易碎穿甲弹材料性能研究

章程浩,沈培辉

(南京理工大学 智能弹药国防重点学科实验室，南京　210094)



易碎穿甲弹材料性能研究

章程浩,沈培辉

(南京理工大学 智能弹药国防重点学科实验室，南京210094)

摘要：为研究弹体材料性能对易碎穿甲弹破碎特性的影响，采用AUTODYN有限元软件，模拟了不同材料性能弹体对有限厚靶的作用过程，并根据斜侵彻有限厚靶过程中弹体发生折断现象的物理模型，分析了材料性能对折断现象的影响规律。结果表明：在一定范围内，弹体的破碎特性随着弹体材料密度的增大和抗拉强度的减小而提高；在大角度斜侵彻过程中，随着弹体材料密度的增大和抗拉强度的减小，弹体易于发生折断现象。

关键词：爆炸力学；易碎弹；破碎；折断

本文引用格式：章程浩,沈培辉.易碎穿甲弹材料性能研究[J].兵器装备工程学报，2016(7):144-148.

Citationformat:ZHANGCheng-hao,SHENPei-hui.StudyonBehaviorofMaterialsUsedinFragilePenetrator[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):144-148.

易碎穿甲弹作为一款新型弹药，兼具目标侵彻和后效二次毁伤能力。

对于易碎穿甲弹而言，弹体材料不仅应满足发射强度和侵彻能力的要求，而且应具备较好的破碎特性。国外学者基于对镍、铁、铝等化合物的研究，已成功研制出多种不同组分的易碎材料，如钨镍铜材料和钨镍铝材料[1-3]。由于Ni-Fe-Al化合物具有高温韧脆转变、低应变硬化率等特点，国内学者将其作为易碎材料的黏结剂进行相应的研究，发现受黏结相的影响，材料破碎性能明显提高[4-6]。此外，为提高易碎材料的制备能力，赵红梅等人将粉末冶金工艺与塑料成型工艺相结合，减小了材料的变形，使材料性能有了大幅提高[7-8]。

本研究在此基础上，分析了弹体材料性能对弹体破碎特性的影响规律，并通过弹体斜穿透有限厚靶过程中发生折断条件的物理模型，分析弹体材料性能对弹体折断现象的影响。

1有限元模型

采用AUTODYN工程动力分析软件，数值模拟不同特性材料弹体穿透有限厚靶的全过程。弹体为直径10mm的圆杆平头弹，靶板为长和宽均为100mm的均质钢板。

易碎穿甲弹在穿甲过程中，材料强度模型应考虑大变形、高应变率和高温过程的影响。本文采用Johnson-Cook强度模型，表达式为

(1)

(2)

式中：Tmelt为材料融化温度；Troom为室温。

由易碎穿甲弹的侵彻机理及破碎特性可知，易碎穿甲弹弹体材料的动态抗拉强度远小于其动态抗压强度，易于发生拉伸断裂。因此，采用PrincipalStress模型作为弹体材料的失效模型。靶板材料参数如表1所示。

表1　靶板材料参数

2计算结果及分析

2.1材料性能对破碎特性的影响

对于相同体积大小的弹体，弹体质量随着弹体密度的增大而增大，不仅可以提高弹体的飞行稳定性，而且可以提高对目标的侵彻毁伤能力。其中，材料密度在15～19g·cm-3范围内较好。

弹体长径比λ=5，分别模拟密度为15g·cm-3、17g·cm-3、19g·cm-3的高密度易碎钨合金弹体对10mm厚靶的侵彻过程，其中，弹体着速为1 200m/s、抗拉强度为200MPa。各密度弹体穿透靶板瞬间和穿透靶板后的情况如图1所示。在图1中可以看到：随着弹体材料密度的增大，穿透靶后弹体的破碎效果得到了相应的提高。具体表现为：弹体穿透有限厚靶后，在相同时刻，随着弹体材料密度的增大，弹体飞行距离更远，且弹身整体的破碎现象更为剧烈。

