高压物理学报   2018, Vol. 32 Issue (5): 055103.  DOI: 10.11858/gywlxb.20180504.

研究论文

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吴凡达, 赵捍东, 邵先锋, 马姗姗, 刘胜, 张程建. 不同形状DU合金破片侵彻性能研究[J]. 高压物理学报, 2018, 32(5): 055103. DOI: 10.11858/gywlxb.20180504.
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WU Fanda, ZHAO Handong, SHAO Xianfeng, MA Shanshan, LIU Sheng, ZHANG Chengjian. Study on the Penetration Performance of Different Shaped DU Alloy[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(5): 055103. DOI: 10.11858/gywlxb.20180504.
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作者简介

吴凡达(1991-), 男, 硕士研究生, 主要从事战斗部毁伤技术研究.E-mail:995038735@qq.com

通信作者

赵捍东(1960-), 男, 博士, 教授, 硕士生导师, 主要从事战斗部毁伤技术研究.E-mail:hd_zhao@nuc.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-01-09
修回日期:2018-02-13
不同形状DU合金破片侵彻性能研究
吴凡达 1, 赵捍东 1, 邵先锋 1,2, 马姗姗 1, 刘胜 1, 张程建 1     
( 1. 中北大学机电工程学院, 山西 太原 030051
2. 贵州航天电器股份有限公司, 贵州 贵阳 550009 )
摘要:为研究不同形状贫铀(Depleted Uranium,DU)合金破片的侵彻性能,首先进行了终点弹道实验,得到了圆柱形DU破片侵彻20 mm厚Q235B钢靶的终点弹道相关参数。然后通过AUTODYN软件进行了相应终点弹道仿真模拟,结果表明,仿真与实验结果基本一致,验证了仿真结果的正确性。随后又在原仿真的基础上增加了圆柱形、立方形和球形破片以不同着靶姿态侵彻靶板的数值仿真。结果表明,在相同质量和相同初速的条件下,棱角着靶姿态的立方体、楞线着靶姿态的立方体和球形破片的侵彻能力依次减弱,圆柱形和平行着靶姿态的立方形破片侵彻能力最差。若均以垂直姿态着靶,圆柱形破片侵彻能力要强于立方体,以棱角或楞线着靶姿态着靶的立方体具有更强的侵彻能力。
关键词贫铀合金    破片形状    侵彻性能    数值模拟    终点弹道    

随着现代武器装备防护性能的大幅提高,普通钢的密度和强度不再能满足高侵彻性能的要求。近些年来铀合金因其相对于其他合金具有高密度、高强度和高硬度的性能而受到相关科研人员的高度关注,贫铀(Depleted Uranium,DU)合金在穿甲弹的领域中表现出了良好的侵彻性能,以尾翼稳定脱壳穿甲弹为例,其弹芯广泛采用的材料就是碳化钨和DU合金,其中,DU合金的密度更大,且具有自锐性,是更为理想的材料,不过由于贫铀具有辐射,目前只有少数国家使用,最为典型的就是美国M829系列,M829A3型贫铀穿甲弹号称现役脱穿之王。

近年来,国内外开展了很多关于DU合金的理论研究,Eckelmeyer[1]研究了热处理对铀钛合金性能的影响,发现铀合金的形成过程以及溶液中合金元素的固溶体增强效应,可以使合金的强度比其他非铀合金高两倍。Johnson和Cook通过大量实验得到数据并进行拟合,提出了J-C本构模型,给出了铀钛合金的本构参数[2]。何立峰等[3]利用材料试验机和霍普金森杆实验装置研究了U-Ti合金在室温下的压缩力学行为,并根据实验数据拟合修正了Johnson-Cook模型。岳明凯等[4]通过研究穿甲弹芯材料,发现DU合金在侵彻过程中更易发生绝热剪切产生自发锐性,更有利于侵彻。石杰等[5]通过霍普金森杆实验研究了不同温度人工时效的铀铌合金在冲击载荷作用下的绝热剪切带成型机理。本工作对DU合金破片侵彻等效靶板的性能进行进一步的研究,并对比分析相同质量而形状不同的DU合金破片在侵彻性能方面的优劣。结合DU合金材料的终点弹道实验和数值仿真,实验结论丰富了DU合金在破片式杀伤元中应用的基础理论。

1 破片侵彻靶板实验研究

为研究DU合金破片对Q235B钢靶的侵彻性能,本课题开展了终点弹道实验,由于实验条件限制,开展了∅9 mm×9 mm的圆柱形DU破片以1 300 m/s速度垂直侵彻20 mm厚Q235B钢靶板的实验。

