复合顺序对复合板抗侵彻能力影响的数值分析

杨海坤,张国伟,王一鸣,时文超

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

复合顺序对复合板抗侵彻能力影响的数值分析

杨海坤,张国伟,王一鸣,时文超

(中北大学机电工程学院,太原 030051)

文中研究了在一系列弹体着速下,复合板的复合顺序对复合板的弹道特征量的影响。文中建立了两种不同复合顺序下弹体正侵彻复合靶板的模型,运用显示动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对弹体正侵彻复合靶板进行了数值仿真。单独分析和对比分析两种模型的弹道特征量,得出复合板的抗侵彻能力随复合顺序和弹体着速改变的规律。数值分析的结果对提高复合装甲的抗侵彻能力具有一定的参考价值。

复合;顺序;侵彻;装甲

0 引言

随着军事科技的发展,迫切需要研发高性能的轻质装甲材料,满足防护装甲重量轻,防护性好的要求。钛合金是性能优异的装甲防护材料,密度是装甲钢的60%,强度相当,但价格是装甲钢的10～20倍,因此未广泛应用,未来会得到广泛应用。所以研究其抗弹能力很有意义[1]。

文中运用显示动力分析软件ANSYS/LS-DYNA,对弹体正侵彻装甲钢/钛合金复合板的过程进行了数值模拟,再现了侵彻过程,研究了复合板的复合顺序对其抗侵彻能力的影响。为复合装甲的结构优化设计提供了参考依据。

1 计算模型的建立

文中的计算模型基于以下假设:弹体和靶板均为连续介质,侵彻过程绝热,不计空气阻力影响,不计重力影响,不考虑靶板的侧边效应以及整体运动,弹体和靶板的初始应力为零。

1.1 几何模型

文中建立了两种几何模型。

模型Ⅰ:弹体为4340#钢,复合板的第一层为4340#钢,第二层为TP650#钛合金[2]。复合板两层之间紧密贴合。弹体头部为半球形,杆体部为圆柱体。弹体垂直侵彻,无攻角。

模型Ⅱ:弹体为4340#钢,复合板的第一层为TP650#钛合金,第二层为4340#钢。复合板两层之间紧密贴合。弹体头部为半球形,杆体部为圆柱体。弹体垂直侵彻,无攻角。模型尺寸与模型Ⅰ相同。

1.2 有限元模型

模型结构、载荷、约束以及弹着条件具有对称性,为了节约计算机资源,建模时采用1/4结构进行建模。采用3维8节点实体单元进行网格划分和Lagrange算法。采用单点积分以节省机时,求解过程中,全局调整体积粘性和增加弹性刚度进行沙漏控制。模型共有614 939个节点和575 744个单元。

1.3 弹着条件以及材料的相关参数

1)模拟弹的弹头部半径为1.4 cm,杆体部长度为15 cm。两层靶板的厚度各为2 cm,长度与宽度均为15 cm。先采用弹体着速为700 m/s、750 m/s、1 400 m/s的弹体分别侵彻两种靶板模型,研究靶板在未穿透和穿透条件下的抗侵彻能力。然后采用其它速度的弹体分别侵彻两种靶板模型。研究复合顺序对复合板的抗侵彻能力的影响。

2)在数值模拟弹体侵彻复合靶板时,所选用的4340#钢和TP650#钛合金强度高,为便于分析,选用材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC。该模型是各向同性、随动硬化或各向同性和随动硬化的混合模型,且与应变率有关,可考虑失效。通过在0(仅随动硬化)和1(仅各向同性硬化)间调整参数β来选择各向同性或随动硬化。文中选择β=0。应变率用Cowper-Symonds模型来考虑,其基本数学表达式为:

(1)

(2)

式中:Etan为正切模量;E为弹性模量[3]。材料的主要力学性能以及数值模拟的相关参数如表1和表2所示。表中ρ为密度,μ为泊松比,SIGY为屈服应力,FS为失效系数。

