不敏感弹药枪击试验用弹国内外对比分析*

王永亮,王雨时,李德才,张志彪,王光宇,闻 泉

(1 南京理工大学机械工程学院, 南京 210094； 2 中国兵器装备集团公司第121厂, 黑龙江牡丹江 157013)

0 引言

随着现代武器战术性能的不断提高和作战环境更加严酷,对武器弹药在生产、运输、储存及战场环境下的安全性要求越来越高。北约提出的不敏感弹药概念及其评估试验标准体系STANAG4241目前得到了国内的广泛关注和普遍认同。该评估试验标准体系规定标准的枪弹射击试验(简称枪击试验)是采用美国12.7 mm口径M2穿甲弹对试样进行连续3次射击,用于模拟弹药在储运和战备状态下受到轻武器攻击的反应程度。该枪弹的撞击速度为(850±20) m/s、射速为(600±50) 发/min,要求发射间隔为(80±40) ms[1]。国内枪击试验均采用国产12.7 mm口径的穿甲燃烧枪弹[2-8],但是未见有考虑国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹与美国M2穿甲弹在结构方面的差异及其对枪击试验结果的影响。针对此问题,文中采用ANSYS/LS-DYNA商业仿真软件分别对国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻过程进行数值仿真,对不同情形得到的数值仿真结果进行比较,为完善我国不敏感弹药枪弹射击试验标准提供参考。

1 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹与美国M2穿甲弹对比

国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹由钢芯、弹头壳、铅套和燃烧剂四部分组成,美国M2穿甲弹由钢芯、弹头壳和燃烧剂三部分组成,如图1所示。

图1 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹与美国M2穿甲弹对比

文献[9]给出国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹性能数据如表1所列。

表1 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2式穿甲弹性能数据

国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹比美国M2穿甲弹多了铅套部分,前者弹头比后者长4.8 mm左右。国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹钢芯形状是尖头,美国M2穿甲弹钢芯形状是平头,两者钢芯直径相差无几,前者钢芯长度比后者钢芯长度大4.8 mm左右,因此国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹钢芯比美国M2穿甲弹钢芯质量大4.56 g左右。国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹弹头壳比美国M2穿甲弹弹头壳长8.65 mm左右,但是前者弹头壳厚度比后者弹头壳厚度小0.43 mm左右,而且前者弹头壳材料为钢,后者弹头壳材料为黄铜,因此国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹弹头壳质量比美国M2穿甲弹弹头壳质量小4.7 g左右。

2 不敏感弹药枪击试验方法数值仿真

2.1 数值仿真研究思路

在枪击试验中,钢芯击穿弹头壳进入主装药或导爆药、传爆药,有可能使主装药或导爆药、传爆药发生反应。由于多数弹体和引信体都采用钢材料,故采用45钢靶板作为被侵彻对象,以弹头侵彻靶板后的剩余动能作为进入主装药或导爆药、传爆药内的能量。采用ANSYS/LS-DYNA仿真软件对国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹以不同攻角侵彻不同厚度的靶板进行数值仿真,比较不同情形下国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻后的剩余动能。

2.2 有限元仿真模型建立

国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹有限元模型如图2所示,美国M2穿甲弹有限元模型如图3所示；45钢靶板有限元模型如图4所示。弹头与靶板相比尺寸较小,弹头侵彻靶板过程中,靶板四周受弹头作用很小。为了提高计算效率,在建模时将靶板受弹头作用的中心区域网格划分较为密集,而其他区域网格划分较为稀疏,同时对网格密集区域和网格稀疏区域进行了过渡处理。弹头各组分间的接触形式设置为面面自动接触；弹头与靶板间是侵彻与被侵彻的关系,接触形式设置为面面侵蚀接触。在靶板边界定义非反射边界,采用八节点六面体单元进行映射网格划分。

图2 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹有限元模型

图3 美国M2穿甲弹有限元模型

图4 靶板有限元模型

在弹头侵彻模拟过程中,作如下假设：

1)忽略弹头自身重力影响；2)忽略空气阻力；3)弹头壳和弹头内部填充物是均质的；4)侵彻过程中,靶板受影响的区域只考虑与弹头直接和间接接触的区域,其余部分的影响可以忽略；5)忽略靶板的刚体运动；6)忽略热效应,比如冲击过程中产生的热应力；7)所有靶板表面都是均质的平面；8)靶板在撞击前内部应力为零。

