钨合金弹侵彻运动双层靶板的数值模拟研究

吴世永，李 慧

(海军航空大学航空基础学院, 山东 烟台 264001)

穿甲弹通常是利用弹芯的强大动能强行穿透装甲来实现对目标的毁伤[1]。舰炮系统的穿甲弹拦截来袭导弹和飞机等高速目标时，需要考虑弹芯对高速运动的双层或者多层结构的侵彻效能。钨合金弹对静止的双层或者多层靶板的侵彻效能研究最有效的方法就是试验[2-4]，但是由于试验条件的限制，钨合金弹对运动靶板的侵彻试验要求较高，因此数值模拟成为常用的研究方法[5]。邓云飞等[6]采用数值模拟的方法研究了攻角对弹靶撞击过程、靶板失效形式及弹体动能变化的影响，发现弹体攻角的增加导致靶板的损伤面积先增大后保持不变。吴广等[7]模拟了截锥形弹丸侵彻双层金属靶板过程，认为厚薄靶板的放置顺序对靶板整体的防护性能有很大的影响。邹运等[8]对钨合金长杆弹斜侵彻运动靶板进行了数值模拟研究，结果表明长杆弹初速度及长细比、靶板运动方向及速度、靶板的倾角对弹体的侵彻能力都有很大的影响。可见，通过数值模拟的方法来研究钨合金弹对运动靶板的侵彻效能具有很大的优势，可以为全面评价钨合金弹的侵彻效能提供有力的依据。

本文利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA，通过数值模拟的方法对具有攻角的钨合金弹侵彻运动双层靶板的过程进行数值模拟，分析了钨合金弹的侵彻性能与攻角、双层靶板间距和横向速度的关系。

1 计算模型

钨合金弹由圆柱形弹身和锥状弹头构成，总长为68 mm，弹径为15 mm，总质量为185 g。双层靶板由厚度相等的两层靶板组成，每层厚度为8 mm，两层靶板的间距d取0、2 mm、4 mm、6 mm和8 mm五种情况，靶板材料为30CrMnSiA。钨合金弹的着靶速度vB水平向右，垂直于靶板，弹头上抬，攻角大小用θ来描述，如图1所示。靶板的横向速度vT垂直于纸面向里。靶板的边长为200 mm，在靶板边界的节点施加水平向右方向上的约束。

计算中钨合金弹和双层目标靶板均采用能够较好地模拟金属材料在高速侵蚀过程响应的随动塑性材料模型，该模型可通过设定最大等效塑性应变值来模拟材料的失效。钨合金和30CrMnSiA的主要参数如表1所示[9-10]，其中，ρ表示密度，E表示弹性模量，μ表示泊松比，σ0表示初始屈服应力，Etan表示切线模量，εf为最大等效塑性应变。

表1 钨合金和30CrMnSiA的材料参数

为了研究具有攻角的钨合金弹侵彻双层运动靶板的性能，对钨合金弹以不同攻角侵彻间距不同的运动双层靶板的过程进行了数值计算。钨合金弹的着靶速度大小vB取为1 000 m/s，攻角θ考虑10°、20°和30°三种情况。双层靶板的横向速度大小vT分别取为0、100 m/s、300 m/s、600 m/s和900 m/s。

2 钨合金弹穿甲姿态和目标靶板的破坏情况

具有攻角的钨合金弹侵彻运动双层靶板时，弹头容易受到靶板的挤压而形成钝化和侵蚀，同时，靶板的横向运动还会对钨合金弹形成侧向挤压和侵蚀，导致钨合金弹的运动姿态、运动速度和质量发生变化，从而影响其侵彻效能。

图2给出了钨合金弹的攻角分别为10°、20°和30°三种情况下，侵彻横向速度为300 m/s，间距d不同的双层靶板的计算图像。可以看出，钨合金弹的攻角越大，靶板的开孔越大，钨合金弹的变形和侵蚀也随着攻角增大而加剧。从图3可以看出，攻角和靶板间距相同时，靶板的横向速度对靶板的开孔形状和大小的影响很大。而从图4可以看出，当攻角和靶板的横向速度相同时，双层靶板的间距对靶板的开孔大小影响很小。

图2 攻角不同的钨合金弹侵彻双层靶板(vT=300 m/s)后的状态示意图

图3 攻角30°，靶板间距为4 mm时，靶板的穿孔状态效果图

图4 攻角30°，横向速度300 m/s时，靶板的穿孔状态效果图

3 钨合金弹侵彻运动双层靶板后的剩余速度分析

图5给出了钨合金弹侵彻横向速度分别为100 m/s和900 m/s的双层靶板时的z轴方向速度曲线。可以看出，钨合金弹的攻角越大，速度降低越快，z轴剩余速度越小；而对于不同间隔的双层靶板，靶板在z方向上的速度变化在侵彻过程中的速度略有不同，但靶板间隔对剩余速度大小的影响很小。对于横向速度为100 m/s的双层靶板，攻角为10°时，钨合金弹侵彻间隔不同的双层靶板后的速度平均损耗了15.9%，剩余速度相差最大2.4 m/s；攻角为20°时，钨合金弹速度平均损耗了22.0%，剩余速度相差最大2.6 m/s；而攻角为30°时，钨合金弹速度平均损耗了29.9%，剩余速度相差最大6.9 m/s。对于横向速度为900 m/s的双层靶板，攻角为10°时，钨合金弹侵彻间隔不同的双层靶板后的速度平均损耗了32.2%，剩余速度相差最大11.9 m/s；攻角为20°时，钨合金弹速度平均损耗了37.0%，剩余速度相差最大31.5 m/s；攻角为30°时，钨合金弹速度平均损耗了42.6%，剩余速度相差最大43.7 m/s。

