彈丸轉速對PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應的影響

何 俊，徐立志，程 春，鄭紹君，杜忠華，蔣洪章

(1. 安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000；2. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.黑龍江新諾機器人自動化科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

彈丸轉速對PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應的影響

何 俊1，徐立志2，程 春2，鄭紹君3，杜忠華2，蔣洪章3

(1. 安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241000；2. 南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.黑龍江新諾機器人自動化科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

為了研究彈丸轉速對橫向效應增強型侵徹體(PELE)侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應的影響，運用ANSYS/LS-DYNA軟件在著靶速度600、700和800m/s條件下，對具有不同轉速的PELE侵徹鋼筋混凝土靶進行數值模擬，并通過試驗方法對不同著靶條件下的仿真模型進行驗證。結果表明，開孔尺寸的數值模擬結果與實驗結果之間的誤差小于5%，仿真模型能夠準確模擬PELE侵徹鋼筋混凝土靶的過程；隨著轉速的不斷提高，損失更多的轉速動能轉化為鋼筋混凝土靶開孔破壞所需的能量，使鋼筋混凝土靶的開孔尺寸增大；在同一著靶速度下，轉速從10000r/min提高至25000r/min，開孔尺寸提高了約(8±2)%。因此，在同一著靶速度下，增加彈丸轉速有利于提高PELE對鋼筋混凝土靶的開孔尺寸。

鋼筋混凝土靶；橫向效應增強型侵徹體；PELE；轉速；橫向效應

引 言

橫向效應增強型侵徹體(Penetrator with Enhanced Lateral Effects，PELE )是近年來受到高度關注并發展起來的新概念彈藥，這種新型彈藥無需裝填炸藥和引信，主要基于殼體和裝填物不同的物理性能，借助于高密度殼體良好的侵徹能力和低密度裝填物較好的儲能性能，當PELE與目標相互作用時侵徹能力強的殼體先于侵徹能力差的裝填物侵入目標靶，將裝填物擠壓在殼體和目標靶之間，隨著侵徹深度不斷加深，裝填物不斷增大的壓力使周圍的殼體膨脹，同時裝填物儲備一定量的勢能。當侵徹體穿透目標靶的瞬間，裝填物存儲的勢能沿徑向釋放，使殼體形成大量破片，形成靶后殺傷[1-2]。

將PELE的作用原理應用于大口徑PELE彈藥，該彈藥的作用目標主要是鋼筋混凝土靶，當大口徑PELE侵徹鋼筋混凝土靶時，應用裝填物在圍壓下的動態膨脹效應，致使殼體橫向運動，對鋼筋混凝土形成開孔破壞。在大口徑PELE侵徹鋼筋混凝土方面，葉小軍和徐立志等[3-6]分別研究了鋼筋混凝土的靶標參數和彈丸結構參數對PELE橫向效應的影響。Jimmy Verreault[7]、Zijian Fan[8]、朱建生[9]和梁民族[10]等對小口徑PELE侵徹金屬靶的著靶速度和轉速對橫向效應的影響進行了研究。而PELE侵徹鋼筋混凝土靶的轉速對橫向效應的影響國內外尚未有研究報道。

本研究通過ANSYS/LS-DYNA軟件，建立彈丸和鋼筋混凝土靶仿真模型，對不同轉速下PELE侵徹鋼筋混凝土靶進行數值模擬，獲得了轉速對PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應的影響規律，對有關鋼筋混凝土目標的PELE設計具有重要意義。

1 仿真模型的建立及驗證

1.1 仿真模型的建立

通過ANSYS/LS-DYNA軟件建立彈丸和鋼筋混凝土靶仿真模型，為了保證模型與試驗彈丸結構的一致性，建立切縫結構PELE的幾何模型，其結構示意圖如圖1所示，各參數值見表1。鋼筋混凝土靶板模型尺寸為2m×2m×0.24m，其結構示意圖如圖2所示，鋼筋直徑為12mm，含筋率2.83%。因彈丸具有轉速，屬于非對稱模型，建立彈靶全模型。彈靶各部分組件的材料參數及材料模型如表2所示。彈丸以一定的著靶速度和不同的轉速垂直侵徹鋼筋混凝土靶中心位置。

圖1 切縫PELE模型結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of lancing PELE model structure