1.1 侵彻实验方案

实验用弹道枪驱动破片侵彻靶板,破片速度通过调整药筒装药量来控制。利用13.1 mm的弹道枪驱动∅9 mm×9 mm的圆柱形DU破片侵彻20 mm厚Q235B钢靶板。由于口径限制,最大驱动速度约为1 300 m/s。在侵彻实验装置旁边放置高速摄影仪,利用高速摄影仪记录整个实验过程,并利用影像记录来测量着靶速度和剩余速度。通过在靶板后方放置沙箱来回收贯穿靶板后的破片。

由于破片直径小于弹道枪的口径,本实验利用分离式铝弹托来固定破片,以保证破片在弹道枪内的平稳运动和膛内火药气体的密闭性。为使弹托和破片顺利分离,还在弹道枪枪口和靶板之间设立了薄挡板。破片如图 1所示,弹托由两个对称结构的铝合金加工而成,在弹道枪内与破片一起高速运动,出枪口后与破片发生分离并被挡板阻挡。破片侵彻方案见表 1

表 1 破片侵彻靶板实验方案 Table 1 Scheme for experiment of target penetration by broken pieces
图 1 破片 Fig.1 Actual fragment
1.2 侵彻实验结果及分析

通过高速摄影仪可看出实验中破片着靶后穿透靶板后的清晰轨迹,并伴有强烈火光。实验中的靶板破坏情况见图 2。由图 2看出。圆柱形DU破片成功穿透了靶板,剩余速度由高速摄影仪得出为234 m/s。侵彻实验结果汇总见表 2。对实验残余破片回收,其实物如图 2所示,经称量得出,残余破片质量为5.95 g,质量损失比率43.3%。

图 2 靶板破坏情况及残余破片形状 Fig.2 Target damage and shape of residual fragment
表 2 破片侵彻靶板实验结果 Table 2 Summarized data of target experiment

对实验结果进行分析得出:靶板正面破孔两侧均有分离式弹托撞击的痕迹,但撞击产生的凹坑很浅,对整个实验的结果影响较小;在1 295 m/s初速条件下,圆柱形DU破片能够完全贯穿靶板并且有234 m/s的余速,破片质量损失率较高,达到了37.3%。

2 数值仿真方法及参数的验证 2.1 有限元模型建立

有限元模型包括破片和靶板两部分。用Truegrid软件建立网格模型,并对靶板中心部进行局部网格细化。仿真模型中,破片网格数为2 352,靶板网格数为11 520。由于模型具有对称性,为方便计算和观察,取整体的1/2模型观察,仿真模型见图 3

图 3 网格结构模型 Fig.3 Grid structure mode
2.2 材料本构模型

不同材料在不同条件下具有不同的本构模型,穿靶实验具有很高的应变率,对于高应变率下的材料塑性变形,Johnson-Cook本构方程中的加工硬化项、应变率硬化项和温度软化项都很符合本研究的动力学特征。所以选择Johnson-Cook本构模型来描述DU破片和钨破片的动态力学行为。根据文献[6]确定出DU合金的本构参数和基本性质,由文献[7-8]确定出Q235B钢[8-9]的本构参数和基本性质,见表 3

表 3 材料的本构参数和基本性质[6-9] Table 3 Constitutive parameters and basic properties of materials[6-9]
2.3 仿真模型参数设置

将模型导入AUTODYN中编辑参数,各材料均采用Shock状态方程,参数采用AUTODYN中默认参数,主要参数见表 4。算法采用Lagrange算法,由于对称性,对称面上采用对称边界条件。强度参数见表 4,失效参数见表 5表 5中失效参数由文献[6-10]得到。各材料侵蚀应变设置为:DU 1.5,Q235B 1.2。破片初速依照实验设为1 295 m/s,靶板边界固定。

表 4 状态方程主要相关参数 Table 4 Main parameters of equation of state
表 5 材料的失效参数[6-10] Table 5 Failure parameters of the material[6-10]
2.4 仿真过程

破片侵彻过程见图 4,可以看出,初速为1 295 m/s的圆柱形DU破片以垂直靶板姿态成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。相应侵彻速度曲线见图 4,由图看出,破片穿透靶板后仍有约250 m/s的余速。

图 4 破片侵彻过程数值仿真及速度曲线 Fig.4 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process

对比分析圆柱形DU破片终点弹道实验与仿真结果,具体相关参数见表 6。靶板破坏情况和残余破片对比见图 5,仿真结果中,残余破片质量为6.15 g,质量损失率为42%。

