步槍彈M855與M855A1的侵徹效能對(duì)比仿真*

景 彤,郭子云,雷文星,鄭延斌,陳智剛,李 波

(1 中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2 晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,太原030051;3 晉西防務(wù)裝備研究院第三研究所,太原 030051;4 國(guó)營(yíng)524廠,吉林吉林 132021)

0 引言

為支援阿富汗作戰(zhàn),美國(guó)陸軍開始使用新型5.56 mm步槍彈M855A1,它代替了20世紀(jì)80年代初美軍就在作戰(zhàn)時(shí)使用的5.56 mm彈藥:M855[1]。M855A1是M855的改進(jìn)型彈藥,口徑與外型尺寸均沒(méi)有變化,實(shí)力雄厚的美軍為何不采用全新的換代槍彈。M855A1相對(duì)M855在作戰(zhàn)效果中有無(wú)提高。文中用LS-DYNA軟件對(duì)M855、M855A1侵徹明膠靶、鋼靶、松木靶的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,獲得侵徹過(guò)程中速度、能量變化以及步槍彈的侵徹姿態(tài),對(duì)比分析了最終侵徹結(jié)果。

1 兩種步槍彈簡(jiǎn)述

M855外包銅質(zhì)彈頭殼,彈頭內(nèi)芯前部為淬硬處理的錐形平頂鋼芯,后部為鉛芯[2-5]。M855A1彈體外半包前收口的銅質(zhì)彈頭殼,內(nèi)芯前部為錐形硬鋼芯,底部為實(shí)心銅質(zhì)彈芯。M855A1步槍彈(后簡(jiǎn)稱M855A1)與M855步槍彈(后簡(jiǎn)稱M855)相比,彈尺寸沒(méi)有改變,彈頭質(zhì)量也均為4 g。不同的是M855的彈尖涂色為綠色,M855A1變?yōu)榍嚆~色。彈尖的鋼芯變得更加堅(jiān)硬,彈芯底部材料由鉛變?yōu)殂~。彈頭外形如圖1。

圖1 M855步槍彈與M855A1步槍彈

值得一提的是M855A1彈頭中不再含有鉛。美軍士兵每年射擊訓(xùn)練釋放的鉛約2 000 t。對(duì)士兵的神經(jīng)系統(tǒng)等會(huì)造成損害,嚴(yán)重可致癌。M855A1大大降低了射擊訓(xùn)練中鉛污染對(duì)士兵的身體傷害。

2 侵徹明膠靶數(shù)值模型

明膠是一種與人體肌肉組織十分相似的粘粘性介質(zhì),外形均勻透明,方便觀察內(nèi)部空腔形成變化。因此明膠已成為創(chuàng)傷彈道研究的常用介質(zhì)[6-8]。

明膠采用流體彈塑性材料模型(MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO。材料狀態(tài)方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。依據(jù)Jiwoon Kwon等人的實(shí)驗(yàn)與相關(guān)文獻(xiàn)[9-11],明膠材料的參數(shù)見表1。

表1 明膠材料參數(shù)

2.1 正侵徹明膠靶

建立明膠與步槍彈的數(shù)值模型,設(shè)定彈體垂直入射,速度方向與彈軸無(wú)夾角。入射速度為800 m/s。

2.1.1 數(shù)值模型

步槍彈和明膠靶建立1/2模型減小計(jì)算規(guī)模、時(shí)間。步槍彈模型見圖2。明膠靶尺寸為xyz=6 cm×3 cm×9 cm,Z方向負(fù)方向?yàn)檎謴胤较颉Ｔ谧訌椗c明膠的接觸區(qū)及附近建立較密的網(wǎng)格,其他區(qū)域采用較疏的網(wǎng)格。采用基于粘性的沙漏控制算法,沙漏系數(shù)為0.01以防止嚴(yán)重的沙漏變形[12]。

圖2 M855與M855A1有限元模型

2.1.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基于上述模型與設(shè)置進(jìn)行仿真。分析如下:

侵徹明膠時(shí)因阻力速度大幅下降,彈頭失穩(wěn)翻轉(zhuǎn),能量急劇釋放產(chǎn)生空腔。由圖3可知:M855A1在1 350 μs時(shí)完成侵徹,剩余速度為680 m/s,M855在1 300 μs時(shí)完成剩余速度為778 m/s。假如彈頭損失的能量全部用于做功而形成空腔。傳遞的能量定義為:

(1)