L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmD/mmd/mmβ/(°)320300210301058060

圖2 鋼筋混凝土靶結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of reinforced concrete target structure

彈靶部件模型材料類型ρ/(g·cm-3)E/GPaμ殼體Johnson-cook30GrMnSi7.832.100.290裝填物Johnson-cook尼龍1.092.830.400靶板Concrete-damage混凝土2.45鋼筋Plastic-kinematicQ2357.892100.284

注：ρ為密度；E為模量；μ為泊松比。

1.2 仿真模型的驗證

對彈丸具有轉速和不具有轉速的橫向效應彈侵徹鋼筋混凝土進行了試驗研究，試驗研究的彈丸基本尺寸與仿真模型相同。試驗采用105mm線膛炮和分裝式藥筒，通過改變發射藥量控制彈丸速度，根據線膛炮的膛線纏角可計算彈丸的旋轉速度，見式(1)：

r=(v·tanη)/(πd)

(1)

式中：v為彈丸初速；η為纏角；d為火炮口徑。

在距離炮口200m處放置2m×2m×0.24m的鋼筋混凝土靶，采用網孔靶測量彈丸速度，在鋼筋混凝土靶的一側布置高速攝像儀，拍攝彈丸侵徹目標靶的整個過程。試驗裝置如圖3所示。

圖3 彈丸侵徹目標靶試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of penetrating target for projectile experimental device

為了驗證彈丸轉速對PELE侵徹鋼筋混凝土靶橫向效應影響數值模擬研究方法的正確性，在800m/s著靶速度下，共進行了6組試驗(具有轉速和不具有轉速的試驗各3組)。每組試驗均測量靶板的破孔尺寸，包括靶前崩落尺寸、通孔尺寸和靶后崩落尺寸。由于靶板的破壞并非均勻規則的圓形開孔，因此在測量靶板的開孔尺寸時，測量開孔的最小尺寸(X)和最大尺寸(Y)，求取二者的平均值作為開孔破壞尺寸(D)。試驗結果和數值模擬結果見表3。

表3 彈丸侵徹鋼筋混凝土靶試驗結果與數值模擬結果

注：Xi,Yj表示最小和最大開孔尺寸，i，j=1，2，3依次表示靶前崩落尺寸，通孔尺寸，靶后崩落尺寸。

由表3可知，不具有轉速的橫向效應彈在800m/s著靶速度條件下，對鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3組試驗的平均值)依次約為650、810和400mm，而數值模擬結果鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次約為630、760和385mm；具有2.2×104r/min轉速的橫向效應彈在800m/s著靶速度條件下，對鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3組試驗的平均值)依次約為700、860和455mm，而數值模擬結果鋼筋混凝土靶破壞的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次約為690、850和440mm。侵徹后靶板表面的試驗和模擬結果對比如圖4所示，結合圖4和表3可以發現，數值模擬結果略小于試驗結果，主要由于數值模擬計算時為節省計算資源沒有計算出足夠長的崩坍形態，并且采用失效準則，單元因失效被刪除，單元間的相互作用沒有完全完成，崩坍現象縮短，而導致結果偏小，但兩者之間的誤差不超過5%。同時，圖4中模擬結果圖的紅色區域為等效塑性應變最大值區，該部分實際情況是產生崩落和試驗結果相符合，圖中模擬結果崩落區和通孔區與試驗結果相應區域吻合較好。綜上可知，試驗很好地驗證了數值模擬方法和結果。

圖4 侵徹后靶板表面的試驗與模擬結果對比Fig.4 Comparison of the experimental results and the simulation ones of penetrating target for projectile

2 結果與討論

2.1 能量分析

著速800m/s、轉速10000r/min的PELE不同時刻侵徹鋼筋混凝土靶的狀態如圖5所示。由圖5可以看出，在100μs時彈丸殼體產生一定的膨脹，隨著侵徹過程推進，彈丸殼體的膨脹量不斷增大，并且靶前產生一定量的凸起；在200μs時可以明顯發現殼體膨脹，并且靶板的背面開始發生一定量的凸起；在1100和1500μs時彈丸穿出靶板，彈丸殼體膨脹成花瓣狀，對靶板形成開孔破壞。