图 5 靶板破坏情况和圆柱形残余破片实物与仿真结果对比 Fig.5 Comparison of physical and simulation results of the failure of target plate and cylindrical residual fragment
表 6 破片侵彻靶板实验及仿真 Table 6 Experiment and simulation of target penetration by broken pieces

分析得出:在相同驱使条件下,实验中圆柱形DU破片能够完全贯穿靶板并且有234 m/s的余速,仿真中,DU破片穿透靶板后余速约为250 m/s,剩余速度比较接近,仿真中靶板正面和背面孔径与实验结果也基本相符。回收到的破片实物与仿真中的残余破片也很相似,实验中破片质量损失率为37.3%,仿真中破片质量损失率为42%,仿真值比实验略高,但误差不大。综合分析认为,仿真结果与实验结果基本一致,验证了仿真过程中参数选择的合理性及仿真结果的正确性。

3 不同形状DU合金破片侵彻性能仿真分析

为研究不同形状DU合金破片对Q235B钢靶的侵彻性能,本课题在原数值仿真的基础上,利用原来仿真数据继续开展多组仿真,后续仿真分为A、B、C、D和E共5组。相同之处为:破片质量均相同,材料均为DU合金,破片以1 300 m/s的初速侵彻20 mm厚靶板,靶板材料均为Q235B钢。不同之处为:A组为∅9 mm×9 mm的圆柱形破片,以平行靶板姿态垂直侵彻靶板;B组为8.3 mm×8.3 mm×8.3 mm的立方形破片,以任意面平行靶板的姿态垂直侵彻靶板;C组为8.3 mm×8.3 mm×8.3 mm的立方形破片,以任意楞线L着靶的姿态垂直侵彻靶板,楞线L对应两平面与靶板夹角45°;D组为8.3 mm×8.3 mm×8.3 mm的立方形破片,以任意棱角着靶的姿态垂直侵彻靶板,即再将C组中破片模型的楞线L一端沿靶板法线方向抬高45°;E组为∅10.3 mm的球形破片,以任意姿态垂直侵彻靶板。各组仿真模型见图 6

图 6 各组网格结构模型 Fig.6 Grid structure model of each group
3.1 有限元模型建立

建模方法同上,破片和靶板的设计参数见表 7。仿真模型中,A、B、C和D 4组破片网格数均为2 352,E组破片网格数为2 744,靶板网格数相同,均为11 520。由于模型具有对称性,为方便计算和观察,取整体的1/2模型观察,各组仿真模型见图 6

表 7 仿真模型设计参数 Table 7 Simulation model design parameters
3.2 仿真过程 3.2.1 A组仿真

A组破片侵彻过程及破片速度曲线见图 7,初速为1 295 m/s的圆柱形DU破片以平行靶板姿态成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。破片余速约为300 m/s,破片剩余质量为6.09 g,质量损失率为36.8%。

图 7 A组破片侵彻过程数值仿真过程及速度曲线 Fig.7 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process in A group
3.2.2 B组仿真

B组破片侵彻过程及破片速度曲线见图 8(为方便于区分,后文均称为立方形垂直姿态着靶),初速为1 295 m/s的立方形DU破片垂直侵彻靶板时,成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。破片余速约为230 m/s。破片剩余质量为5.79 g,质量损失率达44.9%。

图 8 B组破片侵彻过程数值仿真及速度曲线 Fig.8 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process in B group
3.2.3 C组仿真

C组破片侵彻过程及破片速度曲线见图 9,初速为1 295 m/s的楞线着靶姿态的立方形DU破片成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。破片余速约为430 m/s。破片剩余质量为9.16 g,质量损失率为12.8%。

图 9 C组破片侵彻过程数值仿真过程及速度曲线 Fig.9 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process in C group
3.2.4 D组仿真

D组破片侵彻过程及破片速度曲线见图 10,初速为1 295 m/s的棱角着靶姿态的立方形DU破片成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。破片余速约为500 m/s。破片剩余质量为9.36 g,质量损失率为10.9%。

图 10 D组破片侵彻过程数值仿真过程及速度曲线 Fig.10 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process in D group
3.2.5 E组仿真

E组破片的侵彻过程及破片速度曲线如图 11所示,可以看出, 初速为1 295 m/s的球形破片成功穿透了厚度为20 mm的Q235B钢靶。破片余速约为400 m/s。破片剩余质量为7.61 g,质量损失率为27.5%。

