弹丸转速对PELE侵彻钢筋混凝土靶横向效应的影响

2017-09-03徐立志郑绍君杜忠华蒋洪章

火炸药学报 2017年4期

何俊，徐立志，程春，郑绍君，杜忠华，蒋洪章

(1. 安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241000；2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094；3.黑龙江新诺机器人自动化科技有限公司，黑龙江哈尔滨 150060)

何俊1，徐立志2，程春2，郑绍君3，杜忠华2，蒋洪章3

为了研究弹丸转速对横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻钢筋混凝土靶横向效应的影响，运用ANSYS/LS-DYNA软件在着靶速度600、700和800m/s条件下，对具有不同转速的PELE侵彻钢筋混凝土靶进行数值模拟，并通过试验方法对不同着靶条件下的仿真模型进行验证。结果表明，开孔尺寸的数值模拟结果与实验结果之间的误差小于5%，仿真模型能够准确模拟PELE侵彻钢筋混凝土靶的过程；随着转速的不断提高，损失更多的转速动能转化为钢筋混凝土靶开孔破坏所需的能量，使钢筋混凝土靶的开孔尺寸增大；在同一着靶速度下，转速从10000r/min提高至25000r/min，开孔尺寸提高了约(8±2)%。因此，在同一着靶速度下，增加弹丸转速有利于提高PELE对钢筋混凝土靶的开孔尺寸。

钢筋混凝土靶；横向效应增强型侵彻体；PELE；转速；横向效应

引言

横向效应增强型侵彻体(Penetrator with Enhanced Lateral Effects，PELE )是近年来受到高度关注并发展起来的新概念弹药，这种新型弹药无需装填炸药和引信，主要基于壳体和装填物不同的物理性能，借助于高密度壳体良好的侵彻能力和低密度装填物较好的储能性能，当PELE与目标相互作用时侵彻能力强的壳体先于侵彻能力差的装填物侵入目标靶，将装填物挤压在壳体和目标靶之间，随着侵彻深度不断加深，装填物不断增大的压力使周围的壳体膨胀，同时装填物储备一定量的势能。当侵彻体穿透目标靶的瞬间，装填物存储的势能沿径向释放，使壳体形成大量破片，形成靶后杀伤[1-2]。

将PELE的作用原理应用于大口径PELE弹药，该弹药的作用目标主要是钢筋混凝土靶，当大口径PELE侵彻钢筋混凝土靶时，应用装填物在围压下的动态膨胀效应，致使壳体横向运动，对钢筋混凝土形成开孔破坏。在大口径PELE侵彻钢筋混凝土方面，叶小军和徐立志等[3-6]分别研究了钢筋混凝土的靶标参数和弹丸结构参数对PELE横向效应的影响。Jimmy Verreault[7]、Zijian Fan[8]、朱建生[9]和梁民族[10]等对小口径PELE侵彻金属靶的着靶速度和转速对横向效应的影响进行了研究。而PELE侵彻钢筋混凝土靶的转速对横向效应的影响国内外尚未有研究报道。

本研究通过ANSYS/LS-DYNA软件，建立弹丸和钢筋混凝土靶仿真模型，对不同转速下PELE侵彻钢筋混凝土靶进行数值模拟，获得了转速对PELE侵彻钢筋混凝土靶横向效应的影响规律，对有关钢筋混凝土目标的PELE设计具有重要意义。

1 仿真模型的建立及验证

1.1 仿真模型的建立

通过ANSYS/LS-DYNA软件建立弹丸和钢筋混凝土靶仿真模型，为了保证模型与试验弹丸结构的一致性，建立切缝结构PELE的几何模型，其结构示意图如图1所示，各参数值见表1。钢筋混凝土靶板模型尺寸为2m×2m×0.24m，其结构示意图如图2所示，钢筋直径为12mm，含筋率2.83%。因弹丸具有转速，属于非对称模型，建立弹靶全模型。弹靶各部分组件的材料参数及材料模型如表2所示。弹丸以一定的着靶速度和不同的转速垂直侵彻钢筋混凝土靶中心位置。

图1 切缝PELE模型结构示意图Fig.1 Schematic diagram of lancing PELE model structure

L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmD/mmd/mmβ/(°)320300210301058060

图2 钢筋混凝土靶结构示意图Fig.2 Schematic diagram of reinforced concrete target structure

弹靶部件模型材料类型ρ/(g·cm-3)E/GPaμ壳体Johnson-cook30GrMnSi7.832.100.290装填物Johnson-cook尼龙1.092.830.400靶板Concrete-damage混凝土2.45钢筋Plastic-kinematicQ2357.892100.284

注：ρ为密度；E为模量；μ为泊松比。

1.2 仿真模型的验证

对弹丸具有转速和不具有转速的横向效应弹侵彻钢筋混凝土进行了试验研究，试验研究的弹丸基本尺寸与仿真模型相同。试验采用105mm线膛炮和分装式药筒，通过改变发射药量控制弹丸速度，根据线膛炮的膛线缠角可计算弹丸的旋转速度，见式(1)：

r=(v·tanη)/(πd)

