空心钨球侵彻性能的研究.pdf

doi10. 3969／ j. issn. 1001- 8352. 2019. 02. 007 空心钨球侵彻性能的研究 * 杨 帅 ①② 赵太勇①② 陈智刚①② 李小军③ 李 伟③ 兰宇鹏④ 史俊青④ ①中北大学机电工程学院（山西太原，030051） ②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） ③军事科学院防化研究院（北京，102200） ④山东特种工业集团有限公司（山东淄博，255200） [摘 要] 利用 LS- DYNA 软件对现有93W 球型破片侵彻装甲钢试验结果进行符合计算，对93W 合金材料参数进 行标定，基于上述数值模拟与试验结果的一致性，进一步研究了93W 空心钨球对装甲钢的毁伤效能。 研究发现空 心钨球的弹道极限随靶板厚度的增加而增加，且弹道极限随空心钨球孔腔直径的增加呈近似指数型增加，对靶板 的开孔直径也逐渐增加；动能一定的条件下，空心钨球余速、剩余动能随孔腔半径的增加呈现先增加后减小的趋 势。 结果表明合理选择孔腔直径的空心钨球，可实现余速与开孔兼顾的威力要求。 [关键词] 空心钨球；冲击；侵彻；弹道极限；余速；剩余动能 [分类号] TJ410 Study on Penetration Perance of Hollow Tungsten Balls YANG Shuai ①②， ZHAO Taiyong①②， CHEN Zhigang①②， LI Xiaojun③， LI Wei③， LAN Yupeng④， SHI Junqing④ ① College of Mechanical and Electrical Engineering ， North University of China （Shanxi Taiyuan， 030051） ② National Defense Key Discipline Laboratory of Underground Target Damage Technology ， North University of China （Shanxi Taiyuan， 030051） ③ Institute of Chemical Defense， Academy of Military Sciences （Beijing， 102200） ④ Shandong Special Industrial Group Co . ， Ltd.（Shandong Zibo， 255200） [ABSTRACT] The LS- DYNA software was used to calculate the test results of the existing 93W spherical fragment into the armored steel， and the material parameters of the 93W alloy were calibrated.Based on the above research results， the 93W hollow tungsten ball was damaged by the armor steel .It is found that the ballistic limit of the hollow tungsten sphere increases with the increase of the thickness of the target plate ， and the ballistic limit increases exponentially with the in - creasing diameter of the tungsten ball cavity， and the diameter of the opening of the target plate also increases gradually . With certain kinetic energy， the residual speed and residual kinetic energy of the tungsten ball increase first with the in - crease of the radius of the cavity， and then gradually decrease.The results show that the reasonable selection of the tung- sten spheres with the diameter of the cavity can achieve the power requirements of both the storage speed and the opening . [KEYWORDS] hollow tungsten ball； impact； penetration； ballistic limit； residual speed； residual kinetic energy 引言 装填式预制破片的出现极大地提高了武器战斗 部的毁伤能力，钨球因其材料密度大、强度高、球形 体阻力系数小等优点而备受关注。 