后置組合桿體侵徹機理研究

吳群彪,沈培輝,劉榮忠

（1.江蘇科技大學機電與動力工程學院,江蘇張家港 215600；2.江蘇科技大學蘇州理工學院,江蘇張家港 215600； 3.南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇南京 210094）

后置組合桿體侵徹機理研究

吳群彪1,2,3,沈培輝3,劉榮忠3

（1.江蘇科技大學機電與動力工程學院,江蘇張家港 215600；2.江蘇科技大學蘇州理工學院,江蘇張家港 215600； 3.南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室,江蘇南京 210094）

為提高桿式侵徹體的侵徹威力,設計了一種新的后置組合桿體結構。進行了相同外形結構的后置組合桿體與單一均質桿體垂直侵徹半無限鋼靶的對比試驗,試驗結果表明,后置組合桿體侵徹能力優于均質桿體,侵深最大增加了25%.通過數值仿真對后置組合桿體侵徹能力優于均質桿體的原因進行了分析,并與試驗結果進行了比較驗證。進一步數值模擬了4種不同配置的后置組合桿體在1 000～1 600 m/s著靶速度段侵徹半無限鋼靶,得出了不同配置后置組合桿體的侵徹效率與著靶速度的對應關系。

兵器科學與技術；后置組合桿體；均質桿體；侵徹能力；不同配置

0 引言

隨著各種新型裝甲的不斷出現,迫使長桿侵徹體必須更廣泛的采用高新技術,以便在與裝甲的對抗中占據優勢地位。長桿侵徹體的侵徹能力主要取決于著靶時的比動能、桿體結構、桿體材料等因素。提高比動能的方法主要是提高桿體密度,減小桿體直徑,增加長徑比?，F今由于材料限制,長桿體密度已接近極限,長桿體的長徑比已超過30,但由于桿體過于細長,在發射、飛行和著靶時都出現了問題,難以達到人們追求的理論上其應當具有的水平。目前國內外對桿體結構改進進行了大量研究,提出了許多種異形侵徹體結構,如分段圓桿體[1-4]、異形截面桿[5-7]、圓管與圓桿組合體[8-9]等。這些研究都是基于同一均質材料進行的桿體結構改進。

桿體材料的性能是影響桿式侵徹體的一個非常重要的因素,其對侵徹威力的影響主要集中體現在密度和強度兩個方面,且這二者的影響程度與桿體速度有關,當桿體處于高速階段時,由于彈靶接觸面的臨界壓力遠大于材料屈服強度,桿體材料的強度對侵徹能力影響不明顯,此階段密度是影響侵徹威力的最主要因素；當桿體速度下降到一定階段時,桿體材料的強度開始發揮作用,高強度的材料不易侵蝕,存速能力強,能更好地發揮侵徹優勢。

目前國內外對桿體材料性能的改進主要分為以下兩種思路：一種是對單一均質桿體進行熱處理或晶粒細化等加工手段,使同一桿體前中后段具有不同性能,使其在侵徹過程各個階段發揮各自優勢,代表人物有Magness等[10]、Upadhyaya[11]；另一種是Lars[12]、Nechitailo等[13]、Ballew[14]學者提出了用不同性能的材料進行結構組合形成一個組合桿體,使其在侵徹過程的不同速度段發揮不同材料的性能優勢。

本文正是基于第二種思路,采用高密度的鎢合金和高強度的碳化鎢兩種材料構成組合桿體結構,使其既能在侵徹前期桿體速度較高時充分發揮鎢合金的高密度優勢,又能在侵徹后期桿體速度較低時發揮出碳化鎢的高強度作用。

1 試驗及結果

本文依據侵徹過程的不同速度段桿體材料的密度和強度發揮不同主導作用的思路,在不改變單桿均質鎢合金桿體體積基礎上,在桿體后端嵌套入一個小碳化鎢桿體,設計了如圖1所示的后置組合桿體結構。

加工好的后置組合彈體和靶體的實物如圖2所示。

采用最常用的93鎢作為桿體材料,鎢合金桿體直徑為10 mm,長度為60 mm,內置的碳化鎢小桿體直徑為6 mm,長度有3種方案,分別為10 mm、 20 mm和30 mm.靶體選用45#鋼圓錠,為了消除邊界效應的影響,靶體直徑取桿體直徑的12倍,為120 mm,靶體厚度取100 mm.

