空心鎢球孔腔直徑對靶板侵徹能力的影響

程 瑤，王春光，楊寶良，楊 麗，張 銀，趙太勇，陳智剛

(1.中北大學機電工程學院， 太原 030051; 2.晉西工業集團有限責任公司 防務裝備研究院， 太原 030051; 3.西安現代控制技術研究所， 西安 710065; 4.中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室， 太原 030051)

鎢球破片因其強度大，密度大，高比動能以及毀傷效果明顯等特點，已經廣泛應用于多種預制破片彈中，這種在戰斗部上裝填鎢球預制破片，極大地提高了戰斗部的毀傷能力，是提高其威力的重要途徑。為了適應現代武器戰斗部發展的需求，國內外學者對球形預制破片的毀傷能力，以及如何提高戰斗部的殺傷威力問題做了許多理論與實驗研究。李明星等對不同形狀軸向預制破片的飛散特性進行了研究，得到了球形預制破片的飛散角最大[1]；張國偉等研究了提高殺傷戰斗部威力的途徑，并得出重金屬鎢破片具有非常優越的侵徹性能[2]；賈光輝等對鎢破片進行極限貫穿實驗，得到球形鎢破片侵徹性能優于球形鋼破片[3]；賈光輝等研究了鎢球垂直侵徹薄鋼靶，在極限穿透條件下靶板發生開坑和沖塞，且鎢球發生巨大變形[4]；張國偉等研究了不同質量鎢球侵徹不同厚度鋼靶，在限極貫穿速度下的鎢球變形規律[5]；賈光輝等通過鎢球垂直侵徹鋼靶試驗，得到各種彈靶條件下的極限貫穿速度，且經計算分析，得出鎢球侵徹鋼靶過程中的能量分配規律[6]；康愛花等研究了彈道極限速度對裝甲鋼抗彈性能的影響，并推導出彈道極限穿透速度的計算公式[7]；裴思行等研究了鎢球垂直侵徹多層間隔靶，研究其侵徹機理，并建立了相應的理論計算模型[8]；趙曉旭等建立了鎢球高速侵徹低碳鋼板成坑直徑的計算模型[9]。

本文從鎢球預制破片出發，研究帶有不同孔徑的空心鎢球垂直侵徹鋼靶的仿真模擬，對比各孔腔半徑與鎢球半徑比下的鎢球侵徹效能，得出最優配比，為空心鎢球的結構設計提供理論指導。

1 數值模擬

數值建模上為節約時間，采用1/4結構建立三維有限元模型，并且設置對稱約束條件在1/4模型的對稱面上，計算網格部分均采用Solid164八節點六面體單元，各PART之間均采用Lagrange算法。并且在模型的邊界點上施加壓力流出邊界條件，避免壓力在邊界上的反射。整體模型由空心鎢球和6 mm鋼靶兩部分組成。其中空心鎢球直徑分別為4.5 mm、5 mm、5.5 mm、6 mm、6.5 mm，每一種空心鎢球都有0 mm(實心)、0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm、3.5 mm、4 mm九種不同的孔腔直徑。整體模型如圖1所示。

圖1 空心鎢球侵徹鋼靶整體模型

在穿甲過程中考慮到作用時間短，應變率高及高溫高壓下金屬材料的塑性流變。鎢合金破片和鋼靶采用JOHNSON-COOK熱黏塑性本構模型和GRUNEISEN狀態方程[10]。各材料主要參數如表1所示。

