靶板状况对亚音速射弹引信触发弹道环境的影响

刘 鹏，王雨时，闻 泉，张志彪

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)



靶板状况对亚音速射弹引信触发弹道环境的影响

刘 鹏，王雨时，闻 泉，张志彪

(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

针对靶场射击试验中试验条件差异可能对试验结果产生影响的问题，应用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA对不同目标状态等进行了仿真，得到了亚音速射弹撞击不同状况靶板(包括靶板固定状况、双层靶板间的间隙大小、靶上弹着点区域、射弹重孔或连孔、靶架质量大小和靶板倾角等)的前冲过载系数。其中靶板固定状况、双层靶板间的间隙和靶架质量影响不大，而靶板上弹着点区域、射弹重孔或连孔、靶板倾角影响较大。仿真结果可为靶场射击试验实施及结果分析提供参考。

引信；仿真；试验条件；靶板；触发环境

0 引言

引信触发性能直接影响所配用射弹作用效能。在引信触发特性考核时常采用对靶射击试验方法，而在射击试验中的目标状态等试验条件往往存在差异，如靶板固定状况、双层靶板间的间隙大小、靶上弹着点区域、射弹重孔或连孔、靶架质量大小和靶板倾角等。这些因素都可能对试验结果产生一定的影响。文献[1]利用轻气炮进行了卵形杆弹正撞击单层板和等厚双层板的实验研究，分析了靶板间隙大小对双层靶板失效模式以及抗侵彻性能的影响，得到间隙大小对间隙式双层板抗侵彻性能影响较小并且该影响随着弹体初始速度的增加而减小的结论。除此文之外目前未见有其他文献涉及此研究领域。为了了解靶板状态对亚音速射弹引信触发弹道环境(亦即触发灵敏度和钝感度特性)的影响，本文利用有限元模型进行了详细的计算机仿真分析。

1 仿真模型的建立

本文以低速和高速两种40 mm口径榴弹发射器用射弹为例进行分析。假设两种射弹外形相同，如图1所示。其中射弹长79 mm，射弹直径40 mm，头部为半球形。低速射弹速度76 m/s，质量177 g；高速射弹速度244 m/s ，质量245 g。靶板尺寸1×1 m2，同时还建立了相应的靶架模型，靶架材料为钢，质量90 kg，靶架结构尺寸和质心位置如图2所示。射弹材料为铝合金，采用RIGID材料模型；靶架采用RIGID和Johnson-Cook两种材料模型；靶板材料为水曲柳胶合板、松木板、2A12铝合金、Q235钢，仿真材料模型及参数如表1和表2所列。由于目前对于水曲柳胶合板和松木板还没有比较成熟的仿真材料模型，故将其近似为各项同性均质材料。利用LS-DYNA软件模拟弹丸撞击不同靶板状态的过程，忽略速度衰减的影响，上述初速即为弹丸着速，以弹丸撞击靶板时所受加速度峰值(前冲过载系数)大小来定量评定靶板状态对射弹引信触发特性的影响。

图1 射弹结构尺寸Fig.1 The structure and dimension

图2 靶架结构尺寸Fig.2 The structure and dimension of target frame

材料密度/(g/cm3)弹性模量/GPa泊松比屈服应力/MPa失效应变水曲柳胶合板0.80150.303.50.05松木板0.6412.50.304.00.05

表2 2A12铝合金和Q235钢Johnson-Cook材料模型主要参数[4-5]

2 仿真结果

2.1 靶板固定状态对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶板通常由靶架边框支撑，应用ANSYS/LS-DYNA软件使用“点焊约束”将靶板固定在靶架上。由于刚体上不能施加点焊约束，故此时靶架采用Johnson-Cook模型，材料为Q235钢。弹丸垂直命中靶板，弹着点位置为靶板中心。两点固定的约束位置为A点及其对称点，四点固定的约束位置为B点、C点及其对称点，八点固定的约束位置为D点、E点、F点、G点及其对称点。各点位置如图3 所示，仿真结果如表3所列。

2.2 靶板上弹着点区域对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶架采用RIGID材料模型，靶板支撑在靶架上，利用靶架边框结构实现上、下、左、右和后方约束。射弹在靶板上的弹着点区域如图4所示，仿真结果如表4所列。