对于易碎穿甲弹，弹体在侵彻过程中所受变形能将致使弹体材料发生变形破坏。不同密度的弹体材料以相同的着靶速度穿透相同厚靶后的弹体变形能时间曲线如图2所示。由图2可以看到：随着侵彻的进行，不同材料密度的弹体在侵彻过程中所受变形能时间曲线的趋势基本相同，即随着侵彻的进行而逐渐增大，并在弹体穿透靶板后趋于稳定值；受弹体材料密度的影响，弹体所受变形能的稳定值随着弹体材料密度的增大而提高，分别为482J、516J和539J，其最大的差值达到了57J。可见，较大的密度将使弹体拥有较大的变形能，从而有利于易碎穿甲弹的变形破碎。

图1　不同密度材料的作用情况

图2　弹体变形能时间曲线

图1和图2表明随着弹体材料密度的增大，侵彻过程中弹体受到的变形能越大，对弹体的变形破碎越有利，具体表现为穿透有限厚靶后弹体材料愈发剧烈的破碎现象。在弹体着速相同的情况下，弹体材料的密度越大，弹体穿透靶板后的剩余速度也越大，弹体对靶板所做的功随之增大，因此，靶板对弹体反作用力做的功也相应增大，该部分能量转变为弹体变形能。故弹体材料的密度越大，弹体所受变形能越大，越有利于弹体材料的破碎。

2.2材料抗拉强度的影响

由易碎穿甲弹的破碎机理可知：穿透有限厚靶后，弹体材料受反射拉伸应力的作用而产生破坏。记弹体动态抗拉强度为σbp，弹体所受瞬时拉伸应力为σbps，当弹体材料的动态抗拉强度小于弹体所受瞬时拉伸应力时，弹体发生拉伸破碎，即：

(3)

弹体长径比λ=5，分别模拟抗拉强度为800MPa、500MPa、200MPa的弹体对10mm厚靶的穿透过程，其中弹体着靶速度为1 200m/s、密度为19g·cm-3。各抗拉强度弹体穿透靶板瞬间和穿透靶板后的情况如图3所示。在图3中可以看到：穿透有限厚靶后，弹体的破碎效果随着材料抗拉强度的减小而提高。具体表现为：对于不同抗拉强度的弹体，在侵彻有限厚靶的过程中，弹体没有发生明显的拉伸破碎现象，整体结构较为完整，弹体对有限厚靶的侵彻能力没有受到材料抗拉强度变化的影响；穿透有限厚靶后，随着材料抗拉强度的减小，弹体整体产生了更为剧烈的破碎现象，弹体剩余未破碎的体积也相应减少。

图3表明随着弹体材料抗拉强度的减小，弹体在穿透有限厚靶后的破碎效果更好，具体表现为弹体更为剧烈的破碎变形现象。在侵彻有限厚靶过程中，由于弹体主要受压应力的作用，而受材料抗拉强度的影响较小，不同抗拉强度的弹体在侵彻过程中所受变形能相差不大，弹体在穿透靶板过程中所受拉伸应力也较为接近。在相近的瞬时拉应力作用下，弹体材料动态抗拉强度越小，材料越容易被拉伸破坏，弹体的破碎现象也更加明显。故弹体材料抗拉强度越小，穿透靶板后弹体的破碎效果越好。

图3　不同抗拉强度材料的作用情况

2.3材料性能对弹体斜侵彻的影响

2.3.1受力分析

在斜侵彻过程中，判断弹体是否发生断裂具有重要意义。若弹体材料发生断裂，则弹体将减弱或失去对目标装甲的侵彻能力。

传统硬芯穿甲弹以800m/s的着靶速度斜侵彻有限厚靶的全过程如图4所示，分别为侵彻前期和后期。在侵彻前期，弹体头部刚侵入靶板，如图4(a)左图所示，此时作用在弹体头部的靶板抗力F1指向质心上方，弹体具有向上运动的趋势。对比图4(a)右图中弹体轮廓与轮廓切线可以看到，弹体头部向上弯曲变形。随着侵彻的进行，弹体头部穿透靶板，如图4(b)左图所示，此时靶板给予弯曲的弹体头部一个向下的抗力F2，弹体具有向下运动的趋势。对比图4(b)右图中弹体轮廓与轮廓切线可以看到，穿透靶板后的弹体头部向下弯曲。

