内外径比值对横向效应侵彻体的影响分析

焦志刚，曹 旭，张明博

(沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 100159)

【装备理论与装备技术】

内外径比值对横向效应侵彻体的影响分析

焦志刚，曹 旭，张明博

(沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 100159)

通过研究不同内外径比值对PELE横向效应的影响，对不同内外径比情况弹丸侵彻靶板的过程进行数值仿真。结果表明：任意一种类型横向效应侵彻体，其消耗的能量随着内外径比值的增大而增大；对于一个设定的内外径比，总有一个最佳长径比值使其横向效应效果最优。

横向效应侵彻体；数值仿真；长径比

目前，世界各国所装备的弹药主要有穿甲弹、破甲弹、碎甲弹及杀爆弹。这些弹药各有其特点，但功能都很单一[1]。横向效应侵彻体有效的克服现有弹药功能单一的缺点，实现点面高效毁伤[2]。

Stephan Kerk[3]做了大量试验，得到了横向效应侵彻体可发挥横向效应的速度范围为400-3000m/s。南京理工大学赵国志、朱建生[4]在实验的基础上，通过力学分析，计算了破片径向速度和弹体轴向剩余速度的公式。杜忠华研究了弹靶参数对PELE横向效应的影响[5]，给出了PELE发挥横向效应的最佳条件。北京理工大学蒋建伟和张谋[6]利用不同弹芯材料PELE对四层间隔靶进行了穿甲试验研究。

笔者对弹丸长径比对PELE横向效应的影响进行了研究，在实际情况中不同的弹丸内外比对横向效应的影响差别很大，所以研究内外径比值对PELE横向效应的影响具有十分重要的意义。

1 模型参数材料选取

PELE弹丸为理想圆柱杆弹体，弹丸长60 mm，弹芯长55 mm。靶板为20 mm×20 mm的矩形，厚度为8 mm，弹丸着靶速度为1 000 m/s。其中，壳体为金属钨，弹芯材料为尼龙，靶板为装甲钢。所用主要材料参数如表1所示。ρ为密度，E为弹性模量，μ为泊松比。

表1 侵彻体与靶板主要参数

壳体材料弹芯、靶板均采用Gruneisen状态方程Johnson-cook本构模型共同描述，Gruneisen状态方程通过两种方法定义压力体积的关系，确定材料是压缩还是扩张。所有单元均采用Lagrange算法，该算法单元网格随着材料流动而变形适合反应弹丸撞击靶板的真实情况。弹丸与靶板，壳体与弹芯之间均采用侵蚀接触ERODING SURFACE TO SURFACE。对称面采用对称约束，非对称面采用固定约束。计算时间350μs，在K文件中加入CONTROL_CONTACT定义接触。

2 仿真计算结果

将弹丸内外径比值0.6做为标准，设立另外三组弹丸内外径比值0.5、0.7、0.8作为对比。为了研究不同的情况，设立三种不同类型进行研究，且外径与其他所有条件保持不变。

情况1只改变内外径比，弹长、弹芯长度保持不变；情况2改变内外径比并保持弹丸的质量和弹芯长度不发生变化，改变弹长保持弹丸质量不变；情况3改变内外径比保持弹丸质量和弹芯至弹底距离不变，改变弹芯长度保持质量不变。参数如表2所示，表中a、b分别为弹长与弹芯长度。

表2 内外径比不同类型的弹丸参数

图1表示的是不同结构作用后的效果比较。从图中可以得知，弹芯在靶板和壳体作用下压缩，壳体发生径向膨胀。总的来说，弹丸的横向效应会随着内外径比值增加变得更明显，但是必须保证弹丸的强度足够否则会发生弯曲。弯曲会造成壳体轴向速度和径向速度都减小，不利于侵彻和横向效应。

图2为不同内外径比对应的轴向速度曲线，由图可知1型25 μs前变化趋势大致一致。在这一时刻后，轴向速度的变化差别较大。随着内外径比值增大，弹丸弹径方向阻力增大，轴向速度减小量增大。侵彻开始，弹体质量对弹轴方向速度影响较小。在侵彻靶板后，随着弹体质量的增大剩余动能也随之增大，则壳体剩余速度、塞块冲塞结束后剩余动能也越大。结论：1情况，壳体剩余速度随内外径比值增大而减小。

情况1

情况2

情况3

图1 不同结构作用后的效果

由图1可发现2型内外径比值0.5为不合格弹形，由于强度不够侵彻后弹底碎裂。剩下不同内外径比的曲线剩余速度几乎一致。其中内外径比值0.8时弹丸轴向速度的变化较为平缓，该情况弹丸对靶板侵彻能力较弱，侵彻历程较长。由此可知内外径比增大，弹丸的侵彻能力下降。

