钨合金球形破片对低碳钢的穿甲极限

徐豫新，王树山，伯雪飞，梁 勇

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.中国兵器工业集团5103厂，南召 473000)

钨合金球形破片对低碳钢的穿甲极限

徐豫新1，王树山1，伯雪飞2，梁 勇2

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081;2.中国兵器工业集团5103厂，南召 473000)

研究特定质量钨合金球形破片对低碳钢侵彻与贯穿中的极值。针对钨合金球形破片对半无限和有限厚度低碳钢的高弹速穿甲，首先通过数值仿真得到了典型直径破片的极限侵彻深度，同时获得了球形破片直径与极限穿透厚度的关系;在此基础上，针对不同直径破片进行了穿甲实验，实验结果与数值仿真及分析具有较好的一致性，根据实验现象和数值仿真分析了不同撞靶速度下破片的破损形式。研究结果具有重要的应用价值。

钨合金球形破片;低碳钢;极限侵彻深度;极限穿透厚度

钨合金球形破片由于其密度大，保持速度和穿甲的能力强，已逐渐成为杀伤战斗部的首选毁伤元素，因此，钨合金球形破片的穿甲特性研究具有十分重要的应用价值［1～6］。以往针对破片穿甲问题，大多集中在常规弹速［7、8］(500 m/s～1 300 m/s)撞靶条件下钢制破片对单一均质钢靶的穿甲实验与机理研究，且大都认为:相同弹靶条件下，完全贯穿靶板的厚度随撞靶速度的增加一定增大。对于高弹速［7、8］(1 300 m/s ～3 000 m/s)穿甲，钱伟长［6］指出:压强接近或超过材料强度，撞击体和靶体材料呈现流动性。此外，午新民［9］的研究结果表明:随撞靶速度的增加，钨合金撞击体侵入有限厚度钢板初期出现侵蚀及破碎现象，对穿甲过程有较大影响。由此可推测，特定质量的钨合金破片对钢靶体的侵彻与贯穿存在极限。针对钨合金球形破片这一典型杀伤元素对低碳钢的穿甲极限问题，进行了数值仿真，分别获得了极限侵彻深度与撞靶速度、极限穿透厚度与破片直径的关系;此外，利用弹道枪和轻气炮抛射不同直径钨破片进行了穿甲实验，实验结果与数值仿真及分析具有较好的一致性。

1 弹－靶作用系统

综合考虑牵连速度、破片初速和飞行中的速度衰减及装甲目标的防护特性，研究选取球形破片直径在5.0 mm～9.0 mm范围之间，钨合金撞击体材料为典型的W152(93 W)，低碳钢靶体材料为典型的Q235A钢;针对所关注的高弹速穿甲，选取破片撞靶速度范围在1 300 m/s～2 400 m/s之间。根据上述条件组成弹靶作用系统进行数值仿真与实验。

2 数值仿真

2.1 极限侵彻深度

首先，研究钨合金球形破片的极限侵彻深度。选用典型7.0 mm直径钨合金球形破片作为侵彻体，考虑靶体背部隆起或盘状变形相关力对穿透过程的影响，结合文献［7］中靶厚判据，取靶体厚度为30 mm。据此，建立破片侵彻半无限靶体数值仿真所需要几何模型并离散化，破片最小网格尺寸为:2 mm，靶板网格中心加密，最小网格尺寸为:6 mm，设置边界约束及无反射边界条件，如图1所示。设定钨材料密度为:17.5 g/cm3，选用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN状态方程予以描述;Q235A钢材料密度为密度:7.83 g/cm3，选用PLASTIC_KINEMATIC材料模型予以描述，根据文献［10］进行具体材料参数赋值，建立有限元计算模型。型变形情况，如图3所示，经计算可得到7 mm直径破片的极限穿透厚度为:18.30 mm，该值大于极限侵彻深度值(14.45 mm)。据此可知，对于有限厚度靶板，靶板中的初始压缩波传到边界，迅速反射的稀疏波拉伸效应明显影响破片穿甲过程。因此，钨合金球形破片高弹速侵彻钢靶板时，极限穿透厚度大于极限侵彻深度。