2.3 双层靶间隙对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶架采用RIGID材料模型；靶板支撑在靶架上，利用靶架边框约束；有间隙的双层靶在靶板边缘采用与间隙等厚的木块隔开；弹丸着点为靶板中心。双层靶间隙大小如图5所示，仿真结果如表5所列。与其对比的2倍厚度单层靶仿真结果如表6所列。表6中单层靶支撑面为钢质靶架，而表5中双层靶第一层靶板支撑面为木板。

图3 靶板固定点位置Fig.3 The fixed positions of target plate

图4 弹丸着靶位置Fig.4 The target impact point of projectile

固定点数量低速射弹高速射弹2mm铝合金板3mm水曲柳胶合板3mm钢板2mm铝合金板3mm水曲柳胶合板3mm钢板222793554728620439491294522100242280156642882843949129472210848228005661288284394912945221121

表4 弹丸撞击靶板不同位置时对应的最大前冲过载系数

图5 靶板间间隙变化Fig.5 The variation of the double layer target plate’s gap

间隙大小/mm低速射弹高速射弹3mm水曲柳胶合板9mm水曲柳胶合板3mm水曲柳胶合板9mm水曲柳胶合板0569316790141103251755483137251410932351205477137261265632351

表6 撞击单层靶板时的最大前冲过载系数

2.4 靶板上弹着点“连孔”对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶架采用RIGID材料模型；靶板支撑在靶架上，利用靶架边框约束。模拟弹丸连续射击过程的仿真模型如图6所示：第一发弹丸着点为靶板中心，两弹丸弹轴之间的距离为a，a模拟靶板上弹着点“连孔”对弹丸前冲过载的影响；两弹丸轴向间距为X，为避免前一发射弹侵彻对后一发的影响，取低速射弹X为50.4 cm，高速射弹X为97.6 cm。第一发弹撞击靶板时前冲过载仿真结果如表7所列，第二发弹丸撞击靶板时前冲过载仿真结果如表8所列。

表7 第一发弹丸撞击靶板的最大前冲过载系数

表8 弹丸与弹孔中心距不同时第二发弹丸撞击靶板的最大前冲过载系数

2.5 靶架质量对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶架采用RIGID材料模型，调节靶架材料密度来模拟不同质量的靶架；靶板支撑在靶架上，利用靶架边框约束；弹丸着点为靶板中心。仿真结果如表9所列。

2.6 靶板倾角对弹丸最大前冲过载系数的影响

靶架采用RIGID材料模型，靶架质量为90 kg；靶板支撑在靶架上，利用靶架边框约束；弹丸着点为靶板中心。靶板平面与竖直平面之间的夹角为α，仿真模型如图7所示，仿真结果如表10所列。

图6 弹丸连续射击仿真模型Fig.6 The simulation model of projectile continuous shooting

图7 靶板倾斜时弹丸射击仿真模型Fig.7 The simulation model of projectile when it impacts the obliquetarget plate

3 仿真验证与结果分析

3.1 仿真结果说明

文献[6]对截锥形弹丸以200～1 000 m/s速度垂直贯穿薄靶板时动态特性进行了分析和计算，故在此只验证高速射弹的仿真结果。截锥形弹丸碰击薄靶板时将产生两个破坏过程：一是弹头引信前端面对靶板的冲塞剪切过程；二是弹丸锥面对靶板的扩孔撕裂过程。

表9 靶架质量不同时弹丸撞击靶板的最大前冲过载系数

表10 靶板倾角不同时弹丸撞击靶板的最大前冲过载系数

冲塞过程靶板对弹丸总抗力的表达式为：

(1)

式(1)中,D为弹头引信前端直径；τs为靶板抗剪强度；h为靶板厚度；v为冲击碰靶瞬态速度；A为弹头引信前端面积；ρ为胶合板材料密度；Fiw为冲塞阶段水曲柳胶合板靶板对弹丸的总抗力。

撕裂过程靶板对弹丸总抗力的表达式为：

(2)

式中rb为扩孔半径；α为弹头引信前段锥角；E为靶板弹性模量σs为铝合金板的屈服应力；σb为水曲柳胶合板的强度极限；Fw为撕裂阶段水曲柳胶合板靶板对弹丸的总抗力。

将该球头弹丸近似看作截锥形弹丸进行计算，近似弹头结构如图8所示，利用式(1)和式(2)近似计算弹丸撞击薄靶板时的最大前冲过载系数，所用计算参数如表11所列。

对于高速射弹撞击3 mm厚水曲柳胶合板时冲塞剪切过程的的近似抗力为：

图8 近似截锥弹丸尺寸Fig.8 The structure and dimension of approximate cone-shaped projectile