图4　斜侵彻受力分析

斜侵彻过程中，弹体发生弯曲变形时的应力分布情况如图5所示。图5(a)为侵彻前期弹体头部侵入靶板时的应力分布情况，受靶板对弹体头部向上的抗力作用的影响，此时弹体头部下方所受应力较大，弹体略微向上弯曲变形，且弹体上方材料受到较大的压应力，而下方所受拉伸应力不大。图5(b)为侵彻后期弹体的受力情况，此时弹体头部穿透靶板，弹体头部受到靶板施加的抗力而向下弯曲，此时弹体头部上方明显受到了极大的压应力。同时，在受到向下的靶板抗力的作用下，原先弯曲处材料上方的瞬时压应力转变成为了瞬时拉伸应力，而弯曲处下方也受到较大的压应力。

图5　弹体应力分布情况

弹体在斜侵彻过程中出现断裂现象的过程如图6所示。图6(a)为弹体侵彻前期的瞬时状态情况，从其中可以看到此时弹体表面并未出现裂痕，即在侵彻前期弹体未发生折断现象。图6(b)为弹体侵彻后期的瞬时状态情况，从其中可以看到此时在弯曲处的弹体出现了较大的裂口，即弹体发生了折断现象，这与前面弹体的受力分析相一致。

图6　弹体折断情况

2.3.2折断现象的影响因素分析

平头圆柱形弹体斜侵彻有限厚靶的冲塞穿透过程如图7所示。图7中，α为着角，β为转动角，v0为着靶速度，vr为弹体剩余速度，m为弹体质量， ms为冲塞质量。

图7　薄板斜穿孔简化图

根据文献[9]中对穿甲弹侵彻薄板过程中折断现象的计算分析，折断系数χ的表达式为

(4)

式中：ρp为弹体材料密度;λ为长径比; vc为穿透极限速度;Ce=b/d，b为靶板厚度，d为弹体直径。

当折断系数χ大于1时，弹体在侵彻过程中将发生折断。因此，将式(4)记为

(5)

在侵彻有限厚靶时，根据K.A.贝尔金公式，极限速度vc的表达式为

(6)

其中:φ=6 160Ce/Cm，Cm=m/d3，K2为效力系数；σst为靶板材料的屈服极限。

1) 当弹体和靶板一定时

由式(6)可知，对于不同弹头形式的易碎穿甲弹，其极限穿透速度vc由弹体和靶板决定。当弹体和靶板的材料和几何尺寸一定时，除着角α以外，其他参数均为定值，故认为：对于一定的弹体和靶板而言，A变化较小，基本为常数。

综上分析可知：当弹体和靶板的材料和几何尺寸一定时，A基本为常数，则χ的大小仅与撞击条件B有关，即与着角α和着速v0有关，且着速越大，撞击条件B越大，折断系数χ也就越大，弹体易于折断。

2) 当着角和着速给定时

由式(4)，当着角α和着速v0一定时，χ与弹、靶材料性能和几何尺寸有关。对于靶板而言，与靶板厚度Ce、材料参数和极限速度vc有关，而极限速度vc实际反映了靶板材料对一定弹体的抗破坏性能；对于弹体而言，与弹体长径比λ、密度ρp和动态拉伸强度σbp有关，且与弹体材料密度ρp呈正比，与材料动态拉伸强度呈反比。弹体折断情况与弹体材料密度、动态拉伸强度的关系曲线分别如图8和图9所示。在其中可以看到：对于一定的着角和着速，当弹体材料密度大于E时或弹体材料抗拉强度小于F时，弹体在斜侵彻过程中将发生折断现象。故弹体材料的密度和抗拉强度越小，斜侵彻过程中弹体越容易发生折断现象，将对弹体的继续侵彻造成不利影响。