不同著靶速度條件下，總動能(考慮轉速和軸向速度)的損失量和軸向剩余速度隨轉速的變化如圖6所示。由于仿真模型無法直接獲得彈丸轉速在侵徹過程中的損失，因此通過彈丸總動能的損失量和軸向剩余速度兩個參量定性的分析轉速的影響。由圖6(a)可知，當著速分別為600、700、800m/s時，彈丸總動能的損失均隨轉速的提高基本保持不變(增量僅在0.1～0.3kJ范圍內)；由圖6(b)可知，當著速分別為600、700、800m/s時，彈丸的軸向剩余速度卻隨轉速的提高而不斷增大，說明在同一著靶速度條件下，彈丸損失的動能(軸向速度)均隨轉速的提高而不斷減小。綜合分析圖6可知，在彈丸總動能損失隨轉速提高基本保持不變的情況下，彈丸軸向速度動能損失卻減小。因此，隨著轉速的提高，轉速動能損失不斷增加。

圖5 著速800m/s、轉速1000r/min的彈丸在不同時刻侵徹鋼靶筋混凝土靶的過程Fig.5 The penetration process of projectile with impact target velocities of 800m/s,rotation rate of 10000r/min

圖6 軸向轉速對彈丸能量的影響Fig.6 Effect of rotation rate on the energy of projectile

2.2 開孔尺寸

由于轉速的增加導致殼體所受的離心力增大，離心力有利于殼體的膨脹，同時在侵徹過程中殼體的膨脹量越大對鋼筋混凝土的破壞也越大。在著速分別為600、700、800m/s下，鋼筋混凝土靶的平均開孔破壞尺寸(D)隨轉速的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著轉速的不斷提高，開孔破壞尺寸不斷增大。在同一著靶速度條件下，當轉速從10000r/min提高到25000r/min時，鋼筋混凝土的開孔尺寸提高了約(8±2)%。結合圖6可知，隨著轉速的提高，轉速動能損失不斷增加，該部分動能轉化為對鋼筋混凝土靶開孔破壞所需的能量，使鋼筋混凝土靶平均開孔破壞尺寸增大。因此，在同一著靶速度條件下，增加彈丸轉速有利于提高PELE對鋼筋混凝土靶的開孔破壞尺寸。

圖7 鋼筋混凝土靶的開孔尺寸與轉速的關系Fig.7 Relation between the opening size of reinforced concrete target and rotation rate

3 結 論

(1)在不同著靶條件下，通過試驗對仿真模型進行了驗證，二者的開孔尺寸誤差在5%范圍內，表明仿真模型能夠準確模擬PELE侵徹鋼筋混凝土靶的過程。

(2)從能量角度分析，隨著彈丸轉速的不斷提高，PELE侵徹鋼筋混凝土靶總動能(考慮轉速和軸向速度)的損失量基本保持不變，而彈丸損失的軸向速度動能卻不斷減小，轉速動能損失在不斷增加。

(3)從開孔尺寸角度分析，隨著彈丸轉速的不斷提高，PELE侵徹鋼筋混凝土靶平均開孔破壞尺寸不斷增大，鋼筋混凝土靶開孔破壞所需的能量不斷增加。損失更多的轉速動能轉化為了鋼筋混凝土靶開孔破壞所需的能量。因此，在同一著靶速度條件下，增加彈丸轉速有利于提高PELE對鋼筋混凝土靶的開孔破壞尺寸和彈丸的軸向剩余速度，從而提高了PELE的毀傷威力，當彈丸轉速從10000r/min提高到25000r/min時，鋼筋混凝土的開孔尺寸提高了約(8±2)%。

[1] 徐立志，杜忠華，王德勝，等. 墊塊結構對PELE橫向效應的影響[J]. 彈道學報，2016,28(1):70-75. XU Li-zhi, DU Zhong-hua, WANG De-sheng, et al. Influence of block structure on lateral effect of PELE[J].Journal of Ballistics, 2016,28(1):70-75.

[2] 薛建鋒,沈培輝,王曉鳴.彈體斜侵徹混凝土靶的跳彈及其規律研究[J].火炸藥學報,2016,39(2):54-58. XUE Jian-feng, SHEN Pei-hui, WANG Xiao-ming. Research on ricochet and its regularity of projectiles obliquely[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao),2016,39(2):54-58.

