枪榴弹侵彻木靶板时前冲过载特性仿真研究

李来福，王雨时

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

枪榴弹侵彻木靶板时前冲过载特性仿真研究

李来福，王雨时

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

为给枪榴弹机械触发引信性能优化设计提供参考，利用LS-DYNA软件仿真截锥形弹头不同端面直径的枪榴弹以不同着角侵彻不同厚度木质薄靶板过程，得到了弹丸头部在贯穿靶板过程中弹丸前冲过载系数和弹丸速度。结果表明：着角、弹头端面直径、靶板厚度不同时，弹丸侵彻过程中前冲过载系数变化和速度变化不同；弹丸最大前冲过载系数出现在弹丸垂直碰击靶板的初始时刻；弹丸速度在侵彻初始阶段衰减最快。在靶场射击试验考核引信触发作用灵敏度和钝感度时，应考虑弹丸着角、立靶姿态、靶板厚度和弹头端面直径等因素的影响。

枪榴弹；触发引信；侵彻；薄靶板；前冲过载；特性仿真

0 引言

灵敏度和钝感度是机械触发引信两个重要指标。引信触发作用灵敏度和钝感度与弹丸碰击目标时的前冲过载密切相关，工程上常用弹丸射击薄靶板试验来考察机械触发引信的灵敏度和钝感度是否满足设计指标要求。而弹丸射击碰撞靶板的过程即弹丸侵彻、贯穿靶板的过程。典型的射击试验用薄靶板有水曲柳胶合板和杉木板等。

目前，国内外关于弹丸侵彻理论研究已较深入。文献[1]对刚性截锥形弹丸以低、中速侵彻薄靶板时的动态特性进行了理论分析和数学计算；在此基础上文献[2]通过考虑靶板强度效应，使建立的数学模型更适用于低速冲击薄靶板情形。有关弹丸侵彻过程中弹丸的前冲过载研究文献也较多。文献[3]通过数值仿真研究了不同头部形状的弹丸以不同着角碰击薄靶板时弹丸的最大前冲过载系数变化情况。文献[4]通过仿真手段研究了小口径穿甲爆破弹以不同着角、不同着速侵彻不同目标时弹丸前冲过载特性。目前未见有研究枪榴弹侵彻过程中前冲过载变化情况以及弹丸速度衰减情况的文献。现就此通过仿真某40 mm枪榴弹侵彻水曲柳胶合板过程，得出弹丸前冲过载系数变化以及弹丸速度随不同弹头端面直径、碰靶着角、靶板厚度的变化情况，为枪榴弹机械触发引信灵敏度和钝感度优化设计提供参考。

1 弹丸侵彻仿真模型

1.1 有限元模型

以质量为310 g、截锥形弹头形状的某40 mm枪榴弹侵彻水曲柳胶合板为例，建立有限元数值模型，弹丸碰击靶板速度为90 m/s。将弹丸简化为两部分即弹体外壳和壳内填充物——土壤，根据文献[5]可知将填充物等效为土壤对弹丸侵彻过程中的弹丸前冲过载影响较小。采用g·cm·μs单位制来建立仿真模型。采用三维实体显示单元划分网格，映射划分模型网格；为减小计算时间，建立1/2模型，在对称面上施加对称约束，靶板边界施加固定约束，并在靶板侧表面施加非反射边界条件，模拟无限大靶板，从而消除边界效应。建立的弹丸和靶板有限元仿真模型如图1所示。

