小质量钨球侵彻凯夫拉极限穿透速度研究*

王 帅,智小琦,范兴华,徐锦波

(1 中北大学机电工程学院, 太原 030051； 2 晋西工业集团有限责任公司, 太原 030027)

0 引言

破片战斗部是战斗部的主要类型之一,广泛应用在军事领域[1]。钨球破片的毁伤性能的相关报道已有一些,周平等对Φ6 mm钨球侵彻铝合金板的弹道极限进行了研究[2]；徐豫新等对Φ6 mm(93W)、Φ7 mm(93W)、Φ6 mm(95W)、Φ7.5 mm(95W)四种钨球正撞击下低碳钢板的极限穿透厚度进行了研究[3]；贾光辉等对Φ5.86 mm、Φ6.83 mm、Φ7.51mm钨球侵彻薄靶板进行了实验研究[4]。以上钨球破片的质量均在1 g以上,而对小质量钨球尤其是质量小于0.35 g的钨球侵彻靶板的极限穿透速度的研究很少。单兵作战武器要求机动性好、体积小,故在单兵战斗部上采用小质量钨球破片对提高战斗部射程、威力有着极其重要的作用[5]。

文中采用实验方法和数值仿真方法研究不同质量钨球侵彻Ⅲ、Ⅳ级凯夫拉和2 mm厚LY12CZ硬铝板的极限穿透速度,得到钨球的极限穿透速度随钨球质量变化的规律,根据此规律及综合考虑单兵作战武器的性能特点和战技要求,得出单兵作战武器战斗部的较优破片质量。

1 实验

1.1 实验准备

钨球破片质量为0.16 g(Φ2.8 mm)；靶板为Ⅲ级凯夫拉、Ⅳ级凯夫拉及LY12CZ硬铝板；发射装置为12.7 mm滑膛弹道枪；测速装置为NGL202-Z型测速仪,μs计时,利用通断靶测试小质量钨球靶前或靶后的速度,并记录侵彻状态。实验原理如图1所示。

图1 实验装置

图2 钨球及弹托

1.2 实验结果及分析

1.2.1 0.16 g(Φ2.8 mm)钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉

钨球破片质量为0.16 g,直径为Φ2.8 mm,用Ⅲ级凯夫拉作靶板,并测试靶前和靶后速度,实验结果如表1所示。

表1 钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉实验数据

由表1可知：钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉极限穿透速度在725.3 ～732.7 m/s之间,由于两速度值很接近,差值仅为7.4 m/s,故取平均值[6],则钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉极限穿透速度为729 m/s,侵彻状态如图3所示。

图3 钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉实验图

1.2.2 0.16 g(Φ2.8 mm)钨球侵彻Ⅳ级凯夫拉

钨球破片质量为0.16 g,直径Φ2.8 mm,用Ⅳ级凯夫拉作靶板,由于防弹头盔形状的限制无法测到靶后速度,测得靶前速度实验结果如表2所示。

表2 钨球侵彻Ⅳ级凯夫拉实验数据

由表2可知：钨球侵彻Ⅳ级凯夫拉极限穿透速度在741.0～751.4 m/s之间,由于两速度值很接近,差值仅为10.4 m/s,故取平均值,则钨球侵彻Ⅳ级凯夫拉极限穿透速度为746.2 m/s,侵彻状态如图4所示。

图4 钨球侵彻Ⅳ级凯夫拉实验图

1.2.3 0.16 g(Φ2.8 mm)钨球侵彻LY12CZ硬铝板

钨球破片质量为0.16 g,直径Φ2.8 mm,用LY12CZ硬铝板作靶板,并测试靶前和靶后速度,实验结果如表3所示。

表3 钨球侵彻LY12CZ硬铝板实验数据

由表3可知：钨球侵彻LY12CZ硬铝板极限穿透速度在377.5～381.1 m/s之间,由于两速度值很接近,差值仅为3.6 m/s,故取平均值,则钨球侵彻LY12CZ硬铝板极限穿透速度为379.3 m/s,侵彻状态如图5所示。

德·玛尔公式[7]是用来计算等效靶板的常用公式,其表达式为：

(1)

式中：V50为极限穿透速度(m/s)；d为钨球直径(dm)；h为靶板厚度 (dm)；q为钨球质量(kg)；K为复合穿甲系数。

图5 钨球侵彻LY12CZ硬铝板实验图

利用式(1)和0.16 g(Φ2.8 mm)钨球侵彻LY12CZ硬铝板实验得到k=1 318,可得钨球侵彻LY12CZ硬铝靶板的弹道极限公式为：

(2)