图8　与材料密度的关系

图9　与材料动态拉伸强度的关系

2.3.3材料密度对折断现象的影响

建立不同材料密度弹体30°斜侵彻有限厚靶的仿真模型。其中，弹体长径比λ=6，靶板厚度为15 mm，着速为1 500 m/s，弹体密度分别为15 g·cm-3和19 g·cm-3，抗拉强度为800 MPa。图10为不同材料密度弹体斜侵彻过程中的状态情况。从图10中可以看到：在对有限厚靶的斜侵彻过程中，弹体材料密度大小对弹体折断与否具有较大影响，当弹体材料密度为15 g·cm-3时，弹体弯曲处出现了较大的裂口，而当弹体材料密度为19 g·cm-3时，弹体弯曲处没有出现明显的裂口。故弹体材料密度越大，弹体越容易发生折断现象，这与图8的理论分析相吻合。

图10　不同密度斜侵彻结果

2.3.4材料抗拉强度对折断现象的影响

建立不同材料抗拉强度弹体30°斜侵彻有限厚靶的仿真模型。其中，弹体长径比λ=6，靶板厚度为15 mm，着速为800 m/s，弹体材料抗拉强度分别为300 MPa和800 MPa，密度为19 g·cm-3。图11为不同材料抗拉强度弹体斜侵彻过程中的状态情况。从图11中可以看到：在对有限厚靶的侵彻过程中，弹体材料抗拉强度大小对弹体折断具有较大影响，当弹体材料抗拉强度为300 MPa时，弹体弯曲处出现了较大的裂口，而当弹体抗拉强度为800 MPa时，弹体弯曲处没有出现明显的裂口。故弹体材料抗拉强度越小，弹体越容易发生折断现象，这与图9的分析相吻合。

图11　不同抗拉强度斜侵彻结果

3结论

本文分析了弹体材料性质对弹体侵彻能力和破碎特性的影响规律，并基于易碎材料较小的抗拉强度，通过弹体斜穿透有限厚靶过程中的折断物理模型，分析撞击条件和材料性质对弹体折断情况的影响。结果表明：

1) 在一定范围内，随着弹体材料密度的增大，弹体变性能越大，弹体的破碎效果越好。

2) 在一定范围内，随着弹体材料抗拉强度的减小，弹体材料穿透有限厚靶后越容易被拉伸破坏，弹体破碎效果越好。

3) 在对有限厚靶的斜侵彻过程中，弹体将产生弯曲变形，弹体材料密度和抗拉强度越小，越容易折断，对弹体的后续侵彻不利。

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(责任编辑唐定国)

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-02-22

作者简介：章程浩(1991—)，男，硕士研究生，主要从事终点效应与目标毁伤方面的研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.031

中图分类号：TJ012.4

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0144-05

StudyonBehaviorofMaterialsUsedinFragilePenetrator

ZHANGCheng-hao,SHENPei-hui

(MinisterialKeyLaboratoryofZNDY,NanjingUniversityofScience&Technology,Nanjing210094,China)

Abstract:In order to study the influence of material properties of projectile on fragmentation characteristics when projectile penetrating the finite thickness target, using the AUTODYN finite element program, the whole process of the fragile projectile with different material properties penetrating through the finite thickness target was numerically simulated. The influence of material properties on the breaking phenomenon by the physical model of the projectile breaking phenomenon in the process of oblique penetration of finite thickness target was analyzed. The results show that the fragmentation characteristics of projectile is improved with the increase of density and the decrease of tensile strength within a certain range, and the projectile is prone to break with the increase of density and the decrease of tensile strength in the process of large angle oblique penetration.

Key words:explosion mechanics; fragile projectile; fragmentation; breaking off

【化学工程与材料科学】