低侵彻陶瓷枪弹对航空有机玻璃的侵彻性能分析

李 波,王坚茹,印立魁,陈智刚,易荣成,胡迪奇

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,山西 太原030051;2.重庆长安工业(集团)有限责任公司,重庆 401120)

低侵彻陶瓷枪弹对航空有机玻璃的侵彻性能分析

李 波1,王坚茹1,印立魁1,陈智刚1,易荣成2,胡迪奇1

(1.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,山西 太原030051;2.重庆长安工业(集团)有限责任公司,重庆 401120)

为了改善常规枪弹杀伤过剩,在9 mm手枪基础上使用陶瓷枪弹进行试验,研究了陶瓷枪弹侵彻航空玻璃,并进行了结果分析。运用LS_DYNA有限元软件,对不同速度的低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃进行数值模拟,对比弹头的破碎效果和对航空有机玻璃的毁伤效果,分析低侵彻陶瓷枪弹的破碎性能和对航空有机玻璃的侵彻威力。研究结果表明:低侵彻陶瓷枪弹具有良好的破碎性能,速度对低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃的毁伤效果影响很大,存在充分发挥低侵彻陶瓷枪弹能力的速度区间。

低侵彻;陶瓷枪弹;破碎;航空有机玻璃;数值模拟

常规弹药在应对我国面临的安全威胁、维护社会治安和保持社会稳定等方面起到重要作用。但是,常规弹药存在对人员杀伤威力过剩的现象,犯罪分子常在人群稠密地区、机舱、船舱等环境进行恐怖袭击,这使常规弹药的使用受到限制,因此需要研究既能使恐怖分子立即失去作案或反抗能力,保证人质或周边无辜群众的生命安全,又能最大限度减少对周边高价值设施损毁和跳弹对人员损伤的低侵彻特种弹药[1]。

陶瓷材料具有高硬度、高抗压强度、低密度、适脆性等特点,低侵彻陶瓷枪弹遇到有生目标等软目标时,有一定的杀伤能力,遇到硬目标时,能够在车船、机舱等特殊环境下使用,而不产生跳弹,满足反恐防暴及特殊环境的使用要求。本文建立低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃的有限元模型,研究在不同速度下低侵彻陶瓷枪弹对航空有机玻璃的侵彻威力和其自身的破碎性能。陶瓷枪弹在飞机机舱内使用,有效打击、制服恐怖劫机分子,对航空玻璃不会造成功能性破坏,可以保证飞机安全。

国内外学者长期以来侧重于研究陶瓷材料的抗弹性能,陶瓷/金属和陶瓷/复合材料组成复合装甲,抗弹性能得到了大幅度的提高[2],将陶瓷材料用作小口径弹体材料的研究较少。胡迪奇等[3]、Nechitailo等[4]分别用数值模拟研究了TC复合弹对陶瓷复合靶板的侵彻特性、陶瓷-钢复合弹对混凝土的侵彻特性;付建平等[5]对比了陶瓷子弹与普通钢弹的侵彻能力,得出了陶瓷子弹对靶板的侵彻效果优于钢弹。

1 低侵彻枪弹试验及结果分析

1.1 试验用的陶瓷枪弹和靶板

如图1所示,本文研究的低侵彻陶瓷枪弹与DAP92式9 mm警用弹头外形结构相近,质量基本相同,弹头陶瓷材料采用一次烧结成型,球柱型结构,内部空心,用钨粉填充并辅以尼龙弹托后,能够实现弹丸在枪膛内可靠发射,同时能够实现距枪口一定距离遇到一定硬度的目标并破碎,从而实现低侵彻的目的。

对国内外民航客机进行分析发现,飞机型号不同,局部尺寸略有不同。现对我国民用航空领域常见波音737飞机的飞机舱壁和舷窗结构与材料进行分析。飞机舷窗由内到外,由3层厚度分别为 2.2 mm,6.2 mm,9.5 mm的航空有机玻璃构成。图2和图3分别为试验中靶板结构图和实物图。

1.2 试验条件

验证陶瓷弹头的破碎性能和对航空有机玻璃靶板的侵彻性能。试验设备布置和试验工作示意图如图4所示,试验用枪为9 mm线膛弹道枪,采用网靶测速。

1.3 试验结果分析

对低侵彻陶瓷枪弹分别以247 m/s,297 m/s,346 m/s速度(v0)垂直侵彻航空有机玻璃靶板进行数值模拟,弹头均匀破碎,弹头飞行姿态正常,在网靶上留下的弹孔整齐,说明陶瓷枪弹结构满足膛内发射强度要求。

图5为打靶的实验结果,陶瓷弹在这3组速度下均穿过第1层玻璃,被拒止在第2层玻璃处,未对第3层玻璃造成损伤,但不同的速度对第2层靶板作用效果是不同的。以247 m/s的速度侵彻时,只在第2层靶板有陶瓷粉末并带有极其轻微的损伤;以297 m/s的速度侵彻时,第2层靶板有轻微损伤;以346 m/s的速度侵彻时,第2层靶板遭到严重损伤,出现大范围裂纹。