弹丸侵彻靶板过程中，弹丸头部有轻微侵蚀变形，可忽略不计。由于重点关注弹头在侵彻靶板过程中弹丸前冲过载变化情况，同时为提高仿真效率，故对侵彻模型简化如下：

1) 忽略弹丸自身重力的影响；

2) 忽略空气阻力；

3) 仿真模型去掉尾翼；

4) 弹壳和弹丸内部填充物是均质的；

5) 忽略靶板在弹丸侵彻过程中的整体运动；

6) 弹丸侵彻靶板前，弹丸和靶板应力均为0；

7) 靶板为均质的；

8) 靶板表面为均匀平面。

图1 弹丸和靶板有限元模型

1.2 材料模型

弹丸外壳材料取为7A04铝合金，其材料仿真参数由材料模型和状态方程描述。在LS-DYNA中采用“*MAT_JOHNSON_COOK”来定义7A04铝合金材料；用“*MAT_PLASTIC_KINEMATIC”来定义弹丸配重土壤模型和水曲柳胶合板。7A04铝合金、土壤和水曲柳胶合板材料模型参数如表1和表2所列[6-8]。

表1 7A04铝合金的Johnson-Cook材料模型参数

表2 土壤和水曲柳胶合板材料主要参数

2 仿真结果

弹丸侵彻靶板相关模型仿真参数如表3所列。

表3 侵彻模型仿真设置参数 mm

2.1 着角对前冲过载和速度的影响

以弹头端面直径为20 mm的弹丸侵彻3 mm厚水曲柳胶合板过程为例进行说明。弹丸以着角0°、2°、5°、10°、20°、30°、45°和60°侵彻水曲柳胶合板时，弹丸前冲过载系数变化曲线如图2所示，弹丸速度衰减曲线如图3所示。

图2 不同碰靶着角时弹丸前冲过载系数变化曲线

图3 不同碰靶着角时弹丸速度变化曲线

从图2可看出，弹丸在垂直侵彻靶板时的最大前冲过载系数最大。当弹丸碰靶着角>0°时，最大前冲过载系数明显减小，尤其是从0°增大到2°时，最大前冲过载系数由1949.1减小为772.9。随着角从2°增大60°时，弹丸最大前冲过载系数变化幅度逐渐减小，最大前冲过载系数从772.9减小为255.8；最大前冲过载系数达到最大所用时间随着碰靶着角的增大而加长；而且几种过载系数变化曲线形状类似。

从图3可看出，弹丸碰靶着角(如0°、2°和5°)较小时弹丸速度先是近似线性迅速衰减，然后非线性缓慢衰减，最后速度稳定不变。而着角(30°、45°和60°)较大时，弹丸速度以非线性方式衰减；在着角较小时，弹丸速度衰减后稳定时间也基本相同。说明弹丸速度变化与弹丸所受阻抗力而导致的前冲过载系数变化是一致的。

根据文献[2]所述截锥形弹丸侵彻靶板分为两个过程：冲塞过程和撕裂过程；弹丸碰击靶板初始阶段为冲塞过程，之后为弹丸对靶板的撕裂过程。对比图2和图3可以看出：在弹丸开始垂直碰击靶板的较短时间内其前冲过载系数迅速达到最大，弹丸速度迅速衰减；此阶段对应于弹丸对靶板的冲塞剪切阶段。当弹丸碰靶着角>0°时，弹丸头部“冲塞”冲下的靶板面积不同，弹丸对靶板的扩孔大小不相同，弹丸对靶板的撕裂情况也不同，弹丸所受抗力就不同，因此弹丸最大前冲过载系数不同。但是从图3可以得出：弹丸在0°着角下的最大前冲过载系数最大，而随着碰靶着角从0°增大到60°时，弹丸最大前冲过载系数逐渐减小。

2.2 靶板厚度对前冲过载系数和速度的影响

弹头端面直径为20 mm的弹丸垂直侵彻3 mm、5mm、9mm、15mm和25mm厚水曲柳胶合板时，弹丸前冲过载系数变化曲线如图4所示，弹丸速度衰减曲线如图5所示。

图4 不同水曲柳胶合板厚度弹丸前冲过载变化曲线

图5 不同水曲柳胶合板厚度弹丸速度变化曲线

在其他侵彻条件相同的情况下，靶板厚度分别为3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm时，最大前冲过载系数分别为1 949.1、2 800.4、2 938.8、2 939.7和3 179.9。因此可以得出随着靶板厚度的增大最大前冲过载系数也增大但增大幅度较小。由图4可以看出在侵彻初始阶段前冲过载系数就达到最大值，且达到最大值时间基本相同，说明弹丸垂直侵彻靶板时，无论靶板厚度大小如何，弹丸最大前冲过载均出现在弹丸碰击靶板初始时刻。