根据式(2)则可计算出Ⅲ级凯夫拉的当量LY 12CZ硬铝板厚度为4.78 mm；Ⅳ级凯夫拉的当量LY12CZ硬铝板厚度为4.93 mm。

2 不同小质量钨球对LY12CZ硬铝板侵彻数值仿真

取质量分别为0.16 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g,对应直径分别为Φ2.8 mm、Φ3 mm、Φ3.2 mm、Φ3.5 mm和Φ3.65 mm的钨球对LY12CZ硬铝板进行数值仿真计算,靶板规格为40 mm×40 mm×2 mm。由于凯夫拉的精确参数难以获得,故用比动能不变原理求出它们在上述质量钨球下的极限穿透速度并研究极限穿透速度随钨球质量的变化规律,进而得到单兵作战武器的较优质量破片,对单兵破片战斗部的设计提供一定的指导作用。

2.1 有限元模型建立

数值仿真采用有限元分析软件LS-DYNA,单位制为cm-g-μs,算法为Lagrange算法。在三维侵彻问题中,SOLID六面体实体单元是进行网格划分的首选,本研究对小钨球破片和LY12CZ硬铝板采用SOLID六面体实体单元,对网格进行局部加密,密集处网格尺寸为0.25 mm,稀疏处网格尺寸为0.5 mm。为了简化运算,根据结构的对称性,考虑到计算的时间和周期,建立四分之一有限元模型[8],对称面采用对称边界条件,边界面采用非反射边界条件,如图6所示。

2.2 材料模型的确定

将小钨球作为刚体,选择*MAT_RIGID材料模型；LY12CZ硬铝靶板选择*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型,参数如表4所示。

图6 有限元模型

表4 数值仿真材料模型参数

2.3 仿真结果及分析

2.3.1 0.16 g(Φ2.8 mm)钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真

表5为钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真结果,图7为速度380 m/s 时0.16 g钨球侵彻LY12CZ硬铝板过程。

表5 钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真结果

图7 钨球以380 m/s的速度侵彻LY12CZ硬铝板过程

由表5可知：钨球侵彻LY12CZ硬铝板时,靶前速度小于等于379.5 m/s时仿真结果均为嵌入；靶前速度大于等于380.5 m/s时仿真结果均为穿透；靶前速为380 m/s时仿真结果均为即将穿透,再结合实验结果,在允许的误差范围之内可以认为0.16 g钨球侵彻LY12CZ硬铝板的极限穿透速度为380 m/s,可见数值仿真结果与实验结果比较吻合,材料参数可靠。

2.3.2 其他不同质量钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真

表6为不同质量钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真结果。

表6 不同质量钨球侵彻LY12CZ硬铝板数值仿真结果

根据比动能不变原理[9],可以计算出Ⅲ级凯夫拉在0.2 g、0.25 g、0. 3 g和0.35 g钨球侵彻时的极限穿透速度分别为698.6 m/s、687.3 m/s、665.5 m/s和642.5 m/s；Ⅳ级凯夫拉在0.2 g、0.25 g、0.3 g和0.35 g钨球侵彻时的极限穿透速度分别为715.1 m/s、703.6 m/s、681.2 m/s和657.7 m/s。不同质量钨球侵彻不同靶板极限穿透速度随质量变化规律的关系曲线如图8所示。

图8 钨球侵彻靶板极限穿透速度与质量的关系

通过图8钨球侵彻靶板极限穿透速度与质量的关系曲线可以看出不同质量的钨球分别侵彻LY12CZ硬铝板、Ⅲ级凯夫拉和Ⅳ级凯夫拉的极限穿透速度与钨球质量成负相关,且当质量在0.2～0.25 g范围内时极限穿透速度相对于其他范围变化比较缓慢,综合考虑单位体积内的破片个数和单兵作战武器的战技要求,单兵作战武器破片战斗部破片应该选取0.2～0.25 g的钨球。

3 结论

1)0.16 g钨球侵彻Ⅲ级凯夫拉、Ⅳ级凯夫拉和2 mm厚的LY12CZ硬铝板的极限穿透速度分别为729 m/s,746.2 m/s和379.3 m/s；

2)Ⅲ级凯夫拉的当量LY2CZ硬铝板厚度为4.78 mm；Ⅳ级凯夫拉的当量LY12CZ硬铝板厚度为4.93 mm；

3)同一靶板的极限穿透速度与钨球质量成负相关,考虑单位体积内的破片个数和单兵作战武器的战技要求,单兵作战武器战斗部破片取0.2～0.25 g的钨球最为合适。