表1 材料模型主要參數

2 數值模擬結果與分析

2.1 仿真過程分析

在空心鎢球侵徹靶板的過程中，孔腔半徑r與鎢球半徑R之比不同，侵徹過程中鎢球的形變與侵徹能力均不同。若忽略材料內部橫波的傳播，將彈性波和塑性波等效為沖擊波，鎢球剛著靶時，在其接觸面會受到應力波的作用，高速沖擊的瞬間，鎢球會產生背向沖擊面的沖擊波，此時鎢球被壓縮，壓縮波以球形波的形式傳播，在兩側自由面反射向鎢球內部傳播，與靶板在沖擊面反射回來的拉伸波同時向鎢球內部傳播，當壓縮波傳播到空腔時，被空腔自由表面反射，該反射波與靶板沖擊面上的反射波疊加，在波與波相遇處鎢球可能會產生破裂，當壓縮波穿過空腔到達另一自由面反射后，反射后的拉伸波與背向沖擊面的沖擊波共同作用，在軸向上，鎢球頂部自由面產生軸向拉伸塑性應變；在徑向上，由于壓縮波在兩側的反射波遇空腔后再次反射和由空腔反射的反射波一起沿徑向向中心軸線匯聚，使鎢球發生徑向塑性拉伸變形，鎢球徑向膨脹增大。如表2所示，在可以貫穿靶板的情況下，隨著空心鎢球孔腔半徑的增大，侵徹靶板的初始速度增大，鎢球在侵徹靶板時自身軸向壓縮變形變大，徑向拉伸變形增大，貫穿靶板孔徑比實心鎢球大，當孔腔半徑與鎢球半徑比大于0.8時，在侵徹過程中鎢球破裂嚴重，失去侵徹能力。總體來說，空心鎢球較實心鎢球質量小，爆炸賦予鎢球的初始能量一定，空心鎢球較實心鎢球速度高，侵徹能力強，而當空腔比大于0.8時，鎢球無侵徹能力。

表2 不同r/R空心鎢球侵徹靶板

2.2 數值模擬結果分析

如圖2所示，仿真模擬了不同半徑鎢球侵徹6 mm靶板時的剩余速度隨孔腔半徑與鎢球半徑比的增大而變化的圖像。由圖像可以看出，隨著孔腔半徑與鎢球半徑比r/R的增大，不同半徑的鎢球余速都表現出先增大后減小的趨勢，直到增大到一定比值后不能貫穿靶板，即余速為零。在計算余速之前，通過仿真計算得到不同直徑鎢球在不同大小孔腔下的極限穿透速度[11]，隨著孔腔半徑比的增大，應力波在空腔表面的反射，削弱了沿侵徹方向的應力波，且鎢球徑向變形較大，使著靶面積增大，極限穿透速度增加。由于彈丸爆炸后給予破片的初始能量一定，根據極限穿透速度，賦予鎢球合適的初始速度，質量小的鎢球在侵徹過程中具有較大的速度，相同r/R下的余速也比較大，由圖可知，實心鎢球的余速普遍小于一定比例的空心鎢球，當r/R在0～0.3左右時，不同大小的鎢球均具有較高的余速。

圖2 鎢球余速-r/R變化曲線

由圖3可以看出，不同半徑的鎢球侵徹靶板的剩余能量隨著r/R的增大而先增大后減小直到不能貫穿靶板，當孔腔半徑與鎢球半徑比在0～0.3左右時，鎢球的剩余動能最大。由于彈丸爆炸后給予破片的初始能量一定，說明在此范圍內鎢球的能量損失最小，侵徹能力最強。

圖3 剩余動能-r/R變化曲線

由圖4和圖5兩圖可以看出，同一種半徑鎢球，隨著中間孔徑的增大，入孔和出孔半徑隨之增大，當空心比增大，碰撞受到應力波時，中間空心部分受力易變形，孔徑越大，變形越大，在侵徹靶板過程中，貫穿孔徑也隨之增大，而實心鎢球變形最小，其貫穿孔也最小。相同r/R下，鎢球半徑越大，孔徑也越大，由兩圖可以看出，隨著鎢球半徑的增大，空心孔徑在增大，鎢球侵徹變形越大，出入孔半徑增大。在侵徹相同靶板時，空心鎢球的侵徹毀傷效果比實心鎢球強。

圖4 入孔直徑-r/R變化曲線

圖5 出孔直徑-r/R變化曲線

3 結論

空心鎢球較實心鎢球有更好的侵徹能力。當空心孔腔半徑與鎢球半徑比在0～0.3時，鎢球剩余速度最大、殘余動能最大以及貫穿孔徑比實心鎢球大，侵徹效果更佳；當孔腔半徑與鎢球半徑比大于0.8時，鎢球破裂嚴重，質量損失較大，幾乎沒有侵徹能力。當鎢球直徑一定時，可方便地計算出該直徑下侵徹能力最好的空心鎢球的孔腔半徑，為提高鎢球預制破片的毀傷效能提供了一定的參考價值。