圖1 后置組合桿體結構示意圖Fig.1 The schematic of post-composited rod

圖2 后置組合彈體和靶體實物圖Fig.2 The physical map of post-composited penetrator and target

試驗布局如圖3所示。

圖3 試驗布局圖Fig.3 The test layout

3組后置組合桿體與單桿鎢合金具有相同外形結構,試驗結果見表1.

表1 試驗結果表Tab.1 The experimental results

由表1可知,后置組合桿體在桿體初始動能小于單一均質桿體的條件下,后置10 mm組合桿體侵徹深度與單桿非常相近；后置20 mm組合桿體侵徹深度比單桿增加了7 mm,相對單桿侵深增益為13.5%；后置30 mm組合桿體侵徹深度相對單桿增加了13 mm,侵深增益達到了25%.綜上所述,后置組合桿體盡管初始動能低于單一均質桿體,但是侵徹深度反而高于單一均質桿體,證明了后置組合桿體相對單桿確實能夠提高侵徹能力,具有研究價值。

通過觀察試驗后的殘余彈體和靶體情況來分析后置組合桿體能夠提高侵徹能力的原因。剖開靶體得到的試驗結果如圖4所示。

圖4 試驗結果圖Fig.4 The experimental results

從圖4（a）和4（b）的對比可以看出,后置10mm的組合桿體無論是侵徹深度還是彈坑形狀都與單桿非常相似。仔細觀察后置10 mm組合桿體的殘余彈體可以發現殘余彈體中間有一個接近10 mm長度的未變形小桿體,此未變形部分即為內嵌的碳化鎢小桿體。碳化鎢小桿體能顯示出如圖4（b）中如此規則的方形,說明內嵌的碳化鎢小桿體基本沒有變形,幾乎沒有被侵蝕到,其未直接與靶體發生相互作用,故后置10 mm組合桿體沒有提高侵徹能力。

圖4（c）后置20 mm的組合桿體與圖4（a）單桿相比較,侵徹深度有了明顯增加。仔細觀察后置20 mm組合桿體殘余彈體可以發現其有兩部分組成：一部分為外部顏色較淡的剩余鎢合金桿體；另一部分為中心顏色較深的剩余碳化鎢桿體。中心的碳化鎢桿體已發生了明顯變形,頭部變得較為尖銳,且可看出碳化鎢桿體在外部的鎢合金桿體停止侵徹后,繼續向前侵徹靶體,這體現在碳化鎢桿體前端更進一步地嵌入了靶體。碳化鎢雖然密度低于鎢合金,但其塑性波速高于鎢合金,其沖擊阻抗高于鎢合金。由于其具有更高的沖擊阻抗,抗侵蝕能力更強,剩余質量更大,存速能力更強,能夠在鎢合金桿體停止侵徹后繼續侵徹靶體,從而提高了后置組合桿體的侵徹深度,這是后置組合桿體提高侵徹能力的重要原因。

相對于圖4（a）單桿,圖4（d）后置30 mm組合桿體不僅侵徹深度增加大,而且彈坑形狀發生了明顯變化,后置30 mm組合桿體前端的彈坑直徑相比單桿侵徹的彈坑直徑明顯減小。后置30 mm組合桿體由于碳化鎢小桿體長度為整體桿長的一半,碳化鎢小桿體較早地與靶體產生了直接作用。由于碳化鎢具有更高的強度和沖擊阻抗,前端參與侵徹的碳化鎢小桿體抗變形和侵蝕能力更強,外部的鎢合金已發生變形和侵蝕,而中心的碳化鎢桿體還未被侵蝕完。在接下來的侵徹中,前端未被侵蝕完的碳化鎢小桿體先參與侵徹,這就相當于整個后置桿體具有了更尖銳的侵徹頭部形狀,從而減小了整個桿體所受的靶體阻力,導致了彈坑直徑的減小和侵徹深度的增加,從而更進一步地提高了后置組合桿體的侵徹能力。