2.3 材料模型与参数

国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹的钢芯材料均为T12A冷拉碳素工具钢或其他相近钢号,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹的铅套材料为铅、弹头壳材料为优质低碳薄钢片,美国M2穿甲弹弹头壳材料为H90黄铜,靶板材料为45钢。钢芯、铅套、弹头壳和45钢靶板采用Johnson-Cook模型；燃烧剂用等效密度的土壤代替,采用泡沫材料模型。各材料模型参数如表2所列。

表2 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹仿真用材料模型参数[10-12]

2.4 仿真可信性说明

文献[13]用国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹在弹头倾角为0°的情形下对6 mm厚的碳化硅陶瓷进行抗弹性能靶板试验。文中采用ANSYS/LS-DYNA商业仿真软件建立与该试验相同的仿真模型并选用相近的材料模型参数,所得仿真结果与抗弹性能靶板试验结果对比见表3。

表3 抗弹性能靶板试验结果与仿真结果对比

表3说明文中建立的仿真模型、所用仿真参数和仿真结果基本上可信。

3 仿真结果及其分析

3.1 弹头转速对侵彻结果的影响

枪击试验中,样弹位置距离枪口很近,因此枪口速度近似为弹头撞击时的速度,利用内弹道计算公式计算出枪口时刻转速,即可近似为弹头撞击时的转速。

文献[14]给出了等齐膛线时,弹头转速ω与速度v之间的关系式：

(1)

式中:h为膛线缠距；ω为弹头转速；v为弹头速度。

文献[9]给出国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹膛线缠距为380 mm,美国M2穿甲弹膛线缠距为381 mm。速度为850 m/s时,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹转速为14 054 rad/s,美国M2穿甲燃烧枪弹转速为14 018 rad/s,两者几乎完全相同。

以往有关国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻靶板的数值仿真研究都是忽略转速的影响,即在数值仿真时只施加了弹头速度,而没有施加弹头转速[13,15-16]。为了研究国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹在数值仿真时忽略转速对侵彻结果的影响,用未施加转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、美国M2穿甲弹和施加转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、美国M2穿甲弹分别以850 m/s的速度对5 mm、10 mm和15 mm厚的45钢靶板进行侵彻数值仿真,对侵彻后的剩余动能进行比较,结果如表4所列。

表4 有无转速的弹头侵彻45钢靶板后的剩余动能 kJ

由表4可知,施加转速后,侵彻45钢靶板后的剩余动能更小,差别较大,因而都不能忽略转速的影响,即在数值仿真时既要施加弹头速度,又要施加弹头转速。

3.2 将弹头简化成裸钢芯对侵彻结果的影响

文献[13]指出弹头穿甲侵彻靶板过程中,主要是钢芯起侵彻作用,因此在其数值仿真过程中仅考虑了钢芯的作用,忽略其余部分,但是没有给出相关的可信性证明。为了研究国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹在穿甲侵彻靶板过程中能否简化成裸钢芯,分别用施加转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、简化后的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹裸钢芯、美国M2穿甲弹以及简化后的美国M2穿甲弹裸钢芯以850 m/s的速度模拟侵彻5 mm、10 mm和15 mm厚的45钢靶板,侵彻后的剩余动能如表5所列。

表5 不同弹头模型侵彻45钢靶板后的剩余动能仿真结果 kJ

由表5可知,简化后的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹裸钢芯、美国M2穿甲弹裸钢芯与国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、美国M2穿甲弹相比,分别侵彻5 mm、10 mm和15 mm厚度45钢靶板后的剩余动能更小,差别较大。随着45钢靶板厚度的增加,剩余动能的差别越来越小。因此,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹在进行穿甲侵彻靶板数值仿真时一般不宜仅考虑钢芯的穿甲作用,即在建模时一般不能简化为裸钢芯。

3.3 弹头各部分对侵彻结果的影响

既然弹头在进行穿甲侵彻靶板数值仿真时不能简化为裸钢芯建模,那么弹头中除钢芯以外的其他部分也起到了一定的穿甲作用。为了研究国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹各部分对侵彻结果的影响,拟定了4种不同建模方案,分别以850 m/s的速度和相应的转速对5 mm厚的45钢靶板进行侵彻数值仿真,并对弹头侵彻后的剩余动能进行比较,如表6所列。