图2 不同内外径比所对应的轴向速度

图3为不同内外径比值的弹丸剩余速度。由图可知，在内外径比值区间0.5至0.6时，随着比值增大剩余速度减小，由此可知轴向动能向径向动能逐渐转换。当比值大于0.6，情况1的侵彻体剩余速度随着内外径比值增加而减小，径向动能逐渐增大，当内外径比值为0.7时达到最大，随后弹丸整体动能降低；情况2的弹丸剩余速度随着内外径比值变化较小；情况3内外径比值为0.7时，横向效应最明显，轴向速度达到峰值，此刻弹型最佳，内外径比值为5.76。

情况1弹丸质量发生改变，弹丸质量随内外径比值增大而减小，动能也随比值增大减小，而情况2、3由于保证了弹体质量不变，不同情况弹体动能相同。图4为不同内外径比弹体动能变化曲线，图中曲线趋势一致，首先动能变化较大，逐渐趋于稳定。随着内外径比的增大，稳定的时间历程逐渐增加，由此可知弹丸对靶板的毁伤能力逐渐下降。

图3 不同类型不同内外径比值的剩余速度曲线

图4 不同内外径比所对应的动能曲线

由图4可知，在初始阶段由于弹丸开坑消耗动能较大曲线变化剧烈，随着侵彻历程的进行动能趋于平稳，但不同情况下弹丸剩余动能差别较大。比较初始动能与末动能可知，内外径比值为0.7情况下剩余动能最大。随着内外径比值的增大，弹壁逐渐变薄，对靶板的破坏能力也逐渐减弱，导致在侵彻开始阶段消耗能量增大。当内外径比值小于0.6时，情况2剩余动能较大。当内外径比值大于0.6，情况3剩余动能较大。由此可知，对于不同内外径比情况，总存在一个最优长径比值。

图5为不同情况内外径比所对应的最大径向速度曲线图。不同情况的曲线趋势一致，随着内外径比值的增大，弹丸的最大径向速度也逐渐增大。但是，当情况不同时所对应的最大径向速度差别较小。这是由于对于不同的情况总有一个最优长径比值与之对应。综合所有分析可以总结出横向效应侵彻体的一个外形最佳结构参数(见表3)。

图5 不同情况不同内外径比的最大径向速度曲线

内外径比(I/O)0.50.60.70.8长径比5.666.978.42

3 结论

1) 不同弹丸长径比的横向效应侵彻体作用靶板都能产生横向效应，内外径比为0.8时弹丸处于危险状态。

2) 随着弹丸长径比的增大壳体剩余速度随之减小，侵彻能力也逐渐减弱。

3) 对一个确定的内外径比的横向效应侵彻体，总有一个最佳长径比值使其侵彻消耗能量最少。

[1] 韩成华,郭美芳.反装甲弹药简介[J].现代兵器,1990,10(20):212-213.

[2] 李向东,钱建平,曹兵.弹药概论[M].北京：国防工业出版社,2004.

[3] KERK S.PELE-The Future Ammunition Concept[C]//21st International Symposium on Ballistics.Adelaide,Australia.2004:1134-1144.

[4] 朱建生.横向效应增强型侵彻体作用机理研究[D].南京：南京理工大学,2008.

[5] 杜忠华,宋丽丽.横向效应增强型侵彻体撞击金属薄板理论模型[J].南京理工大学学报,2011(6):123-104.

[6] 张谋,蒋建伟,门建兵.钨合金壳体PELE的侵彻膨胀效应数值模拟[J].弹箭与制导学报,2009(2):110-113.

[7] 王礼立.应力波基础[M].北京：国防工业出版社,1985.

[8] 罗春涛.计及应变率效应的侵彻力学工程分析方法和数值模拟[D].北京：中国科学技术大学,2006.

(责任编辑 周江川)

Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect

JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo

(School of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 100159, China)

Through the study of the influence of different ratio of inner and outer diameters on the transverse effect of PELE,numerical simulation of projectile penetration into target plate with different ratio of internal and external diameter was carried out.The results show that: for any type of lateral effect penetrator,its energy consumption increases as the diameter ratio increases; for a set diameter ratio,there is always an optimum value so that the lateral effect will be best.

PELE; numerical simulation; length-diameter ratio

2016-03-14；

2016-10-26

焦志刚(1960—)，男，教授，主要从事弹箭仿真技术研究。

10.11809/scbgxb2017.02.009

焦志刚，曹旭，张明博.内外径比值对横向效应侵彻体的影响分析[J].兵器装备工程学报，2017(2):36-39.

format:JIAO Zhi-gang, CAO Xu, ZHANG Ming-bo.Simulation Analysis of the Influence of Length-Diameter Ratio on Lateral Effect[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(2):36-39.

O385

A

2096-2304(2017)02-0036-04