綜合以上,從試驗角度可知,后置組合桿體相對單桿提高侵徹能力的原因主要是以下兩個方面：一方面,高沖擊阻抗和高強度的碳化鎢小桿體抗侵蝕能力強,剩余質量大,存速能力高,能夠在鎢合金桿體停止侵徹后繼續侵徹,從而增加侵徹深度；另一方面,由于碳化鎢和鎢合金的沖擊阻抗和強度不同,在低速段其侵蝕發生的先后順序不同,從而使組合桿體段參與侵徹時能形成較尖銳的頭部形狀,形成結構自銳效果,減小桿體所受阻力,從而提高侵徹能力。

2 仿真及分析

按照試驗工況對4組相同體積和外形的桿體進行了相對應的仿真分析,從仿真過程來驗證分析后置組合桿體提高侵徹能力的原因。圖5為彈靶侵徹有限元模型。

仿真中所用的材料本構和參數如表2和表3所示。

表2 材料模型Tab.2 The material model

圖5 彈靶侵徹有限元模型Fig.5 The FE model of rod penetrating target

表3 材料的具體參數Tab.3 The material parameters

4組桿體在與試驗相對應的著靶速度下仿真得到的侵徹深度分別為53.0 mm、53.4 mm、59.8 mm和65.8 mm,與試驗結果的誤差分別為1.9%、4.7%、1.4%和1.2%,仿真得到的侵徹深度與試驗的最大誤差不超過5%.

圖6 仿真結果圖Fig.6 The simulation results

圖6為4組桿體的仿真結果圖,可以看出仿真結果很好地符合了試驗。后置10 mm的組合桿體由于后置碳化鎢桿體太短,侵徹結束時碳化鎢桿體幾乎未被侵蝕到,只是發生了較小的變形,所以其侵徹深度和單桿鎢合金很接近,且其侵徹后的彈坑形狀與單桿鎢合金相同。后置20 mm和后置30 mm的侵徹深度明顯大于單桿鎢合金,且其彈坑形狀也反映了與試驗相同的趨勢,隨著后置碳化鎢桿體長度越長,彈坑深度越來越深,彈坑直徑越來越小。

通過對比單桿鎢合金和后置30 mm組合桿體的侵徹過程來分析驗證后置組合桿體侵徹能力優于單桿鎢合金的原因,圖7為兩組桿體的侵徹過程圖。

圖7 兩組桿體的侵徹過程圖Fig.7 The penetration processes of two rods

從圖7兩組桿體侵徹過程的對比可以明顯看出,當侵徹時間為0.06 ms還未侵蝕到后置碳化鎢小桿體時,兩組桿體無論是侵徹深度還是彈坑形狀都相同。接著后置30 mm的組合桿體中的碳化鎢小桿體參與了侵徹,兩組桿體的侵徹過程出現了明顯的不同。單桿鎢合金的侵徹頭部形狀沒有發生明顯變化,仍是半球形頭部形狀,同時桿長明顯變短；后置30 mm的組合桿體的侵徹頭部形狀發生了明顯變形,頭部形狀相比半球形頭部形狀更加尖銳,桿長縮短量明顯小于單桿鎢合金桿體,同時彈坑直徑明顯減小。兩組仿真過程的對比很好地驗證了試驗分析的結果。

3 規律分析

進一步進行了單桿、后置10 mm、后置20 mm、后置30 mm和后置40 mm共5組桿體有限元模型在著靶速度1 000～1 600 m/s每間隔100 m/s的仿真分析,得到的桿體侵徹深度的結果如圖8所示。

圖8 5組桿體侵徹深度結果圖Fig.8 The penetration depthes of five rods

在圖8仿真基礎上,進行了兩發試驗進行驗證仿真結果的合理性。圖9為兩發驗證試驗的結果。

圖9 驗證試驗的結果Fig.9 The verification test results

試驗與仿真的結果對比見表4.