计算中撞靶速度按“低—高”次序，从1 300 m/s开始递增，每次递增100 m/s，直至2 400 m/s，7 mm直径球形破片未完全贯穿30 mm厚Q235A钢，且靶板背部未出现隆起或盘状变形，依据计算结果拟合获得侵彻深度与破片撞靶速度关系曲线，如图2所示。根据图2可以看出，侵彻深度随撞靶速度的增加并非一直增加，撞靶速度为2 230 m/s时，存在极限值。

2.2 极限穿透厚度

进一步研究钨合金球形破片的极限穿透厚度。仍采用相同计算参数、网格尺寸，以2 230 m/s的撞靶速度，对7 mm直径破片贯穿有限厚度Q235板进行仿真，并将球形破片恰好完全贯穿的靶板厚度作为数值仿真得到的极限穿透厚度，惯穿靶板后钨合金球形破片典

在上述基础上，接下来研究不同直径破片对有限厚度钢板的极限贯穿。选用破片直径在5.0 mm～9.0 mm之间，撞靶速度为2 230 m/s进行仿真。根据仿真结果拟合获得极限穿透厚度与破片直径的关系曲线，如图4所示，对应的破片极限穿透厚度计算公式为:

式中:T为极限穿透厚度/mm，D为破片直径/mm;据此式经分析可知:直径为5.0 mm、6.0 mm、7.0 mm、8.0 mm、9.0 mm的钨合金球形破片极限穿透厚度分别为:14.03 mm、15.60 mm、18.10 mm、21.70 mm、26.18 mm;对于其逆命题:欲恰好完全贯穿15 mm、18 mm、20 mm厚Q235钢板，破片直径则需分别大于5.68 mm、6.97 mm、7.57 mm，如图4 所示。

3 实验及结果分析

选用牌号为W243(93 W)的钨合金材制球形破片(实测硬度(HRC):27)和不同厚度Q235A钢板(实测硬度(HRC):3)，进行不同直径球形破片对有限厚度钢板的垂直穿甲实验，验证上述计算及结论的可信度。

3.1 实验方案

根据现有条件，通过12.7 mm弹道枪速度加载，抛射直径为6.0 mm、7.0 mm和7.9 mm的球形破片垂直侵彻15 mm、18 mm和20 mm厚的Q235A钢板，通过改变发射药量来调整抛射速度，抛射破片撞靶速度范围在1 300 m/s～1 800 m/s之间，具体实验布置如图5所示;通过二级轻气炮加载，抛射7.0 mm直径破片垂直侵彻20 mm厚Q235钢板，通过改变发射膛压来调整抛射速度，抛射破片撞靶速度范围在1 900 m/s～2 400 m/s之间，具体实验布置如图6所示。

3.2 实验结果及分析

逐发实验、观察、检查破片对靶侵体入及贯穿情况，典型穿孔情况，如图7所示，通过软回收装置回收的靶板冲塞块和破片残余体，如图8所示。

记录破片在不同撞靶速度条件下对Q235A的穿甲特性，部分列于表1中，可以看出:6.0 mm直径破片可完全贯穿14.8 mm厚Q235A靶板;7.0 mm直径破片可完全贯穿17.6 mm厚Q235A靶板;17.9 mm直径破片可完全贯穿19.7 mm厚Q235A靶板。实验结果与数值仿真及分析具有较好的一致性。

图7 Q235钢靶典型破坏情况Fig.7 The typical damage of Q235 steel target plate

表1 破片贯穿Q235钢板部分实验结果Tab.1 the some the experiment outcome of the fragments perforated Q235 steel plate