表1 材料的主要力学性能

表2 材料的基本参数

2 计算结果及分析

在特定弹体着速ν下对弹体侵彻复合板的毁伤效应进行评估。对比两种模型,分析弹体的侵彻深度D、剩余质量mr、剩余速度vr、峰值加速度ap、峰值冲击力Fp以及模型的等效应力云图。

2.1 以700 m/s的弹体着速侵彻靶板

分析仿真结果,弹体侵彻靶板模型Ⅰ用时T=424μs,在侵彻第二层靶板时和靶板均发生质量侵蚀,未穿透靶板。弹体的侵彻深度D=25.8mm,剩余质量为mr=340g,侵蚀比例p=55.7%。在侵彻第二层钛合金靶板时由于质量侵蚀以及受径向压力,镦粗现象减弱。图1和图2分别为弹体侵彻两种靶板模型的等效压力云图以及毁伤效果。

弹体侵彻靶板模型Ⅱ用时T=548μs,穿透第一层靶板后弹体速度vr=60m/s,与第二层靶板没有质量侵蚀,剩余动能转化为第二层靶板的弹性势能。弹体的侵彻深度D=20mm,剩余质量为mr=328g,侵蚀比例p=57.3%,镦粗现象明显。两种靶板模型的破坏形式均是延性扩孔穿甲[4-6]。弹体的速度v、加速度a、冲击力F随时间t的变化情况如图3、图4和图5所示。

图1 模型Ⅰ的等效压力云图及毁伤效果

图2 模型Ⅱ的等效压力云图及毁伤效果

图3 弹体的速度曲线

图4 弹体的加速度曲线

由图3和图4可以看出,弹体的速度减为0后,弹体加速度很小,剩余弹体又被第二层靶板轻微反弹,反弹速度可忽略不计。由图4和图5可以看出,模型Ⅰ中,弹体在tp1=298μs时达到加速度峰值ap=2.45×106m/s2,在tp2=164μs时侵彻第二层靶板,达到冲击力峰值Fp=280kN;模型Ⅱ中,弹体在tp1=235μs时达到加速度峰值ap=2.75×106m/s2,在tp2=12μs时侵彻第一层靶板,达到冲击力峰值Fp=330kN。两种模型中,弹体的加速度峰值和冲击力峰值产生的时间和大小差异较大。

图5 弹体的冲击力曲线

2.2 以750 m/s的弹体着速侵彻靶板

根据仿真结果,弹体均穿透第一层靶板,未能穿透第二层靶板。两种靶板模型的毁伤形式均为延性扩孔穿甲。两种靶板模型的毁伤效果如图6所示。弹体侵彻两种靶板的主要弹道特征量如表3所示。

图6

ModelD/mmmr/gap/(m·s-2)tp1/μsFp/kNp/%Ⅰ27.63142.62×10624027359.1Ⅱ22.52762.7×10628232064.0

2.3 以1 400 m/s的弹着速度侵彻靶板

弹体穿入靶板时延性扩孔,穿出时先进行延性扩孔,然后对靶板进行花瓣形的拉伸破坏。这是弹体在侵入靶板的四周产生的径向和环向高值拉伸应力造成的[4]。两种靶板模型的破坏形式没有较大差异。两种靶板模型的毁伤效果如图7所示,主要弹道特征量如表4所示。

表4 弹体侵彻靶板的主要弹道特征量

由表4可以看出,弹体以v=1 400m/s的速度侵彻靶板模型时,复合板的复合顺序对其抗侵彻能力的影响并不大,模型Ⅰ的抗侵彻能力略强。

3 分析其它弹体着速下的侵彻结果

进一步研究在一定速度条件下,复合板的复合顺序对复合板的抗侵彻性能的影响。弹体在一系列弹着速度下分别侵彻两种靶板模型。对比两种靶板模型的mr、vr弹道特征量,如表5和表6所示。