从图5可以看出弹丸速度先是在极短时间内近似线性衰减，然后经历较长时间的非线性减小，最后速度稳定不变。说明弹丸速度变化与弹丸所受阻抗力而导致的前冲过载系数变化是一致的。

头部为截锥形的弹丸侵彻靶板过程即弹头端面冲塞靶板、弹头锥面扩孔撕裂靶板和弹体贯穿靶板过程。在冲塞阶段，弹丸所受剪切抗力较大且力的大小较稳定，因而弹丸近似线性减速；在撕裂扩孔阶段，弹丸所受抗力是变化的，因而弹丸速度非线性减小；最后弹丸扩孔结束，弹丸不再受抗力，速度保持不变。因此由图4和图5可以得出：靶板越厚，弹丸最大前冲过载系数越大，弹丸速度衰减幅度越大，而弹丸侵彻5种不同厚度靶板时，弹丸速度线性衰减时间和衰减幅度基本相同。

2.3 弹头端面直径对前冲过载和速度的影响

以弹丸垂直侵彻3 mm厚水曲柳胶合板为例进行说明。端面直径分别为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的弹丸侵彻水曲柳胶合板时，弹丸前冲过载系数变化曲线如图6所示，弹丸速度衰减曲线如图7所示。

图6 不同弹头端面直径下弹丸前冲过载变化曲线

通过仿真得出弹头端面直径D分别为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm时，对应的最大前冲过载系数分别为398.9、582.0、1 189.2和1 949.1。由图6可以看出弹头端面直径越大，最大前冲过载系数也越大，过载系数变化曲线趋势相同。而且随着弹头端面直径增大，最大前冲过载增大幅度也越大。由图7可以看出在侵彻靶板过程中，弹丸速度先是经历近似线性衰减，又呈非线性变化，最后趋向稳定，而且不同弹头端面直径的弹丸速度近似线性衰减时间和非线性衰减时间基本相同。弹丸速度在近似线性衰减阶段，弹丸头部端面直径D越大，衰减程度也越大。这是因为弹头端面直径D越大，弹丸对靶板冲塞面积越大，其所受抗力也越大。说明弹丸速度变化与弹丸所受阻抗力而导致的前冲过载系数变化是一致的。

图7 不同弹头端面直径下弹丸速度载变化曲线

2.4 弹丸最大前冲过载系数汇总

弹头端面直径D分别为5 mm、10 mm、15 mm、20 mm的弹丸以90 m/s落速、0°～60°着角侵彻3 mm～25 mm厚度水曲柳胶合板的最大前冲过载系数如表4所列。

表4 最大前冲过载系数仿真结果汇总

由表4可以看出：在其他侵彻条件相同的情况下，弹丸垂直碰靶时弹丸最大前冲过载系数最大；碰靶角度>0°时，最大前冲过载系数明显减小，尤其是碰靶角度从0°增大到2°时，最大前冲过载系数急剧减小，从2°增大到60°时，最大前冲过载系数变化不一，但整体上弹丸的最大前冲过载系数在逐渐减小。同时也可以得出在其他侵彻条件相同情况下，弹头端面直径越大，最大前冲过载系数就越大，从而验证了弹丸侵彻靶板的冲塞剪切抗力是弹丸产生前冲过载的主要原因；而且在其他侵彻条件相同情况下，靶板越厚，最大前冲过载系数增大也就越明显。

a) 最大前冲过载系数与靶板的厚度关系

由表4可知：弹丸侵彻靶板时，弹丸头部端面直径和靶板厚度不同，最大前冲过载系数也不同；以弹头端面直径D为5 mm、10 mm、15mm和20 mm的弹丸垂直侵彻3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm厚水曲柳胶合板的弹丸最大前冲过载系数来说明，如图8所示。