其中，钨球作为 典型的预制破片具有高比动能、高毁伤效能等优点， 已经应用于多种预制破片弹。 钨球对装甲钢板的极 限贯穿速度及侵彻机理是弹药设计者关心的问题， 也是弹药科研工作者重点研究的课题之一。 数十年 间，学者们对球形破片高速冲击靶板进行了大量的 研究和积累。其中，裴思行等 [1] 通过试验研究，得 出了钨球对多层间隔靶的侵彻机理，并建立了相应 的理论计算公式；贾光辉等 [2] 对钨球贯穿装甲钢板 第48 卷 第 2 期 爆 破 器 材 Vol. 48 No. 2 2019 年4 月 Explosive Materials Apr. 2019 * 收稿日期2018- 10- 04 第一作者杨帅（1994 -），男，硕士研究生，主要研究方向为战斗部结构优化与高效毁伤。 E- mail 1043414401＠qq. com 万方数据 时的能耗问题进行了研究，得出了钨球在侵彻靶板 时，破坏形式主要为开坑和冲塞，且开坑能耗大于冲 塞能耗；张国伟等 [3] 对钨球在侵彻过程中的变形进 行研究，得出了在侵彻过程中，随着钨球变形加剧， 其能量消耗也随之增加；赵晓旭等 [4] 建立了钨球高 速侵彻低碳钢板成坑直径的计算模型；康爱花等 [5] 对球形破片侵彻高强度装甲钢进行了弹道极限速度 的计算，从理论方面解释了钨球在侵彻过程中的能 量损失情况，并得到了极限穿透速度的计算公式；李 明星等 [6] 对不同形状轴向预制破片的飞散特性进 行了研究，得到了球形预制破片的飞散角最大；张宝 銔等 [7] 建立了钨合金动态拉伸行为的本构关系， 提 出了钨合金受动载发生塑性失稳，以致发生拉断的 判据；文献[8- 10]对球形破片撞击金属靶板进行了 相关研究，得到了撞击过程中球形破片的响应参数； 王维占等 [11] 建立了战斗部装药能量对破片动能转 化率的计算模型，并经过优化，得到破片获得最大动 能的充分条件。 而国外对钨球破片的研究也非常广 泛，Yadav 等 [12] 提出了等效塑性应变达到一定值 时，会出现单元失效消溶的情况；Czarnecki 等 [13- 15] 以弹道极限表征动能侵彻体对靶体的侵彻能力或靶 体的防护能力，通过试验研究、理论分析或数值仿真 获得侵彻体对靶体的弹道极限速度；Lawrence 等 [16] 从最大化整体破片动能和动量的角度获取了不考虑 长径比影响的最优解； Schoof 等 [17- 18] 研究了材料动 态球腔扩张，并提出了一种能预测弹丸穿透的数值 方法。 目前的研究，大都是针对于实心钨球而言，而对 空心钨球的研究比较少见。 基于前人的研究成果， 利用 LS- DYNA 软件获取了可靠的 93W 合金与装甲 钢材料参数，对空心钨球侵彻靶板进行数值模拟，并 通过应力波理论解释了空心钨球的变形规律，较好 地分析了空心钨球对装甲钢的毁伤效能。 1 应力波在钨球中的传播规律 钨球在着靶过程中，在接触面会受到应力波的 作用，应力波会以球形波的形式，向钨球内部进行传 播，并会在空腔以及自由表面处进行反射，下面对钨 球内部应力波的传播特性进行分析。 1. 1 实心钨球受力分析 结合试验现象，对钨球内部应力波传播特性进 行分析。 高速冲击下，忽略材料内部横波的传播，将 弹性波和塑性波等效为冲击波。 当发生冲击碰撞 时，t1时刻钨球产生背向冲击面的冲击波 B1，钨球 被压缩。 由靶板在冲击面处反射回来的拉伸波 R3 和由钨球内部压缩波 B1在两侧自由面反射回来的 拉伸波 B2一起向钨球内部传播，由于 B2为非刚性 壁垂直反射，故应力波 B2强度远远小于 B1。 t2时 刻，由于 B2未能在初始传入钨球的冲击波 B1到达 自由面前将其完全卸载，初始传入钨球的压缩波 B1 在自由面反射为拉伸波 R1，在该拉伸波与冲击波 B1 的作用下，钨球顶部自由面产生轴向拉伸塑性应变。 在 t3时刻，由于 B1在两侧自由面反射形成的拉伸 波 B2沿径向向中心轴线汇聚，汇聚后的拉伸波在轴 线处相互作用，形成反向拉伸波 R2，以近似径向球 面波的形式扩散传播，使钨球发生径向塑性拉伸变 形，钨球径向膨胀增大。 具体过程如图 1 所示。 实 心钨球形变对比如图 2 所示。 1. 2 空心钨球受力分析 针对空心钨球而言，在冲击碰撞的初始时刻，首 先出现背向冲击面的压缩波 A1，在冲击面与两侧自 由面上，产生反射波 B1、B2。 当 A1传播到空腔表面 处时，在向前传播的同时，也会出现空腔反射现象， 形成反射波 B3，之后，A1穿过空腔，继续传播，发生 顶部反射，形成反向的拉伸波 B4，与此同时，B2也会 （a）t1时刻 （b）t2时刻 （c）t3时刻 图1 实心钨球内应力波的传播 Fig. 1 Propagation of stress waves in a solid tungsten ball 83 爆 破 器 材 第 48 卷第 2 期 万方数据 （a）初始形态 （b）变形形态 图2 实心钨球形变对比 Fig. 2 Spherical variation contrasts of solid tungsten ball 在空腔处发生反射，形成反射波 B5。 