入射角度对破片穿甲威力影响

袁新波

(安徽神剑科技股份有限公司，合肥 230601)

破片穿甲威力是指战斗部装药起爆后驱动预制破片，使其获得高初速、高动能，进而利用其动能侵彻装甲、以及完成后效杀伤的能力［1］。装药起爆后，战斗部外形影响破片的空间分布，同时破片飞散特性使得预制破片在接触装甲钢板时存在一定角度，入射角度(破片速度方向与靶板法线方向夹角)不同，接触面积及穿甲等效厚度均有所不同［2］。因此研究破片不同入射角度穿甲过程中，速度、动能衰减曲线有着重要意义。

立方体钨破片作为预制破片的一种类型，由于具有密度高、衰减系数小、穿甲能力强等优点被广泛用于预制破片战斗部［3］。本文以立方体钨破片为研究对象，建立有限元模型，对比研究破片以不同入射角度进行斜穿甲过程中，速度、动能衰减趋势，并确定极限入射角度。

1 仿真模型建立及计算方案确定

1.1 仿真模型建立

本文采用三维Lagrange计算方法，建立立方体钨破片斜穿甲三维仿真模型，立方体钨破片边长8 mm，质量均为9 g，钢板靶厚度为10 mm。由于破片尺寸远小于靶板尺寸，靶板远端受到影响较小，可以将靶板考虑为无限靶，因此对靶板四边施加非反射边界条件［4］，破片与靶板之间接触采用CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法采用［5］。立方体钨破片斜穿甲仿真模型如图1所示，δ为入射角度。

图1 破片斜穿甲仿真模型

1.2 材料模型及参数选择

钨破片密度高、强度极限较大，因此将钨破片在数值模拟中作为钢体处理，选择*MAT_RIGID材料模型，其参数为:密度 ρ=17.3 g/cm3;弹性模量E=117 GPa;泊松比 μ=0.22［6］。钢板靶选用的材料模型为*MAT_JOHNSON_COOK，该模型是描述材料在大变形、高应变率和高温条件下的本构模型，适用于大部分金属材料，其应力表达式为［7］

式(1)中:参数A、B、C、n、m为材料常数，由材料动力学试验推导;Troom、Tmelt分别为室温Tr和熔点温度Tm;为等效塑性应变是=ls-1时的等效塑性应变率，状态方程为EOS_GRUNEISEN［8］。其材料模型参数及状态方程参数分别如表1、表2所示。

表1 钢板靶材料模型参数

表2 钢板靶状态方程参数

1.3 计算方案确定

确定钢板靶厚度为10 mm，立方体钨破片初速度为1200 m/s前提下，钨破片分别以入射角度为 δ=0°、δ=15°、δ=30°、δ=40°4种情况进行斜穿甲仿真计算。

2 仿真计算结果分析

2.1 穿甲深度对比

立方体钨破片分别以 δ=0°、δ=15°、δ=30°、δ=40°4 种入射角度进行斜穿甲，穿甲剖面图如图2所示。

图2 钨破片穿甲剖面图

图2可以得出，入射角度在0～30°范围内，立方体钨破片均可以穿透装甲钢板。入射角度δ=40°时，钨破片无法穿透，直至嵌入靶板。并且在挤压开坑阶段，靶板孔洞等效直径随入射角度增大而增大。

造成以上情况的主要原因是:

1)入射角度增大，破片穿甲的等效厚度增大;

2)破片垂直靶板的分速度随着入射角度的增大而减小，入射角度过大时，会造成侵彻动能不足，无法穿透靶板;

3)存在入射角度时，破片产生与靶板平面平行的分速度，穿甲过程中，平行分速度造成破片平行侵彻靶板距离长，开坑孔径大。

2.2 速度衰减对比

立方体钨破片以1200 m/s初速度进行斜穿甲，不同入射角度穿甲的速度衰减曲线如图3所示，破片剩余速度如表3所示。

图3 破片速度衰减曲线

钨破片以不同入射角度进行斜穿甲，破片的穿透情况以及剩余速度如表3所示。

表3 破片剩余速度对比

由图3、表3可以得到以下结论:

1)入射角度在0～30°范围内，立方体钨破片穿甲过程中，速度明显下降，穿甲完成后，破片剩余速度稳定;

2)入射角度在0°～30°范围内，立方体钨破片剩余速度随入射角度的增加而减小，速度衰减率随入射角度增大而增大。但破片剩余速度及速度衰减率变化变化趋势，说明入射角度在30°之内，立方体钨破片穿甲威力受到入射角度影响不大;

3)入射角度δ=40°，立方体钨破片无法穿透，并最终嵌入钢板靶，说明入射角度大于δ≥40°，立方体钨破片无法穿透靶板，失去后效毁伤效能。

2.3 确定极限入射角度

入射角度δ≥40°时，立方体钨破片无法穿透10 mm钢靶板，最终影响杀伤效能。现将入射角度调整到δ=39°，利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件进行穿甲仿真，穿甲过程如图4所示。

图4 δ=39°，破片穿甲过程

入射角度δ=39°，立方体钨破片穿甲过程中，速度、动能衰减曲线如图5所示。

图4、图5可以看出，入射角度δ=39°，立方体钨破片可以穿透10 mm钢板靶，并且剩余速度为125.9 m/s，剩余动能为124.4 J。根据我国采用质量大于1 g的破片为有效破片，其动能大于98 J的为有效杀伤破片的准则［9］，入射角度δ=39°的立方体钨破片穿透10 mm钢板靶后，仍然具有杀伤效能。

图5 速度、动能衰减曲线

3 结论

1)入射角度在0°～39°范围内，立方体钨破片可以穿透10 mm钢板靶，剩余动能仍具有后效杀伤威力;

2)极限入射角度内，钨破片剩余速度随入射角度的增加而减小，速度衰减率随入射角度增大而增大;

3)入射角度δ=40°，立方体钨破片无法穿透10 mm钢板靶，确定δ=39°为极限入射角度。

［1］魏峰.某战斗部预制破片设计及破片威力数值模拟［D］.沈阳:东北大学，2010:1-3.

［2］卢芳云，李翔宇，林玉亮.战斗部结构与原理［M］.北京:科学出版社，2009:90-100.

［3］米双山，张锡恩，陶贵明.钨球侵彻LY-2铝合金靶板的有限元分析［J］.爆炸与冲击，2005，25(5):477-480.

［4］孟文，张娟.球形破片侵彻金属靶板的数值模拟研究［J］.中国水运，2006，6(6):73-74.

［5］时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1进行显示动力分析［M］.北京:清华大学出版社，2005:130-145.

［6］米双山，刘东升，张建茂.球形破片侵彻靶板的损伤模式研究［J］.弹箭与制导学报，2006，26(1):741-746.

［7］孟文，张娟.球形破片侵彻金属靶板的数值模拟研究［J］.中国水运:学术版，2006，06(06):73-74.

［8］LSTC inc.LS-DYNA KEYWORD USER’S MANUAL(Version 970)，2003［M］.北京:水利水电出版社，2008.

［9］王儒策，赵国志，杨绍卿.弹药工程［M］.北京:北京理工大学出版社，2002:121-126.