多環境槍彈高速垂直入水運動特性數值模擬研究

王藝霏,姜偉兵,許 輝,徐化睿,劉亞雷,劉 坤

(1.南京理工大學 機械工程學院, 南京 210094; 2.陸軍駐重慶地區第七軍代室, 重慶 400000; 3.中國人民武裝警察部隊海警學院, 浙江 寧波 3158013)

0 引言

傳統槍彈侵徹入水后,失去有效殺傷能力,無法對目標造成打擊,而多環境槍彈跨介質入水時,利用超空泡技術實現彈頭運動減阻,增加彈頭有效射程。因此,研究跨介質槍彈入水運動特性對研發新型高效打擊槍彈,提高海上作戰能力具有重要的軍事意義。

槍彈入水過程是由空氣進入水中的跨介質過程,該過程涉及介質突變和氣液兩相耦合,受到了國內外學者的青睞。部分學者[1-2]早期主要集中于低速和垂直入水方面,通過剛性球垂直入水試驗,研究了空泡發展、入水彈道和阻力系數等,提出了水花濺射、空泡生成和閉合等概念。隨著入水問題的深入研究,國內外學者進一步取得了一定成果。對于剛性球體入水運動,Truscott[3]、Thoroddsen[4]和Holfeld等[5]分別進行了球體入水試驗,獲得了球體入水過程沖擊載荷、空泡形態變化和運動軌跡偏轉規律。對于回轉體入水方面,國內外主要對彈頭形狀對入水過程的影響開展了研究。Truscott等[6]對步槍彈小角度入水進行了試驗研究,證明了常規步槍彈在水中不能穩定運動;楊衡等[7]、路麗睿等[8]開展了不同形狀彈頭低速(<6 m/s)入水試驗,分析了彈頭形狀和入水速度對空泡、彈道特性的影響;施紅輝等[9-10]研究了鈍體、細長體傾斜入水,分析了空泡形成和彈頭運動軌跡;侯宇等[11]對超空泡射彈小角度斜入水進行了研究,分析了入水角度對空泡、彈道和彈頭結構的影響。可見,現有研究主要集中于錐頭圓柱體和大口徑超空泡射彈,而對槍彈跨介質入水研究較少。

本文基于56式7.62 mm普通彈,設計一種多環境槍彈,利用ANSYS/LS-DYNA軟件,采用流固耦合算法,對該槍彈高速垂直入水過程進行數值模擬,通過與常規步槍彈入水過程數值模擬結果對比,分析多環境槍彈入水過程、空泡形態和彈道性能。研究成果可充實彈藥設計理論,為武器優化提供理論參考。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元模型

本文參考56式7.62 mm普通彈外形,提出了一種7.62 mm口徑的多環境(multi-environment ammunition, MEA)槍彈結構方案,以適用于陸上/水下多環境作戰,實現跨介質殺傷,槍彈結構如圖1所示,槍彈基本參數如表1所示。多環境槍彈彈頭分為弧形部、圓柱部和尾部,尾部開有倒角,弧形部采用平頭多梯度錐體加空化槽的特殊結構,圓柱部增加多個環槽,提高穩定性,該外形促進了彈頭入水后氣泡生成,減少了水與彈頭的接觸面積,降低了粘性阻力,實現彈頭的水下減阻增程。

圖1 槍彈模型Fig.1 Bullet model

表1 槍彈模型參數Table 1 Bullet parameters

1.2 材料模型

彈頭材料為鋼,侵徹入水過程受到應變率、損傷等多因素的影響,將產生塑性變形,選用*MAT_JOHNSON_COOK模型進行描述,該材料模型廣泛應用于彈道侵徹沖擊、金屬爆炸成型等數值計算。Johnson-Cook模型本構關系表示為[12]:

(1)

熔化無量綱溫度可表示為:

(2)

式中:Tr為室溫;Tm為熔化溫度。

Johnson-Cook模型通過損傷參數D描述損傷度,可表示為:

D=∑Δεp/εf

(3)

式(3)中:Δεp為等效塑性應變增量;εf為材料失效應變。

材料失效應變εf可表示為:

(4)

式中:D1、D2、D3、D4、D5為損傷參數;σ*為壓力與等效應力σeff的比值(σ*=p/σeff)。Johnson-Cook材料模型參數如表2所示。

表2 Johnson-Cook材料模型參數Table 2 Projectile material parameters

水和空氣選用*MAT_NULL模型,均采用EOS_GRUNEISEN狀態方程,可通過該方程定義其壓力體積的關系,從而確定材料的壓縮狀態。狀態方程可表示為:

(5)

式中:p為材料壓力;E為材料的內能;c為沖擊波速度-質點速度Hugoniot曲線的截距;S1～S3為曲線的斜率;γ0為Gruneisen系數;μ為體積變化率;a是和μ的一階體積修正量。

水和空氣具體參數如表3所示。

表3 水和空氣參數

1.3 網格劃分

為研究彈頭侵徹入水過程,采用ALE算法進行流固耦合計算,設置空氣和水域為無反射邊界條件,避免入水后沖擊波在空氣域和水域模型邊界反射對求解產生影響。

仿真計算時,引入如下假設:

1) 將彈丸視作整體且入水后不旋轉。

2) 水為不可壓縮、無旋、有勢、不計粘性的流體。

3) 忽略重力影響。

考慮數值模擬的計算效率和計算量,采用二分之一模型,取水域和空氣域寬度為彈頭直徑的10倍,空氣域為8 cm×4 cm×3 cm,水域為8 cm×4 cm×40 cm,設置為對稱邊界,以保證觀測到完整空泡形態和初始沖擊波的傳播。在彈頭與水域的直接接觸區及附近劃分網格較密,網格尺寸與彈頭單元尺寸相近,與接觸區域較遠處采用相對較粗的網格。分別采取不同密度進行網格劃分,將數量為86萬網格和120萬網格進行仿真結果對比,計算結果誤差不高于2%。考慮到計算效率,本文采用86萬網格進行仿真計算,彈頭網格數量為1 900,水域網格數量為68萬。有限元網格模型如圖2所示。

圖2 網格劃分模型Fig.2 Grid division model

2 結果分析

本文通過彈頭高速垂直入水數值模擬,分析7.62 mm口徑MEA槍彈在750 m/s初速下垂直入水時的空泡形態和彈道變化規律,并與56式7.62 mm普通彈垂直入水仿真結果進行對比。

2.1 有限元算法驗證

為驗證模型算法和參數的正確性,通過文獻[14]中圓柱體入水實驗得出的理論公式與采用本文有限元算法計算的平頭圓柱彈入水結果進行對比,當射彈以603 m/s初速垂直入水,彈頭直徑為12.66 mm,長度為25.4 mm,所得速度時間、位移時間曲線如圖3所示。從圖3可知,仿真所得速度與位移變化情況與文獻[14]一致性較好,誤差小于4%,驗證了有限元算法的可行性。

圖3 仿真結果與理論結果對比Fig.3 Comparison between simulation results and theoretical results

2.2 槍彈流場結構特性和空泡形態變化

槍彈入水過程可分為沖擊、流動形成、空泡航行及全濕航行等4個階段,本文主要研究沖擊、流動形成和空泡航行階段彈頭的運動特性。在入水沖擊階段,彈頭以高速沖擊水面,較短時間內經歷了由空氣到水介質的突變,彈頭與水相互作用,能量迅速傳至彈頭附近水域。附近水域將獲得的能量轉化成遠離彈頭表面方向的動量,形成了慣性擴張力,導致彈頭流動分離形成,此時能量耗損主要用于排開彈頭周圍流體,形成空泡,彈頭的動能轉化成周圍水質點的動能。

圖4為MEA槍彈垂直入水后不同時刻液相的壓力云圖。由圖4可知,彈頭入水初期(1～20 μs),產生了一個較大的沖擊波在水中傳播并逐漸衰減,隨著彈頭進一步與水面接觸,沖擊波幅值逐漸變小,彈頭弧形部附近始終處于高壓區狀態;彈尖完全入水后(20～50 μs),彈頭空化槽附近出現低壓區,隨著入水深度不斷增加,空化槽后低壓區域不斷擴大,最后包裹彈尖部分,這是空化槽處形成的渦旋現象導致,渦旋使局部流速加快,局部壓力降低。彈頭入水時,彈尖首先與水面發生撞擊,壓力迅速增大至峰值,彈頭弧形部前方高壓區域靠近彈體位置壓力較高,壓強峰值出現在彈頭弧形部中點區域,高達100 MPa。