最终，在轴向 上发生塑性应变，在径向上出现膨胀增大。 波的传 播过程如图 3 所示。 （a）初始碰撞 （b）底部反射 （c）空腔反射 （d）顶部反射 图3 空心钨球内应力波的传播 Fig. 3 Propagation of stress waves in hollow tungsten spheres 对比空心钨球与实心钨球的传播方式可知，实 心钨球在中心附近应力波叠加效果明显，而空心钨 球因存在空腔，导致中心附近应力波叠加效果减弱， 故实心钨球较空心钨球更易碎；但空心钨球受到中 心空腔处的径向反射波作用，使其更易发生径向膨 胀变形，故空心钨球在侵彻时会展现出一定的开孔 优势。 基于以上理论可知，实心钨球在侵彻过程中变 形较小，其与靶板的接触面积也较小；而空心钨球受 力时，因中心空腔原因，而出现较大的变形，在侵彻 过程中，接触面积有所增加，故其开孔能力也较强。 同时，在外径一定的前提下，空心钨球的质量较轻， 故在初始能量一定时，空心钨球会有较高的初速，在 侵彻后，也会存在较高的余速和剩余动能，可以进一 步提高对目标的杀伤能力。 2 仿真材料参数验证 2. 1 试验方法 采用 12. 7 mm 口径滑膛弹道枪发射93 W 钨球 破片垂直侵彻6 mm 厚装甲钢。 试验场地及装置布 置如图4 所示。 在理论研究的基础上进行试验，此次试验目 的测试直径为5. 5 mm 的实心钨球对6 mm 装甲钢 的极限穿透速度，并得到该工况下，靶板的穿孔情 （a）12. 7 mm 弹道枪 （b）JMC- K500 激光测速靶 （c）靶架 （d）测时仪 图4 试验布置 Fig. 4 Test arrangement 况，将仿真结果与之对比，进行仿真材料参数验证。 2. 2 试验结果 进行了1 ＃、2＃两组验证试验，并与仿真结果进行 对比，见表1。 极限穿透速度及靶板穿孔情况如图 5 和图 6。 将试验结果与仿真结果相比较，并调整仿真材 料模型参数，使得仿真结果与试验结论有较好的一 致性，最后，将调整好的模型参数进行标定，在此基 础上，对空心钨球侵彻钢靶进行后续的研究。 表1 试验与仿真结果对比 Tab. 1 Comparison of test results and simulation results 序 号 v50／ （m s - 1） 试验仿真 入孔直径／ cm 试验仿真 出孔直径／ cm 试验仿真 1 ＃ 765W758�0�. 6230 . 6180�. 6300�. 631 2 ＃ 763W755�0�. 6010 . 5960�. 6220�. 619 （a）1 ＃试验 （b）1＃仿真 （c）2 ＃试验 （d）2＃仿真 图5 入孔图片 Fig. 5 Initial holes 932019 年4 月 空心钨球侵彻性能的研究 杨 帅，等 万方数据 （a）1 ＃试验 （b）1＃仿真 （c）2 ＃试验 （d）2＃仿真 图 6 出孔图片 Fig. 6 Penetrating holes 3 数值模拟与分析 3. 1 建模与仿真 3. 1. 1 计算模型及设计方案 采用 ANSYS／ LS- DYNA 有限元动力学软件对钨 球高速侵彻钢靶进行数值模拟。 根据破片垂直侵彻 环境，采用 TRUEGRID 软件建立有限元模型，为节 约计算时间，建立 1／ 4 轴对称 3D 侵彻模型，并设置 对称约束条件于1／ 4 模型的对称面上。 计算网格均 采用 Solid164 八节点六面体单元，钨球破片网格尺 寸为0. 015 mm 0. 015 mm，靶板网格尺寸为 0. 025 mm 0. 025 mm，整个模型共有845 672 个单元。 钨 球、靶板采用 Lagrange 算法，它们之间的采用面- 面 接触算法。 并在模型的边界节点上施加压力流出边 界条件，避免压力在边界上的反射。 本文算例中，钨球直径为 5. 5 mm，空心钨球的 中心孔径分别为 0（实心）、0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5、 3. 0、3. 5 mm 和4. 0 mm，靶板厚度分别为 3、4、5、6、 7、8 mm，靶板材料为钢，具体参数见表2。 3. 1. 2 侵彻过程的仿真 图7 为仿真试验的有限元模型，为了节约计算 时间，靶板网格采用中间密、四周逐渐变疏的划分 方式。 （a）实心钨球 （b）空心钨球 图7 钨球侵彻钢靶模型 Fig. 7 Tungsten ball penetration model 在此模型基础之上，分别赋予钨球一定的初始 速度，从极限穿透速度（v50）入手，开始将空心钨球 与实心钨球做对比，得到钨球在侵彻靶板过程中的 各类参数。 3. 2 数值模拟结果 3. 2. 1 空心钨球中心孔径与极限穿透速度（v50）的 关系 在该模型的基础上，通过仿真计算，得到了不同 工况下的极限穿透速度，结果如图8 所示。 