图8 靶板冲塞块和破片破损情况Fig.8 Plugging blocks and fragments damage situation

通过数值仿真并结合实验现象分析得出:球形钨合金对低碳钢板的穿甲过程可分:反挤压缩(开坑翻边，破片产生变形、侵蚀或破碎)→侵彻→剪切冲塞三个阶段，随撞靶速度的增加，破片损伤形式表现为:变形→侵蚀→破碎，在撞靶速度大于1 600 m/s时侵蚀及破碎较为明显，此时为一破碎团在强约束环境中的侵彻与贯穿，随撞靶速度的进一步增大，靶板开坑翻边直径有明显增加，而侵彻深度的增加不再明显。

4 结论

通过高弹速球形钨合金破片对低碳钢穿甲特性的数值仿真和实验研究，得到主要研究结论如下:

(1)随撞靶速度增加，钨合金球形破片对半无限低碳钢的穿甲过程出现侵蚀及破碎现象，侵彻深度随撞靶速度的增加存在极值;

(2)钨合金球形破片对有限厚度低碳钢板存在极限穿透厚度，极限穿透厚度主要由破片的质量所决定;

(3)研究所得到的极限侵彻深度与撞靶速度、极限穿透厚度与破片直径的关系对杀伤战斗部毁伤元设计和威力分析有重要应用和参考价值。

［1］谭多望，李 翔，温殿英，等.球形钨合金破片终点弹道性能试验研究［J］.爆炸与冲击，2003(5):425－429.

［2］陈志斌.钨合金预制破片对靶板侵彻机理研究［D］.北京:北京理工大学，2007.

［3］黄长强，朱鹤松.球形破片对靶板极限穿透速度公式的建立［J］.弹箭与制导学报，1993(4):58－61.

［4］贾光辉，孙学清，裴思行.极限穿透速度与靶板材料动态屈服强度［J］.弹道学报，1998(4):46－49.

［5］ Czarnecki G J.Estimation of the V50Using Sem-empirical(1-point)Procedures ［J］.Com-posites part B:Engneering，1998(3):321－329.

［6］ Martineau R L，Prime M B，Duffey T.Penetration of HSLA-100 SteelWith Tungsten Carbide SpheresAtStriking Velocities Between 0.8 and 2.5 km/s［J］.International Journal of Impact Engineering，2004(5):505 －520.

［7］钱伟长.穿甲力学［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［8］马晓青，韩 峰.高速碰撞动力学［M］.北京:国防工业出版社，1998.

［9］午新民，钨合金球体对有限厚靶板侵彻的理论与实验研究［D］.北京:北京理工大学，2007.

［10］徐豫新，王树山，翟 喆，等.高速钨合金破片对中厚钢靶的穿甲效应研究［C］.2009年第九届冲击动力学学术会议，2009:678－682.

Armor-piercing ultimate of tungsten alloy spherical fragment against low-carbon steel

XU Yu-xin1，WANG Shu-shan1，BO Xue-fei2，LIANG Yong2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China;2.Factory 5103 China North Industries Group Corporation，NanZhao 473000，China)

The extreme values of specific mass tungsten alloy spherical fragment penetrating and perforating lowcarbon steel were studied.For armor-piercing of tungsten alloy spherical fragment against semi-infinite and finite thickness low-carbon steel with higher projectile penetration speed，firstly，ultimate penetration depth of the spherical fragment with typical diameter was obtained using numerical simulation，at the same time，the relation between ultimate pierced thickness and the diameter of the spherical fragment was gained.Based on the above results，armor-piercing tests of different diameter fragments against Q235 steel plate were done，the test results agreed well with those of numerical simulations.According to test phenomena and numerical simulations，the damage form of the spherical fragment was analyzed with different impact speed.The research results were valuable for engineering applications.

tungsten alloy spherical fragment;low-carbon steel;ultimate penetration depth;ultimate pierced thickness

TJ012.4

A

2010－02－23 修改稿收到日期:2010－03－18

徐豫新 男，博士生，1982年8月生