从表2给出的钨合金弹以10°攻角侵彻双层靶板后的z轴剩余速度可以看出，对于间隔相同的靶板，钨合金弹的z轴剩余速度随着靶板的横向速度的增大而减少，这是由于靶板对钨合金弹的横向挤压使得阻力增大。对于间隔为0的双层靶板，钨合金弹侵彻横向速度为900 m/s靶板后的z轴剩余速度比侵彻静止靶板要低158.2 m/s；而对于间隔为4 mm的双层靶板，钨合金弹侵彻横向速度为900 m/s靶板后的z轴剩余速度比侵彻静止靶板要低168.0 m/s；而对于间隔为8 mm的双层靶板，钨合金弹侵彻横向速度为900 m/s靶板后的z轴剩余速度比侵彻静止靶板要低171.2 m/s。可见，靶板横向速度对钨合金弹的剩余速度的影响，随着双层靶板的间隔的增大而略有增大。从表3和表4给出的钨合金弹以20°和30°攻角侵彻双层靶板后的z轴剩余速度数据可以得到同样的结论。这主要是由于间隔增大后，引起弹靶之间的作用时间略有增大引起的。

图5 钨合金弹侵彻双层靶板时的z轴速度曲线

表2 攻角为10°时，钨合金弹的z轴剩余速度 (m·s-1)

表3 攻角为20°时，钨合金弹的z轴剩余速度 (m·s-1)

表4 攻角为30°时，钨合金弹的z轴剩余速度 (m·s-1)

4 钨合金弹侵彻运动双层靶板后的剩余质量分析

图6给出了双层靶板的横向速度为100 m/s和900 m/s时，具有攻角的钨合金弹侵彻双层靶板时的质量曲线。

图6 靶板横向速度不同时，钨合金弹以不同攻角侵彻时的质量曲线

表5、表6和表7给出的攻角为10°、20°和30°的钨合金弹侵彻运动双层靶板后的剩余质量。对于横向速度为100 m/s的双层靶板，攻角为10°时，钨合金弹侵彻间隔不同的双层靶板后的质量平均损耗了19.9%，剩余质量相差最大1.3 g；攻角为20°时，钨合金弹质量平均损耗了23.0%，剩余质量相差最大2.7 g；攻角为30°时，钨合金弹质量平均损耗了26.9%，剩余质量相差最大2.2 g。对于横向速度为300 m/s的双层靶板，攻角为10°时，钨合金弹侵彻间隔不同的双层靶板后的质量平均损耗了24.8%，剩余质量相差最大1.4 g；攻角为20°时，钨合金弹质量平均损耗了29.2%，剩余质量相差最大2.6 g；攻角为30°时，钨合金弹质量平均损耗了35.0%，剩余质量相差最大1.6 g。对于横向速度为900 m/s的双层靶板，攻角为10°时，钨合金弹侵彻间隔不同的双层靶板后的质量平均损耗了55.3%，剩余质量相差最大3.2 g；攻角为20°时，钨合金弹质量平均损耗了59.3%，剩余质量相差最大3.5 g；攻角为30°时，钨合金弹质量平均损耗了64.3%，剩余质量相差最大7.2 g。所以，钨合金弹的剩余质量随着攻角的增大而减小，随着靶板的横向速度的增大而急剧减小，而靶板间距对钨合金弹的剩余质量影响随着横向速度的增大而略有增大，但是均不明显。

表5 攻角为10°时，钨合金弹的剩余质量 g

表6 攻角为20°时，钨合金弹的剩余质量 g

表7 攻角为30°时，钨合金弹的剩余质量 g

5 结论

1) 钨合金的攻角越大，双层靶板的开孔越大，钨合金弹的变形和侵蚀随着攻角增大而加剧，但是靶板的间距对靶板的开孔大小影响较小。

2) 钨合金弹的攻角越大，速度降低越快，z轴剩余速度越小，而靶板间距对钨合金弹z轴剩余速度大小的影响不大，相差不超过初速的5%。钨合金弹的z轴剩余速度随着靶板的横向速度的增大而减少，而靶板横向速度对钨合金弹的剩余速度的影响随着靶板间隔的增大而略有增大，不超过初始速度的2%。

3) 钨合金弹的剩余质量随着攻角的增大而减小，且随着靶板的横向速度的增大而急剧减小，最大超过了64%，而靶板间距对剩余质量的影响随着横向速度的增大而略有增大，但是不超过4%。