表4 驗證試驗與仿真對比Tab.4 The contrast of verification test and simulation

由表4可知,驗證試驗與仿真的相對誤差最大不超過6%,可見數值仿真的合理性,可用之進一步對后置組合桿體的侵徹規律進行分析。

從圖8的5組桿體侵徹深度結果比較可以看出,在1 000～1 600 m/s的著靶速度段,相同體積和外形的后置組合桿體的侵徹深度均高于均質鎢合金桿體,其整體侵徹能力均優于后者。

從單桿鎢合金和后置10 mm這兩組桿體的侵徹深度比較可以看出,當著靶速度較低時,由于后置碳化鎢桿體太短,侵徹停止時后置桿體還未作用到,故在著靶速度小于1 200 m/s時,兩組桿體的侵徹深度曲線幾乎重合,二者侵徹能力幾乎相同；當著著靶速度大于1 200 m/s時,后置碳化鎢桿體開始參與侵徹,后置10 mm的組合桿體侵徹深度較均質桿體有明顯增加,并且隨著靶速度的進一步提高,增加幅度越來越大,侵深增益越明顯。

從后置20 mm、后置30 mm和后置40 mm這3組組合桿體的侵徹深度比較可以看出,這3組桿體隨著著靶速度的提高,侵徹深度的增加幅度越小。當著靶速度為1300 m/s時,后置40 mm的組合桿體侵徹深度已低于后置30 mm的組合桿體；當著靶速度為1500 m/s時,后置40 mm的組合桿體侵徹深度已低于后置20 mm的組合桿體。這是由于當著靶速度很高時,桿體密度成為影響桿體侵徹性能的主要因素。碳化鎢的密度小于鎢合金,后置40 mm的組合桿體質量小于后置30 mm的組合桿體,其總動能小于后者。這個差距在著靶速度較低階段,還能由碳化鎢高強度和高沖擊阻抗的優勢所彌補,甚至其侵徹能力還能優于后者,但伴隨著著靶速度進一步提高,其總動能小的劣勢越來越明顯,所以其侵徹能力開始弱于后者。

從以上仿真分析結果可以看出,最優化的后置組合桿體結構的匹配參數不僅與桿體材料性能有關,而且與著靶速度有關。當著靶速度較低時,后置桿體長度可以比較大,此時能充分發揮后置組合桿體結構優勢,明顯提高侵徹能力；當著靶速度進一步提高時,后置桿體長度可以適量縮短,使其既能發揮后置組合桿體結構優勢,又不會因為總動能下降太多反而降低侵徹能力。

4 結論

1）最大侵深增益25%的相同外形結構的后置組合桿體和均質桿體垂直侵徹半無限厚45#鋼圓錠的對比試驗結果表明,合理配置的后置組合桿體在適當的著靶速度下相對于均質桿體能夠提高侵徹能力,具有很大的研究和應用價值。

2）試驗和仿真分析結果表明,高強度和高沖擊阻抗的后置碳化鎢小桿體具有更強的抗變形和侵蝕能力,從而使組合桿體段侵徹過程中具有更優頭部形狀和更大剩余質量,提高了其整體侵徹能力。

3）后置組合桿體垂直侵徹半無限鋼靶的規律研究表明,最優化的結構匹配參數與桿體著靶速度有關,應根據桿體長徑比和著靶速度來確定碳化鎢小桿體的長度,從而最大程度地發揮其侵徹優勢。

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Research on Penetration Mechanism of Post-Composited Rod

WU Qun-biao1,2,3,SHEN Pei-hui3,LIU Rong-zhong3
（1.School of Mechatronics and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600, Jiangsu,China；2.Suzhou Institute of Technology,Jiangsu University of Science and Technology,Zhangjiagang 215600,Jiangsu, China；3.ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China）

A new structure of post-composited rod is designed to improve the penetration ability of rod penetrator.The comparison experiment of post-composited rod and homogeneous rod with the same overall structure invertically penetrating a semi-infinite steel target is conducted.The result indicates that the penetration ability of post-composited rod is superior to that of homogeneous rod.The maximum penetration depth of post-composited rod is 25%more than that of homogeneous rod.The reason of the result is analyzed by the numerical simulation and verified by experimental result.The further simulation of postcomposited rod with four different configurations in penetrating a semi-infinite steel target at impact velocity from 1 000 m/s to 1 600 m/s is carried out.The corresponding relationship between the penetration efficiency of post-composited rod with different configurations and the impact velocity is obtained.

ordnance science and technology；post-composited rod；homogeneous rod；penetration ability； configuration

TJ413.+2

A

1000-1093（2014）10-1536-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.10.003

2013-12-21

吳群彪（1986—）,男,講師,博士。E-mail：njust_wqb@163.com；沈培輝（1958—）,男,教授,碩士生導師。E-mail：sphjy8@mail.njust.edu.cn