圖4 入水壓力變化云圖Fig.4 Cloud image of entry pressure variation

MEA槍彈和56式7.62 mm普通彈以750 m/s初速垂直入水時,不同時刻空泡圖如表4所示。由表4可知,MEA槍彈入水50μs時,彈頭入水距離約1.5倍彈長,彈尖采用的多梯度錐體結構促進流動分離,在彈頭弧形部出現較為明顯的流動分離,空泡包圍彈體和尾部且不發生接觸;100 μs時,空泡最大直徑趨于穩定,彈體附近的空泡形態基本保持不變,空泡最大直徑為28.01 mm,約彈徑的3.5倍。56式7.62 mm普通彈50 μs時,彈頭垂直進入水面,入水距離約1.5倍彈長,形成對稱空泡,由于彈體形狀流暢光滑,空化效果差,空泡內部產生霧化液滴;100 μs后,空泡最大直徑逐漸穩定,彈體附近的空泡形態基本保持不變。彈體后部空泡區域不斷增大,彈體周圍空泡擴張程度低,空泡壁面與彈頭接觸,并逐漸向彈尾方向移動,空泡不能完全包圍住彈體,使彈頭直接接觸到液體產生擾動,導致彈道失穩,其產生的空泡最大直徑18.1 mm,約彈徑的2.3倍。

綜上所述,通過對比可知,MEA槍彈和56式7.62 mm普通彈入水空泡形態差異較大,常規步槍彈入水空化程度低,空泡壁面輪廓不清晰,空泡內霧滴較多,對空泡形態破壞明顯;MEA槍彈入水后產生的空泡形態對稱,空泡壁光滑,內部無液滴生成,空化程度較高,與常規步槍彈相比,空泡直徑更大,空泡分離點更穩定。

表4 2種彈丸垂直入水空泡圖Table 4 Cavitation diagram of two projectiles entering water vertically

2.3 入水過程運動規律分析

MEA槍彈和56式7.62 mm普通彈在初速為750 m/s垂直入水時,彈頭速度隨時間變化規律如圖5所示,圖6為2種槍彈入水后侵徹距離隨時間變化規律。由圖5、圖6可知,由于常規步槍彈外形較為光滑,對流場擾動能力弱,入水過程中彈頭傳遞給周圍流域的動量低,使前期速度衰減較慢;50 μs后,彈頭全部入水,由于彈頭產生的空泡空化程度低,彈體與水產生接觸,其運動過程所受阻力增大,速度衰減加快。由于MEA槍彈在彈頭弧形部增加了空化槽,入水初期發生局部流域增速,入水過程中彈頭傳遞給流域的動量降低,在彈頭全部入水后,產生穩定的空泡包裹彈體,彈頭不會與液體產生直接接觸,速度衰減變慢。在400μs時,MEA槍彈速度為678.9 m/s,位移為28.6 cm;常規步槍彈速度為534.1 m/s,位移為25.3 cm。與常規步槍彈相比,MEA槍彈入水400 μs后,存速能力提高了19.3%,侵徹位移增加了13%,相較常規步槍彈起到了減阻增程的效果。

圖5 MEA彈與常規步槍彈入水速度變化Fig.5 Variation of water entry velocity between MEA projectile and standard projectile

圖6 MEA彈與常規步槍彈入水深度變化Fig.6 Variation of water entry depth between MEA projectile and standard projectile

3 結論

本文基于56式7.62 mm普通彈,設計了一種MEA槍彈,通過ANSYS/LS-DYNA軟件對其入水過程開展了數值模擬,分析了MEA槍彈高速垂直入水時空泡形態、彈道軌跡與流體動力特性變化規律,并與常規步槍彈入水仿真進行了對比,得到以下結論:

1) MEA槍彈入水產生沖擊波,隨著彈頭不斷接觸水面,沖擊波幅值逐漸變小,高壓區始終在彈頭弧形部附近,空化槽有利于降低局部壓力,彈尖入水后空化槽周圍出現低壓區,且低壓區逐漸擴張包裹住彈頭。

2) MEA槍彈多梯度斜錐體的彈形設計比常規步槍彈更利于產生流體分離,常規步槍彈入水空化程度低,空泡壁面輪廓不清晰,而MEA槍彈入水產生的空泡壁面光滑,空化程度高、空泡直徑更大和空泡分離點更穩定。

3) 相同初速垂直入水情況下,入水400 μs后,MEA槍彈相較常規步槍彈存速能力提高19.3%,侵徹位移增加13%,減阻增程效果明顯。