由图8 可知，当空心钨球中心孔径较小时（空 腔直径占比在 30％以内），其极限穿透速度与实心 钨球的有所降低，且空腔直径占比为 10％时，最大 降幅约为 6. 68％；但随着空心钨球中心孔径的逐渐 增加，极限穿透速度也随之增大。 出现该现象的原因是，在钨球外径一定的前提 图8 极限穿透速度（v50） 随空心钨球中心孔径的变化关系 Fig. 8 Relationship between ultimate penetration velocity （v50） and diameter of the central hole of the hollow tungsten ball 表2 材料性能具体参数 Tab. 2 Specific parameters of material perance 材料 密度／ （g cm - 3） 弹性模量／ （N m - 2） 泊松比屈服极限切线系数硬化系数应变率系数失效应变 钨17E. 823乙. 0700.. 320-. 010E. 0521q. 23q. 20�. 7 钢7/. 832乙. 0690.. 300-. 010E. 0021q. 00�0�. 8 04 爆 破 器 材 第 48 卷第 2 期 万方数据 下，空腔直径 D 越大，钨球质量 m 越小，且 m 与 D 成立方关系；当 D 较小时，空心钨球变形较小，与实 心钨球差别不大，故极限穿透速度接近。 但随着中 心孔径的增加，空心钨球在侵彻过程中的变形明显 增大，导致着靶面积增加，侵彻时受到的阻力增加， 使得极限穿透速度也随之增加。 3. 2. 2 空心钨球侵彻靶板过程中的参数分析 在初始条件一定的前提下，弹丸爆炸产生的能 量是固定的，即爆炸会赋予破片一定的初始能量，而 空心钨球的质量比实心钨球低，依据动能定理，空心 钨球会体现出较高的初速；在侵彻过程之中，空心钨 球易变形而径向膨胀，使得其在穿靶后，会形成较大 的穿孔，同时，空心钨球在靶后余速及剩余动能等方 面，也会体现出一定的优势，下面就侵彻过程中的几 个参数，结合仿真结果，进行具体的分析。 1）空心钨球中心孔径与靶板穿孔直径的关系。 空心钨球外围直径一定时，空腔越大，质量越 小 。由图9可知，随着空心钨球中心孔径的增大，在 侵彻不同厚度的靶极时，在靶板上留下的穿孔直径 呈增大趋势。当空腔直径占比在55％以内时，出、 入孔直径均有所提示；且当空腔直径占比在55％左 右时，出、入孔直径达到最大增幅，约为13％。这是 （a）入口直径 （b）出口直径 图9 穿孔直径与空心钨球中心孔径的关系 Fig. 9 Relationship between perforation diameter and centnal apertare of the hollow tungsten ball 由于空心钨球在受力时，容易出现较大的变形，且中 心孔径越大，呈现出的变形就越严重，故在侵彻过程 中会有较大的穿孔；而实心钨球变形较小，故其穿孔 也较小。 2）空心钨球中心孔径与靶后余速以及剩余动 能的关系。 如图 10、图 11 所示，在初始能量一定的前提 下，空腔直径占比在 45％以内时，靶后余速及剩余 功能较实心钨球均有较大幅度的提升；且当空腔直 径占比在 30％左右时，达到最大增幅，约为 83％；但 随着空心钨球中心孔径的增加，其靶后余速也在逐 渐减小，直到中心孔径增加到一定范围时，会出现穿 不透的现象（余速为0）；同时，钨球在侵彻靶板过程 中，其质量也在消逝，但总体来说，空心钨球的剩余 动能较实心钨球而言，仍然呈现出先增加，而后逐渐 减小的趋势。 图 10 靶后余速与中心孔径的关系 Fig. 10 Relationship between residual speed after target and diameter of center hole 图 11 剩余动能与中心孔径的关系 Fig. 11 Relationship between residual kinetic energy and diameter of center hole 4 结论 通过理论分析、试验标定、以及数值模拟仿真 3 种方式，来研究空心钨球在侵彻过程中的参数性能， 142019 年4 月 空心钨球侵彻性能的研究 杨 帅，等 万方数据 得到了如下结论 1）当空腔直径占比在 30％以内时，极限穿透速 度有所下降。 当空腔直径占比在 10％左右时，达到 最大降幅，约为6. 68％。 2）当空腔直径占比在 55％以内时，出、入孔直 径均有所提升。 当空腔直径占比在 55％左右时，达 到最大增幅，约为13％。 3）当空腔直径占比在 45％以内时，靶后余速及 剩余动能均有较大提升。 当空腔直径占比在 30％ 左右时，达到最大增幅，约为 83％。 参 考 文 献 [1] 裴思行，午新民，孙韬，等. 钨球对多层间隔靶的侵彻 研究[J]. 弹箭与制导学报，1993（2）23- 30. 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