式中:V0為彈頭著靶時(shí)的碰撞速度;E0為彈頭碰撞動(dòng)能;V為彈頭出靶速度;El為彈頭出靶動(dòng)能。

圖3 速度衰減曲線

圖4 明膠能量變化曲線

在碰給能量相同的情況下,機(jī)體的損傷與傳遞能量成正比。傳遞能量越多,單位面積的機(jī)體組織承受的載荷越大。由圖4與式(1)可知:初始動(dòng)能相等時(shí),M855A1傳遞給明膠的能量占初始動(dòng)能的27.75%,M855為5.4%。M855A1提高了約22.35%。

由表2與圖5來(lái)看:侵徹完成后明膠空腔入口呈外翻狀,整體呈圓錐狀。M855A1侵徹過(guò)后明膠形成的空腔體積大于M855。M855A1在侵徹結(jié)束時(shí),彈芯與彈頭殼完全脫離。大大提高了停止作用。

表2 明膠空腔直徑對(duì)比

圖6 3種攻角下步槍彈速度衰減曲線

2.2 攻角對(duì)殺傷效應(yīng)的影響

設(shè)定步槍彈以相同速度(800 m/s)不同攻角(0.7°,1°,2°)侵徹明膠,靶尺寸為xyz=6 cm×3 cm×35 cm。

由圖6可知:兩種步槍彈侵徹均為以下3種狀態(tài):

1)侵徹初始階段。彈頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定,未發(fā)生明顯失穩(wěn),速度衰減平緩。M855A1速度衰減較快。

2)彈頭失穩(wěn)翻滾,速度快速衰減階段。

0.7°攻角:M855速度由675 m/s衰減為447 m/s,能量傳遞約占初始動(dòng)能的39.97%,M855A1發(fā)生變形破碎,速度由643 m/s衰減為367 m/s,能量傳遞約占初始動(dòng)能的43.56%,比M855提高約3.59%。

1°攻角:M855速度從692 m/s降至426 m/s,能量傳遞約46.467%,M855A1速度從687 m/s降至321 m/s,能量傳遞約57.645%,提高約11.178%。

2°攻角:M855速度從697 m/s降至406 m/s,能量傳遞約50.15%,M855A1速度從703 m/s降至為333 m/s,能量傳遞約59.89%,提高約9.74%。

3)隨著速度的降低,彈頭在靶中承受的動(dòng)載荷降低,加速度減小,速度衰減平緩,進(jìn)入末期階段。

在侵徹過(guò)程中,兩步槍彈均發(fā)生了偏轉(zhuǎn):

0.7°攻角:M855A1彈頭從入射到翻轉(zhuǎn)至180°所需時(shí)間為2 750 μs,M855為3 500 μs,M855A1所需時(shí)間縮短了900 μs,所需路徑縮短了66 mm。

1°攻角:M855A1翻轉(zhuǎn)至180°所需時(shí)間為2 700 μs,較M855縮短750 μs,所需路徑縮短了52 mm。

2°攻角:M855A1翻轉(zhuǎn)至180°所需時(shí)間為2 150 μs,較M855縮短750 μs,所需路徑縮短了39 mm。

圖7 相同攻角侵徹同一時(shí)間步槍彈形態(tài)

2.3 帶攻角侵徹總結(jié)

1)侵徹會(huì)經(jīng)歷3個(gè)階段:初始階段、速度快速衰減階段、末期階段。

2)M855A1對(duì)明膠靶的能量傳遞較強(qiáng)。隨著攻角的增加傳遞效果越強(qiáng)。大大提高了停止作用。

3)兩步槍彈在明膠靶內(nèi)均出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)翻滾,彈頭從入射到翻轉(zhuǎn)至180°:M855A1所需時(shí)間少于M855,且翻轉(zhuǎn)位置更靠近入口。

3 侵徹鋼靶數(shù)值模型

3.1 彈靶材料模型

鋼靶采用JOHNSON-COOK材料模型[13]。該模型適合描述材料在高應(yīng)變率和高溫條件下的性質(zhì)變化,在彈道侵徹沖擊、金屬爆炸成型等數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用較廣。鋼靶對(duì)應(yīng)材料參數(shù)由表3給出。

表3 鋼靶材料參數(shù)

3.2 數(shù)值模型

建立鋼靶尺寸為xyz=8 cm×4 cm×1 cm,1/2模型。侵徹方向?yàn)閆軸負(fù)方向。設(shè)定彈體與入射面垂直,速度方向與彈軸無(wú)夾角,入射速度833 m/s[14]。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基于上述模型與設(shè)置進(jìn)行仿真。分析如下:

圖8 侵徹鋼靶速度衰減曲線

由圖8可知:M855在0～600 μs處于侵徹階段,速度急劇衰減,600 μs時(shí)速度降為0,未完成侵徹。M855A1在0～500 μs處于侵徹階段,速度急劇衰減,結(jié)束侵徹時(shí)以449 m/s的剩余速度飛出靶板。

在初始動(dòng)能相等的情況下,M855未能完成侵徹,M855A1的剩余速度為449 m/s。即M855A1對(duì)硬質(zhì)目標(biāo)的侵徹能力、彈頭的穿透力遠(yuǎn)大于M855。也表明了M855A1對(duì)目標(biāo)的有效射程較于M855有很大的提高,并且有遠(yuǎn)高于M855的穿障后殺傷力。

4 侵徹松木靶數(shù)值模型

在仿真中,用25 mm松木靶板模擬人體靶。

4.1 彈靶材料模型

松木靶板采用MAT_ELASTIC材料模型并添加失效模型MAT_ADD_EROSION。靶板的主要參數(shù):密度ρ=0.460 g/cm3,彈性模量G=11.68 GPa,泊松比μ=0.31,屈服應(yīng)力E=0.29 GPa[15]。

4.2 數(shù)值模型

建立松木靶尺寸為xyz=8 cm×4 cm×2.5 cm,1/2模型。侵徹方向?yàn)閆軸負(fù)方向。設(shè)定彈體與入射面垂直,速度方向與彈軸無(wú)夾角,入射速度833 m/s[15]。

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基于上述模型與設(shè)置進(jìn)行仿真。分析如下:

圖9 侵徹松木靶速度衰減曲線

圖10 松木靶吸能曲線

由圖9可知:M855在0～500 μs處于侵徹階段,速度急劇衰減,500 μs時(shí)侵徹結(jié)束以729 m/s的剩余速度飛出。M855A1在0～700 μs處于侵徹階段,在700 μs時(shí)結(jié)束侵徹以701 m/s的剩余速度飛出靶板。

結(jié)合式(1)、圖10,初始動(dòng)能相等的情況下,M855傳遞能量占初始動(dòng)能的23.4%,M855A1傳遞能量為29.2%,提高約5.8%。表明了M855A1在侵徹過(guò)程中對(duì)目標(biāo)的傷害能力強(qiáng)于M855。即M855A1提高了停止作用。

5 結(jié)論

文中以非線性有限元軟件LS-DYNA為平臺(tái),進(jìn)行了M855A1、M855侵徹明膠靶、鋼靶、松木靶的仿真并進(jìn)行了對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:

1)M855A1彈頭擊中軟目標(biāo)時(shí),彈頭殼受擠壓力膨脹減速,彈芯因慣性繼續(xù)高速運(yùn)動(dòng),進(jìn)而與彈頭殼脫離,于是彈頭分離。提高了對(duì)軟目標(biāo)的能量傳遞。在有攻角時(shí),M855偏轉(zhuǎn),M855A1翻滾破碎,對(duì)目標(biāo)的傷害大幅提高,M855A1的能量傳遞優(yōu)于M855。即M855A1大大提高了停止作用。

2)M855A1擊中硬目標(biāo)時(shí),由于彈芯與彈頭殼并非一體成型,彈頭殼會(huì)在擊中目標(biāo)后變形減速,內(nèi)部彈芯會(huì)繼續(xù)侵徹,提高了侵徹能力。在初始動(dòng)能相等的情況下,侵徹完成時(shí)M855A1的剩余速度遠(yuǎn)大于M855。即M855A1對(duì)硬質(zhì)目標(biāo)的侵徹能力、彈頭的穿透力優(yōu)于M855。也表明M855A1對(duì)目標(biāo)的有效射程較M855有大的提高,且有著遠(yuǎn)高于M855的穿障后殺傷力。

3)盡管M855A1的口徑與尺寸與M855相比沒(méi)有變化,只是改變了彈頭殼結(jié)構(gòu)與彈芯材料,便大大提高了5.56 mm小口徑步槍彈的侵徹能力。充分地發(fā)掘了彈藥潛力,用小的代價(jià)獲取了大的收獲。

M855A1外露式硬鋼彈芯、銅質(zhì)彈芯的結(jié)構(gòu)對(duì)小口徑步槍彈的設(shè)計(jì)具有很大參考價(jià)值。