图8 不同弹头端面直径的弹丸垂直侵彻不同厚度 胶合板时的最大前冲过载系数

由图8可以看出：在其他侵彻条件相同的情况下，靶板越厚，最大前冲过载系数越大，但是增大的幅度逐渐减小。其他侵彻条件相同的情况下，弹丸头部端面直径越大，最大前冲过载系数也越大。

b) 最大前冲过载系数与着角的关系

由表4可以看出：碰靶着角不同，弹丸最大前冲过载系数也不同；以弹头端面直径D为20 mm分别以0°、2°、5°、10°、20°、30°、45°和60°着角侵彻3 mm、5 mm、9 mm、15 mm和25 mm厚水曲柳胶合板的弹丸最大前冲过载系数来说明，如图9所示。

图9 不同着角侵彻胶合板时最大前冲过载系数

由图9可看出，弹丸垂直侵彻靶板时，其最大前冲过载系数最大。当碰靶着角>0°时，最大前冲过载系数大小变化不一。当靶板厚度较薄时(如3mm和5mm厚靶板)，着角越大，最大前冲过载系数越小；当靶板较厚时(如15mm和25mm厚靶板)，0°着角增大到2°着角时，最大前冲过载系数迅速减小，之后随着碰靶着角从2°增大时，最大前冲过载系数在小范围内增大或减小。

3 结语

运用LS-DYNA软件仿真头部形状为截锥形的枪榴弹以不同着角侵彻不同厚度靶板的过程，研究了弹丸在侵彻过程中前冲过载系数和速度变化情况，为枪榴弹弹底机械触发引信优化设计提供了参考和依据。

a) 弹头形状为截锥形的枪榴弹碰靶着角从0°增大到60°，弹丸最大前冲过载系数先是从1949.1迅速减小为772.9，然后逐渐减小为255.8。可知弹丸碰靶着角对弹丸前冲过载影响较大。因此在弹丸靶场试验考核引信触发作用灵敏度和钝感度时，需要关注弹丸着角以及布靶误差导致的着角变化对试验结果的影响。

b) 弹头端面直径D分别为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的弹丸垂直侵彻3 mm厚水曲柳胶合板时，对应的最大前冲过载系数分别为398.9、582.0、1 189.2和1 949.1。由此可知截锥形弹头端面直径对弹丸最大前冲过载影响较大。因此在设计弹头形状与尺寸时应综合考虑，使其满足前冲过载的需要。

c) 弹丸侵彻不同厚度的靶板，其前冲过载变化不同。因此在靶场试验引信触发作用不同灵敏度时，可以选用不同厚度的靶板来考察引信作用灵敏度和钝感度。

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Simulation Research on Performance of Rifle Grenade Set-forwardOverload at Penetrating Wood Target

LI Laifu, WANG Yushi

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094, China)

In order to give a reference to optimal design of a rifle grenade mechanical contact fuze, LS-DYNA is used to simulate the process of rifle grenade penetrating target plate. The warhead of rifle grenade is truncated cone, and the diameter at the end of warheads. the thickness of target plate and the angle of bullet penetrating target plate are all different. Through the simulation the set-forward overload factor and speed of rifle grenade at its warhead penetrating targets are got. Then the simulation results demonstrate that the change of set-forward overload factor and speed of rifle grenade is different on the different conditions of the penetration. In the initial moment of penetrating the target plate vertically, the set-forward overload factor is maximum, and the attenuation of speed is quickest. Assessing the fuze triggering sensitivity and insensitivity in shooting range, some factors should be considered, including penetrating angle, gesture and thickness of the target ,and diameter at the end of warheads.

rifle grenade; contact fuze; penetration; thin wood target; set-forward overload; performance simulation

李来福(1989-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：武器系统与运用工程。

TJ411+.8; TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0108-05

2014-01-21