表5 不同弹体着速下弹体的剩余质量

表6 不同弹体着速下弹体的剩余速度

由表5数据可以得出,存在一临界速度vc,其中vc略高于弹体穿透靶板的极限速度,当弹体着速v满足v≤vc时,随着弹体着速的增加,弹体的剩余质量mr逐渐减少;当弹体着速满足v≥vc时,随着弹体着速v的增加,弹体的剩余质量mr又逐渐增加。

对比两种模型,弹体的剩余质量mr的差异随弹体着速v的提高先增加后减小。复合板的复合顺序对弹体的剩余质量mr的影响随弹体着速v的提高先增加后减小。从弹体的剩余质量mr方面优化设计复合靶板,当弹体着速小于某一略高于穿透靶板的临界速度vc时,靶板模型Ⅱ的抗侵彻能力更强。在低弹体着速下,复合板的外层应选用强度高、韧性好的材料。

由表6可以看出,当弹体穿透靶板模型后,弹体的剩余速度vr随弹体着速v的提高逐渐增加。对比两种靶板模型,弹体的剩余速vr的差异随弹体着速v的提高先增加后减小。弹体穿透靶板后,当弹体着速v≥800m/s时,靶板模型Ⅰ中弹体的剩余速度vr更小。从弹体的剩余速度上评估复合板的抗侵彻性能,靶板模型Ⅰ的抗侵彻能力更强。

图7 靶板的毁伤效果

4 结论

弹体以低弹体着速正侵彻两层等厚无间隙贴合的复合板时,复合板的复合顺序对弹体的侵彻深度D、剩余质量mr以及剩余速度vr影响较大;随着弹体着速v的提高,复合板的复合顺序对上述各弹道特征量的影响先增加后减小。

当弹体着速低于某一临界速度vc1时,复合板的外层应选用高强度、高韧性的材料,弹体的剩余质量mr和剩余速度vr更小,其中vc1略高于靶板的极限穿透速度vj,此时复合板的复合顺序对弹体的剩余质量mr影响较大,但对弹体的剩余速度vr影响较小。

当弹体着速高于某一临界速度vc2时,复合板的外层应选用强度和韧性相对较低的材料,弹体的剩余质量mr和剩余速度vr更小,此时复合板的复合顺序对弹体的剩余质量影响较小,但对弹体的剩余速度影响较大。随着弹体着速v的进一步提高,复合板的复合顺序对其抗侵彻能力的影响将减小。

5 展望

文中运用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,数值仿真弹体正侵彻两层等厚贴合的复合板。研究了复合板的复合顺序对其抗侵彻能力的影响。着重分析了复合顺序对弹体的侵彻深度D、剩余质量mr以及剩余速度vr三个弹道特征量的影响。在后续研究中继续研究复合顺序对弹体的峰值加速度ap,峰值冲击力Fp的影响。在其它弹着条件下,研究复合顺序对复合板抗侵彻能力影响的规律。

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Numerical Analysis on the Effect of Composite Order on the Penetration Resistance of Composite Plate

YANG Haikun,ZHANG Guowei,WANG Yiming,SHI Wenchao

(School of Mechatronics Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In this paper, the influence of the composite order of the composite plate on the ballistic characteristics of the composite plate was studied in a series of projectile velocities. The models of the projectile penetrating target under two different composite sequences were established, and the numerical simulation of the projectile penetrating target was performed by using the display dynamic analysis software ANSYS/LS-DYNA. The ballistic characteristics of the two models were analyzed and compared, thereby the law that the anti penetration ability of the composite plate changed with the composite order and the projectile velocity was derived. The results of numerical analysis had certain reference value for improving the anti penetration ability of the composite armor.

composite; sequence; penetration; armor

2016-04-04

杨海坤(1990-),男,湖北恩施人,硕士研究生,研究方向:弹药工程与毁伤技术。

O385

A