2 理论计算分析

建立陶瓷枪弹侵彻航空玻璃靶板的力学模型,分析研究陶瓷枪弹侵彻靶板时的受力、陶瓷的破碎现象及陶瓷弹头与靶板的作用受力。弹头是球柱组合,弹头外径为R,弹头内径为r,与靶板接触载荷为p。如图6所示。

根据无矩理论——区域平衡方程[6],分析壳体受力:

(1)

(2)

式中:p为弹头与靶板接触载荷,F为弹头受力,φ为载荷p与弹轴之间的夹角,r0为平行圆半径,h为弹头的壁厚。

把方程(1)代入方程(2),求解得到压应力σ:

(3)

同理切应力τ为

(4)

由以上公式可知,随着角度φ的增大,压应力σ增大,切应力τ减小。由上式也可以得到,平行圆半径r0越大,陶瓷弹头受力越大,从二维角度解释,最大应力点在陶瓷弹头与靶板接触边缘位置。从三维角度可知,最大应力值在陶瓷弹头与靶板接触的平行圆的最大半径圆周上。

实际上陶瓷弹头从变形到破坏这个过程中是有力矩产生的,从力学角度,产生的力矩为

(5)

求得最大应力为

σ1=M/W

(6)

式中:W为空心圆的抗弯截面系数。

当σ1大于陶瓷材料的许用应力[σ]时,由于陶瓷弹头是球柱结构,弹头顶部在压力作用下向内部弯曲,弯矩会引发陶瓷材料发生破碎。

3 数值模拟及结果分析

3.1 数值模型

由弹头和靶板的结构尺寸,建立弹头与航空玻璃靶板作用的有限元模型。弹头分为陶瓷壳体、尼龙弹托、金属粉末3部分。靶板分为3层,厚度分别为2.2 mm,6.2 mm,9.5 mm。在与弹头接触区域网格进行加密处理,一个单位接近9个网格,远离弹靶作用区域网格较疏,弹头与靶板模型如图7所示。

数值模拟采用ANSYS/LS-DYNA程序软件,计算模型用Lagrange算法,有限元网格采用八节点六面体单元,由于垂直侵彻具有对称性,为减少仿真规模采用1/2模型。陶瓷壳体和靶板采用专门针对陶瓷、玻璃等脆性材料的MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS模型,尼龙弹托和金属粉末采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,弹头与靶板之间采用面面侵蚀接触(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE),弹头各部件采用自动面面接触(CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE),因为弹头侵彻第1层靶板后产生碎片,这些碎片会对第2层靶板有侵彻作用,所以靶板各部件分别采用面面侵蚀接触(CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE)。陶瓷材料参数和玻璃靶板参数如表1和表2所示。表中,ρ为密度;G为剪切模量;A为完整强度参数;B为裂缝强度参数;D1,D2为塑性断裂参数;M′为断裂强度参数;N为强度指数;HEL为Hugoniot弹性限;C为应变率;FS为破坏准则。

表1 陶瓷材料参数[7]

表2 玻璃靶板参数[8]

3.2 数值结果分析

手枪子弹的出膛速度一般约为300～350 m/s,结合试验速度模拟,陶瓷枪弹以247 m/s,297 m/s,346 m/s的速度垂直入射航空有机玻璃。通过模拟仿真得到了弹头侵彻靶板的全过程,选取速度为297 m/s的枪弹侵彻靶板的应力(单位为1011GPa)变化如图8所示,以247 m/s和346 m/s速度侵彻时与其相似。

如图8所示,10 μs时弹头与第1层靶板瞬间接触,50 μs时接触面积增大,从图8可以看出,陶瓷弹头应力最大值分布在与靶板接触的边缘位置,这点与理论计算结果相同。由陶瓷特点可知,陶瓷韧性差,脆性较强,140 μs时除了弹头部冲击破碎外,弹体已经出现了应力,并伴有形成裂纹的趋势。弹头在1 200 μs时侵彻基本结束,2 000 μs时可以明显看到弹托回弹现象。弹头没有穿透第2层靶板,但陶瓷已完全破碎。

不同速度的弹头均能穿透第1层靶板,再继续侵彻第2层靶板。速度为250 m/s的弹头对第1层靶板形成1倍弹径的穿孔,对第2层靶板造成极其轻微的损伤;速度为300 m/s的弹头对第1层靶板形成约2倍弹径的穿孔,对第2层靶板造成轻微损伤;速度为350 m/s的弹头对第1层靶板形成约为2倍弹径的穿孔,对第2层靶板造成严重损伤。弹头的陶瓷壳体均完全破碎,仿真模拟结果如图9所示。

弹头速度随时间变化曲线如图10所示,图中v为弹头速度,t为时间。弹头加速度随时间变化曲线如图11所示,图中a为加速度。靶板变形能(E)随时间变化曲线如图12所示。

如图10所示,200 μs时3种不同速度的弹头击穿第1层靶板,弹头部破碎,内部金属粉末抛洒,弹头动能降低,侵彻威力迅速下降,侵彻第2层靶板时,速度出现如图10中速度迅速下降的现象。