[3] 葉小軍. 橫向效應彈貫穿鋼筋混凝土目標機理研究[D]. 南京：南京理工大學，2013. YE Xiao-jun. Functional mechanism of penetrator with enhanced lateral effect penetrating reinforced concrete[D]. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2013.

[4] 葉小軍，杜忠華，姚方堂. 鋼筋混凝土靶厚度影PELE侵徹效果的數值分析[J]. 含能材料，2014,22(5):612-616. YE Xiao-jun, DU Zhong-hua, YAO Fang-tang. Numerical simulation on influence of reinforced concrete thickness on PELE penetration[J]. Chinnese Journal of Energetic Material,2014,22(5):612-616.

[5] 徐立志，杜忠華，杜成鑫，等. 殼體切縫的結構參數對PELE橫向效應的影響[J]. 含能材料，2016,24(8):742-746. XU Li-zhi, DU Zhong-hua, DU Cheng-xin,et al. Effect of structure parameters of the jacket breakage on lateral effect of PELE[J]. Chinnese Journal of Energetic Material,2016,24(8):742-746.

[6] 葉小軍，杜忠華，胡傳輝，等.PELE侵徹破壞鋼筋混凝土靶的數值計算與試驗[J].火炸藥學報，2012，35(4)：86-90. YE Xiao-jun,DU Zhong-hua,HU Chuan-hui,et al.Numerical calculation and experiment of PELE penetrated and broken reinforced concrete targets[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2012,35(4):86-90.

[7] Jimmy Verreault.Analytical and numerical description of the PELE fragmentation upon impact with thin target plates[J].International Journal of Impact Engineering,2015,10:196-206.

[8] Fan Z, Ran X, Tang W, et al. The model to calculate the radial velocities of fragments after PELE penetrator perforating a thin plate[J]. International Journal of Impact Engineering, 2016, 95:12-16.

[9] 朱建生，趙國志，杜忠華，等. 著靶速度對PELE橫向效應的影響[J].力學與實踐,2007,29(5):12-16. ZHU Jian-sheng, ZHAO Guo-zhi, DU Zhong-hua, et al. The influence of impact velocity on the penetrator with enhanced lateral effect[J]. Mechanics in Engineering,2007,29(5):12-16.

[10] 梁民族, 李翔宇, 盧芳云,等. 轉速和著速對PELE橫向效應的影響[J]. 彈箭與制導學報, 2012, 32(6):48-50. LIANG Min-zu, LI Xiang-yu, LU Fang-yun, et al. The influence of impact velocity and rotation velocity on PELE effect[J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance, 2012,32(6):48-50.

EffectofProjectileRotationRateonLateralEffectofPELEPenetratingReinforcedConcreteTarget

HEJun1,XULi-zhi2,CHENGChun2,ZHENGShao-jun3,DUZhong-hua2,JIANGHong-zhang3

(1.AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhuAnhui241000，China；2.SchoolofMachineryEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China；3.HeilongjiangXinnuoRobotAutomationTechnologyCo.Ltd.,Harbin150060,China)

To study the effect of projectile rotation rate on the lateral effect of penetrator with enhanced lateral effects (PELE)penetrating reinforced concrete target, the numerical simulation of PELE penetrating reinforced concrete target with different rotation rates was performed under the condition of three impact target velocities of 600，700 and 800m/s,and the simulation model under the conditions of different impact target was verified by testing method. The results show that the error of opening size between the simulation results and the experimental ones is less than 5%, showing that the simulation model can accurately simulate the process of PELE penetrating reinforced concrete target.With increasing the rotation rate, more rotation rate kinetic energy lost translates into the energy that used to break the reinforced concrete target and make the opening size of reinforced concrete target increase. Under the same impact target velocity, opening size is improved by (8±2)% when the rotation rate increases from 10000r/min to 25000r/min. Therefore, increasing projectile rotation rate is beneficial to improve the opening size of the PELE penetrating reinforced concrete target.

reinforced concrete target; penetrator with enhanced lateral effect; PELE; rotation rate; lateral effect

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.015

2017-03-07；

2017-04-11

安徽高校自然科學研究重點項目(No.KJ2015A441)

何俊(1978-)，男，副教授，從事彈藥工程及撞擊動力學研究。E-mail：ahjdhj@126.com

TJ55;TJ

A

1007-7812(2017)04-0081-05