图 11 E组破片侵彻过程数值仿真过程及速度曲线 Fig.11 Numerical simulation and velocity curve of fragment penetration process in E group

结合初速仿真结果,分别将各组仿真结果中残余破片取出对比,如图 12所示,各组仿真均显示DU破片在穿靶过程中严重变形,不同形状DU破片侵彻靶板后,其残余破片的形状也有较大差别。各组残余破片的剩余速度、剩余质量及质量损失率如表 8所示。

图 12 各组残余破片形状对比 Fig.12 Comparison of the shape of residual fragments in each group
表 8 各组残余破片相关参数 Table 8 Residual fragment correlation parameters of each group
3.3 仿真结果对比与分析

结合初速仿真由6组仿真结果看出,6种相同质量、不同形状的DU破片在1 295 m/s的初速条件下均击穿了20 mm厚Q235B钢靶,但余速和残余破片质量不同。由仿真结果得出:在相同质量和相同初速的条件下,立方形棱角着靶姿态侵彻能力最强,余速达500 m/s,质量损失率10.9%;立方形任意面平行靶板姿态着靶时侵彻能力最弱,余速约230 m/s,质量损失率也最大,为42%。破片侵彻能力按立方形棱角着靶、立方形楞线着靶、球形任意姿态着靶、圆柱形平行着靶、立方形垂直着靶和圆柱形垂直着靶顺序依次减弱,对比初始仿真和B组仿真看出,同样以垂直姿态着靶时,立方形破片侵彻能力弱于圆柱形,分析原因为立方形破片着靶时与靶接触面更大,所受阻力更大,作用时间更长,质量损失和速度损失也更大。分析各组破片速率衰减曲线及质量损失率发现,破片速度衰减强弱跟破片着靶初期受力有较大关系,立方形棱角着靶姿态下,DU破片因自身所具有的自发锐性而发生绝热剪切作用,破片头部不断沿剪切带方向剥落,使本来尖角着靶的破片变得更为尖锐,所受阻力更小,质量损失也更小,速率衰减更慢,侵彻能力更强。

4 结论

通过弹道实验及仿真分析得出以下结论。

(1) 仿真中,初速为1 295 m/s的圆柱形DU破片侵彻靶板仿真结果和终点弹道实验结果基本吻合,证明了参数设置的合理性及仿真结果的正确性。

(2) DU破片在穿靶过程中严重变形,不同形状破片穿靶后残余破片形状也各不相同。

(3) DU破片在相同质量和相同初速的条件下,棱角着靶姿态立方体、楞线着靶姿态立方体和球形破片的侵彻能力依次减弱,但均明显强于圆柱体破片和垂直着靶姿态的立方体破片。同样以垂直姿态着靶时,圆柱形破片侵彻能力强于立方形。

(4) 分析仿真结果中各组破片速率衰减曲线及质量损失率发现,破片速度衰减强弱跟破片着靶初期受力和DU合金自身性质有较大关系,立方形棱角着靶姿态下,DU破片因自身所具有的自发锐性而发生绝热剪切作用,破片头部不断沿剪切带方向剥离,使本来尖角着靶的破片变得更为尖锐,所受阻力更小,质量及速率损失也更小,侵彻能力更强。

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Study on the Penetration Performance of Different Shaped DU Alloy
WU Fanda 1, ZHAO Handong 1, SHAO Xianfeng 1,2, MA Shanshan 1, LIU Sheng 1, ZHANG Chengjian 1     
( 1. School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;
2. Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009, China )
Abstract: To study the penetration performance of different shapes of a DU alloy fragment, we performed an experiment on a Q235B steel target with a thickness of 20 mm and obtained its terminal ballistic marriage parameters of cylindrical DU alloy fragment penetration.Then, we carried out the corresponding simulation of the key ballistic trajectory using the ANTODYN software.The results from the simulation were found to accord basically with those from the experiment, thereby verifying the simulation results as correct.Furthermore, on the basis of the original simulation, we simulated the cylindrical, cubic and spherical fragments penetrating the target plate with different target positions taken into account.The results show that, in the same quality and at the same velocity, the penetration capability of the cubic fragments in the attitude of the edges and the target cube diminishes in turn with the attitude of the target cube and the spherical fragment, with those in cylindrical and parallel attitude as the weakest.Moreover, hitting the target vertically, the cubic fragment exhibits a stronger penetration than that of the cylindrical, and it shows a better penetration capability when hitting the target in an angular or corrugated attitude.
Keywords: DU alloy    fragment shape    penetration performance    constitutive model    finishing trajectory