弹头加速度随时间变化曲线如图11所示。弹头加速度是侵彻靶板时受靶板作用载荷形成的,弹头接触靶板瞬间,弹头所受载荷迅速增大,当载荷超过陶瓷材料的许用载荷,陶瓷圆头部壳体开始破碎,弹头穿透第1层靶板运动到空腔后所受载荷迅速下降。弹头穿过空腔继续侵彻第2层靶板,陶瓷壳体所受载荷增加；冲击作用快结束时,陶瓷壳体全部破碎,速度越大,动能越大,陶瓷弹头破碎的破片较小,反之较大；陶瓷壳体侵彻第2层靶板所受载荷再次经历先增加后减小的过程。靶板变形能随时间的变化如图12所示,弹头速度越大,对靶板冲击做功越大,靶板发生的变形也越大。

4 结束语

本文采用试验和数值模拟分析方法研究了低侵彻陶瓷枪弹侵彻航空有机玻璃,分析了弹头速度对弹头破碎性能和对靶板侵彻性能的影响,结果表明:

①低侵彻陶瓷枪弹破碎性能良好,弹头陶瓷壳体侵彻第1层靶板时弹头开始破碎,侵彻第2层靶板后弹头完全破碎,未能穿透第2层靶板,并且未对第3层靶板造成损伤。

②低侵彻陶瓷枪弹的速度对弹头破碎性能和对靶板冲击性能影响很大。速度较大的弹头冲击靶板时,弹头所受载荷较大,弹头破片更小、更均匀,但对靶板损伤更大,合适的速度有助于低侵彻陶瓷枪弹性能更好地发挥。

[1] 赵陕东,马永忠.非致命武器与警用器材[M].北京:兵器工业出版社,2005.

ZHAO Xia-dong,MA Yong-zhong.Non-lethal weapons and police equipment[M].Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)

[2] 杜忠华.动能弹侵彻陶瓷复合装甲机理[D].南京:南京理工大学,2002.

DU Zhong-hua.Mechanics research on penetration of KE-projectile to ceramic composite amour[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2002.(in Chinese)

[3] 胡迪奇,王坚茹,陈智刚,等.TC复合弹侵彻复合靶的试验与仿真分析[J].兵器材料科学与工程,2016,39(4):101-105.

HU Di-qi,WANG Jian-ru,CHEN Zhi-gang,et al.Test and simulation analysis of TC composite projectile penetrating ceramic targets[J].Ordnance Material Science and Engineering,2016,39(4):101-105.(in Chinese)

[4] NECHITAILO N V.Advanced high-speed ceramic projectiles against hard targets[J].IEEE Trans Magnet,2009,45(1):614-619.

[5] 付建平,杨金龙,印立魁,等.氧化锆陶瓷子弹的高速冲击动态性能[J].硅酸盐学报,2016,44(2).346-352.

FU Jian-ping,YANG Jin-long,YIN Li-kui,et al.Dynamic properties of zirconia ceramic bullets under high-speed impact[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2016,44(2):346-352.(in Chinese)

[6] TIMOSHENKO S,WOURNOS S.Theory of plates and shells[M].New York:McGraw-Hill Publishing Co.,1959:432-435.

[7] 易荣成,王坚茹,陈智刚,等.Tc复合弹的结构和性能研究[J].兵器材料科学与工程,2016,39(5):109-112.

YI Rong-cheng,WANG Jian-ru,CHEN Zhi-gang,et al.Structure and performance of Tc composite projectile[J].Ordnance Material Science and Engineering,2016,39(5):109-112.(in Chinese)

[8] 郭玉瑛.飞机设计手册[M].北京:国防工业出版社,1983:510-530.

GUO Yu-ying.Aircraft design manual[M].Beijing:National Defense Industry Press,1983:510-53.(in Chinese)

PerformanceofLow-penetrationCeramicBulletPenetratingAviationOrganicGlass

LI Bo1,WANG Jian-ru1,YIN Li-kui1,CHEN Zhi-gang1,YI Rong-cheng2,HU Di-qi1

(1.National Defense Key Laboratory of Underground Damage Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Chongqing Changan Industry(Group)Co.,Ltd,Chongqing 401120,China)

In order to optimize the damage capability of conventional bullets,the ceramic bullet was tested based on the 9 mm pistol.The ceramic bullet penetrating into the air glass was studied,and the results were analyzed.By using LS_DYNA finite element software,the low-penetration ceramic bullets penetrating aviation organic-glass under different speeds were simulated.The fragmentation effect was compared with the damage effect of aviation organic-glass.The crushing performance of low-penetration ceramic bullets and its penetration power against aviation organic-glass were analyzed.The results show that the low-penetration ceramic bullet has good crushing performance,and the speed has a great influence on the damage effect of low-penetration ceramic bullet penetrating aviation organic-glass,and there is a speed range that gives full play to the ability of low-penetration ceramic bullet.

low penetration;ceramic bullet;fragmentation;aviation organic-glass;numerical simulation

TJ411.1

A

1004-499X(2017)04-0070-06

2017-07-05

李波(1991- ),男,硕士研究生,研究方向为弹药结构及毁伤技术。E-mail:673099952@qq.com。