弹丸头部直径D/m胶合板抗剪极限强度τ/MPa扩孔半径rb/m弹丸头部锥角2α/(°)胶合板强度极限σb/MPa30×10-323.920×10-3903.5

撕裂过程的近似抗力为：

这与仿真结果得到的12 945接近，高速射弹的计算结果与仿真结果对比如表12所示，考虑到弹丸头部结构近似处理的影响可认为该仿真结果基本上可信的。

表12 高速射弹撞击胶合板最大前冲过载系数理论计算结果与仿真结果对比

3.2 仿真结果讨论

受仿真精度影响，表8和表9中个别数据规律略有异常，如表8中低速射弹撞击2 mm铝合金靶板时出现的16 291g和16 286g。

由表3的结果可看出，靶板固定状况对射弹目标反力几乎没有影响，射击试验中可以利用靶架边缘约束靶板而不需固定。

由表4的结果可看出，靶上弹着点区域对射弹所受的目标反力影响较大，射弹命中靶板边缘处时所受目标反力要比射弹命中靶板中心处时的大，并且射弹速度越低，差异越大。

对比表5和表6可看出，双层靶对射弹所受目标反力的影响只是略大于单层靶，平均为8.6%。

对比表7和表8可看出，弹着点连孔对射弹所受目标反力的影响较大，并且胶合板的影响远大于铝合金板的，低速的影响大于高速的。

由表9可看出，靶架质量对射弹所受目标的反力的影响很小，可以忽略。

由表10可看出，靶板倾角对射弹所受目标反力的影响较为明显，特别是低速情况下对胶合板。总的规律是倾角越大，目标反力越小。因此对于触发灵敏度试验和以胶合板作为靶板材料的引信钝感度试验而言，应特别关注靶板倾角的影响。

4 结论

本文应用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA对不同目标状态进行了仿真，得到了亚音速射弹撞击不同状况靶板(包括靶板固定状况、双层靶板间的间隙大小、靶上弹着点区域、射弹重孔或连孔、靶架质量大小和靶板倾角等)的前冲过载系数。其中靶板固定状况、双层靶板间的间隙和靶架质量影响不大，而靶板上弹着点区域、射弹重孔或连孔、靶板倾角影响较大。仿真结果可为靶场射击试验实施及结果分析提供参考。

[1]邓云飞，张伟，曹宗胜. 间隙对A3钢薄板抗卵形头弹侵彻性能影响的实验研究[J].振动与冲击，2013，32(12)：95-99.

[2]曹苏雅拉图. 某单兵火箭机电触发引信关键技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2012.

[3]李来福. 某枪榴弹机械触发起爆引信关键技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2014.

[4]张伟，肖新科，魏刚. 2A12铝合金本构关系和失效模型[J].爆炸与冲击，2013，34(3)：276-282.

[5]肖新科.双层金属靶的抗侵彻性能和Taylor杆的变形与断裂[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6]高世桥, 王宝兴. 截锥形弹低中速贯穿薄靶板时的动力分析与计算[J]. 应用数学和力学, 1986, 7(11): 1033-1038.

Affection of Target Plate to Subsonic Projectile Fuze Trigger Environment

LIU Peng, WANG Yushi, WEN Quan, ZHANG Zhibiao

(Mechanical Engineering College, NUST, Nanjing 210094，China)

In order to solve the problem of the different conditions of shooting test in firing area may influence the test result,the finite element simulation software ANSYS/LS-DYNA was applied to simulate different target conditions, the blow-forward overload factors of subsonic projectile impacts the different conditions target plate (including target plate fixed conditions, the space between the target plate, the impact location of the target plate,repeated bullet holes or connection bullet holes, the mass of the target frame and target plate oblique angle,etc.) was obtained.The target plate fixed conditions,the space between the target plate and the mass of the target frame has little effect, the impact location of the target plate, repeated bullet holes or connection bullet holes, target plate oblique angle has greater effect. The simulation results can provide a reference for firing area test implementation and results analysis.

fuze; simulation; test condition;target plate; trigger environment

2016-02-22

江苏省自然科学基金青年基金项目资助(BK20140786)

刘鹏(1991—)，男，湖南长沙人，硕士研究生，研究方向：引信及弹药技术。E-mail:skiy906@163.com。

TJ430.6

A

1008-1194(2016)05-0058-06