方案一建模时国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹各部分均保留；方案二建模时国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹均去除燃烧剂部分；方案三建模时国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹去除铅套部分；方案四建模时国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹均去除弹头壳部分。各方案仿真模型剖面图如图5所示。

图5 各方案仿真模型剖面图

表6 不同建模方案下弹头侵彻靶板后的剩余动能仿真结果

由表6可知,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹的铅套和燃烧剂部分对穿甲侵彻作用的影响很小,美国M2穿甲弹的燃烧剂部分对穿甲侵彻作用的影响也很小,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹的弹头壳部分对穿甲侵彻作用的影响很大,说明弹头壳有一定的穿甲侵彻作用,不能在仿真研究中忽略。

3.4 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行标准枪击试验的可行性分析

文献[9]给出国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹制式初速为810～825 m/s(工程上可通过改变装药量来调整)。北约不敏感弹药评估试验标准体系STANAG4241规定在标准枪击试验中美国M2穿甲弹速度为(850±20)m/s。由上文数值仿真结果可知,弹头侵彻模型不能简化为钢芯,转速对侵彻结果的影响也不能忽略,因此用施加速度和转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、美国M2穿甲弹分别对5 mm、10 mm和15 mm厚的45钢靶板进行侵彻数值仿真,对侵彻后的剩余动能进行比较,结果如表7所列。

由表7可知,速度为818～850 m/s且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻5 mm和10 mm厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能,速度为834 m/s和850 m/s且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻5 mm、10 mm和15 mm厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能。因此,用速度为810～825 m/s的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行枪弹试验是不可靠的,而用12.7 mm口径的弹道枪枪口速度为834 m/s以上的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行枪击试验是保守可行的。

表7 国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻45钢靶板后的剩余动能仿真结果 kJ

3.5 弹头攻角对侵彻结果的影响

弹头在飞行过程中,由于脱壳、重力和气动等因素的影响,很难实现理想的垂直着靶姿态[17-20],弹头在侵彻靶板时通常都具有不超过5°的攻角。为了研究弹头攻角对侵彻结果的影响,分别用速度为834 m/s和850 m/s且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹以及速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹在不同攻角状态下分别对5 mm厚的45钢靶板进行侵彻数值仿真,对侵彻后的剩余动能进行比较,结果如表8所列。

表8 不同弹头在不同攻角状态下侵彻45钢靶板后的剩余动能仿真 kJ

由表8可知,弹头攻角不超过5°时,对国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻5 mm厚度45钢靶板后的剩余动能影响不大。攻角相同时,速度为834 m/s和850 m/s且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻5 mm厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能。因此,尽管弹头在侵彻靶板时通常都具有不超过5°的攻角,但是以速度为834 m/s以上的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行枪弹试验依然是保守可行的。

4 结论

文中采用ANSYS/LS-DYNA商业仿真软件分别对不敏感弹药枪击试验的主要过程即国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻钢板的过程进行数值仿真,在验证了可信性的基础上,分析不同情形下弹头侵彻45钢靶板后的剩余动能,得出以下结论：

1)施加转速后,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻45钢靶板后的剩余动能变小,差别较大,因而都不能忽略转速的影响。

2)国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹裸钢芯、美国M2穿甲弹裸钢芯与国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹、美国M2穿甲弹相比,侵彻45钢靶板后的剩余动能更小,差别较大。因此,国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹在进行穿甲侵彻靶板数值仿真时一般不宜仅考虑钢芯的穿甲作用,即在建模时一般不能简化为单一的裸钢芯。

3)国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹的弹头壳部分有一定的穿甲侵彻作用,不能在仿真研究中忽略；其余部分对穿甲侵彻作用的影响很小,可以忽略。

4)速度为834 m/s和850 m/s且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻不同厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能。

5)弹头在侵彻靶板时通常都具有不超过5°的攻角,但是对国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹和美国M2穿甲弹侵彻45钢靶板后的剩余动能影响不大。攻角相同时,速度为834 m/s以上且带有转速的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹侵彻5 mm厚度45钢靶板后的剩余动能均大于速度为850 m/s且带有转速的美国M2穿甲弹侵彻靶板后的剩余动能。

因此,用速度为810～825 m/s的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行不敏感弹药枪击试验所得结论并不可信,可能是偏于冒进的。而用12.7 mm口径的弹道枪枪口速度为834 m/s以上的国产12.7 mm穿甲燃烧枪弹代替美国M2穿甲弹进行不敏感弹药枪击试验是可行但有可能是保守的。