溫Tr和熔點溫度Tm;為等效塑性應變是=ls-1時的等效塑性應變率，狀態方程為EOS_GRUNEISEN［8］。其材料模型參數及狀態方程參數分別如表1、表2所示。

表1 鋼板靶材料模型參數

表2 鋼板靶狀態方程參數

1.3 計算方案確定

確定鋼板靶厚度為10 mm，立方體鎢破片初速度為1200 m/s前提下，鎢破片分別以入射角度為 δ=0°、δ=15°、δ=30°、δ=40°4種情況進行斜穿甲仿真計算。

2 仿真計算結果分析

2.1 穿甲深度對比

立方體鎢破片分別以 δ=0°、δ=15°、δ=30°、δ=40°4 種入射角度進行斜穿甲，穿甲剖面圖如圖2所示。

圖2 鎢破片穿甲剖面圖

圖2可以得出，入射角度在0～30°范圍內，立方體鎢破片均可以穿透裝甲鋼板。入射角度δ=40°時，鎢破片無法穿透，直至嵌入靶板。并且在擠壓開坑階段，靶板孔洞等效直徑隨入射角度增大而增大。

造成以上情況的主要原因是:

1)入射角度增大，破片穿甲的等效厚度增大;

2)破片垂直靶板的分速度隨著入射角度的增大而減小，入射角度過大時，會造成侵徹動能不足，無法穿透靶板;

3)存在入射角度時，破片產生與靶板平面平行的分速度，穿甲過程中，平行分速度造成破片平行侵徹靶板距離長，開坑孔徑大。

2.2 速度衰減對比

立方體鎢破片以1200 m/s初速度進行斜穿甲，不同入射角度穿甲的速度衰減曲線如圖3所示，破片剩余速度如表3所示。

圖3 破片速度衰減曲線

鎢破片以不同入射角度進行斜穿甲，破片的穿透情況以及剩余速度如表3所示。

表3 破片剩余速度對比

由圖3、表3可以得到以下結論:

1)入射角度在0～30°范圍內，立方體鎢破片穿甲過程中，速度明顯下降，穿甲完成后，破片剩余速度穩定;

2)入射角度在0°～30°范圍內，立方體鎢破片剩余速度隨入射角度的增加而減小，速度衰減率隨入射角度增大而增大。但破片剩余速度及速度衰減率變化變化趨勢，說明入射角度在30°之內，立方體鎢破片穿甲威力受到入射角度影響不大;

3)入射角度δ=40°，立方體鎢破片無法穿透，并最終嵌入鋼板靶，說明入射角度大于δ≥40°，立方體鎢破片無法穿透靶板，失去后效毀傷效能。

2.3 確定極限入射角度

入射角度δ≥40°時，立方體鎢破片無法穿透10 mm鋼靶板，最終影響殺傷效能。現將入射角度調整到δ=39°，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件進行穿甲仿真，穿甲過程如圖4所示。

圖4 δ=39°，破片穿甲過程

入射角度δ=39°，立方體鎢破片穿甲過程中，速度、動能衰減曲線如圖5所示。

圖4、圖5可以看出，入射角度δ=39°，立方體鎢破片可以穿透10 mm鋼板靶，并且剩余速度為125.9 m/s，剩余動能為124.4 J。根據我國采用質量大于1 g的破片為有效破片，其動能大于98 J的為有效殺傷破片的準則［9］，入射角度δ=39°的立方體鎢破片穿透10 mm鋼板靶后，仍然具有殺傷效能。

圖5 速度、動能衰減曲線

3 結論

1)入射角度在0°～39°范圍內，立方體鎢破片可以穿透10 mm鋼板靶，剩余動能仍具有后效殺傷威力;

2)極限入射角度內，鎢破片剩余速度隨入射角度的增加而減小，速度衰減率隨入射角度增大而增大;

3)入射角度δ=40°，立方體鎢破片無法穿透10 mm鋼板靶，確定δ=39°為極限入射角度。

［1］魏峰.某戰斗部預制破片設計及破片威力數值模擬［D］.沈陽:東北大學，2010:1-3.

［2］盧芳云，李翔宇，林玉亮.戰斗部結構與原理［M］.北京:科學出版社，2009:90-100.

［3］米雙山，張錫恩，陶貴明.鎢球侵徹LY-2鋁合金靶板的有限元分析［J］.爆炸與沖擊，2005，25(5):477-480.

［4］孟文，張娟.球形破片侵徹金屬靶板的數值模擬研究［J］.中國水運，2006，6(6):73-74.

［5］時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析［M］.北京:清華大學出版社，2005:130-145.

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［7］孟文，張娟.球形破片侵徹金屬靶板的數值模擬研究［J］.中國水運:學術版，2006，06(06):73-74.

［8］LSTC inc.LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL(Version 970)，2003［M］.北京:水利水電出版社，2008.

［9］王儒策，趙國志，楊紹卿.彈藥工程［M］.北京:北京理工大學出版社，2002:121-126.