(1)

式中：v为弹丸初速；η为缠角；d为火炮口径。

在距离炮口200m处放置2m×2m×0.24m的钢筋混凝土靶，采用网孔靶测量弹丸速度，在钢筋混凝土靶的一侧布置高速摄像仪，拍摄弹丸侵彻目标靶的整个过程。试验装置如图3所示。

图3 弹丸侵彻目标靶试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of penetrating target for projectile experimental device

为了验证弹丸转速对PELE侵彻钢筋混凝土靶横向效应影响数值模拟研究方法的正确性，在800m/s着靶速度下，共进行了6组试验(具有转速和不具有转速的试验各3组)。每组试验均测量靶板的破孔尺寸，包括靶前崩落尺寸、通孔尺寸和靶后崩落尺寸。由于靶板的破坏并非均匀规则的圆形开孔，因此在测量靶板的开孔尺寸时，测量开孔的最小尺寸(X)和最大尺寸(Y)，求取二者的平均值作为开孔破坏尺寸(D)。试验结果和数值模拟结果见表3。

表3 弹丸侵彻钢筋混凝土靶试验结果与数值模拟结果

注：Xi,Yj表示最小和最大开孔尺寸，i，j=1，2，3依次表示靶前崩落尺寸，通孔尺寸，靶后崩落尺寸。

由表3可知，不具有转速的横向效应弹在800m/s着靶速度条件下，对钢筋混凝土靶破坏的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3组试验的平均值)依次约为650、810和400mm，而数值模拟结果钢筋混凝土靶破坏的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次约为630、760和385mm；具有2.2×104r/min转速的横向效应弹在800m/s着靶速度条件下，对钢筋混凝土靶破坏的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸(3组试验的平均值)依次约为700、860和455mm，而数值模拟结果钢筋混凝土靶破坏的靶前崩落尺寸、靶后崩落尺寸和通孔尺寸依次约为690、850和440mm。侵彻后靶板表面的试验和模拟结果对比如图4所示，结合图4和表3可以发现，数值模拟结果略小于试验结果，主要由于数值模拟计算时为节省计算资源没有计算出足够长的崩坍形态，并且采用失效准则，单元因失效被删除，单元间的相互作用没有完全完成，崩坍现象缩短，而导致结果偏小，但两者之间的误差不超过5%。同时，图4中模拟结果图的红色区域为等效塑性应变最大值区，该部分实际情况是产生崩落和试验结果相符合，图中模拟结果崩落区和通孔区与试验结果相应区域吻合较好。综上可知，试验很好地验证了数值模拟方法和结果。

图4 侵彻后靶板表面的试验与模拟结果对比Fig.4 Comparison of the experimental results and the simulation ones of penetrating target for projectile

2 结果与讨论

2.1 能量分析

着速800m/s、转速10000r/min的PELE不同时刻侵彻钢筋混凝土靶的状态如图5所示。由图5可以看出，在100μs时弹丸壳体产生一定的膨胀，随着侵彻过程推进，弹丸壳体的膨胀量不断增大，并且靶前产生一定量的凸起；在200μs时可以明显发现壳体膨胀，并且靶板的背面开始发生一定量的凸起；在1100和1500μs时弹丸穿出靶板，弹丸壳体膨胀成花瓣状，对靶板形成开孔破坏。

不同着靶速度条件下，总动能(考虑转速和轴向速度)的损失量和轴向剩余速度随转速的变化如图6所示。由于仿真模型无法直接获得弹丸转速在侵彻过程中的损失，因此通过弹丸总动能的损失量和轴向剩余速度两个参量定性的分析转速的影响。由图6(a)可知，当着速分别为600、700、800m/s时，弹丸总动能的损失均随转速的提高基本保持不变(增量仅在0.1～0.3kJ范围内)；由图6(b)可知，当着速分别为600、700、800m/s时，弹丸的轴向剩余速度却随转速的提高而不断增大，说明在同一着靶速度条件下，弹丸损失的动能(轴向速度)均随转速的提高而不断减小。综合分析图6可知，在弹丸总动能损失随转速提高基本保持不变的情况下，弹丸轴向速度动能损失却减小。因此，随着转速的提高，转速动能损失不断增加。

图5 着速800m/s、转速1000r/min的弹丸在不同时刻侵彻钢靶筋混凝土靶的过程Fig.5 The penetration process of projectile with impact target velocities of 800m/s,rotation rate of 10000r/min

图6 轴向转速对弹丸能量的影响Fig.6 Effect of rotation rate on the energy of projectile

2.2 开孔尺寸

由于转速的增加导致壳体所受的离心力增大，离心力有利于壳体的膨胀，同时在侵彻过程中壳体的膨胀量越大对钢筋混凝土的破坏也越大。在着速分别为600、700、800m/s下，钢筋混凝土靶的平均开孔破坏尺寸(D)随转速的变化如图7所示。由图7可知，随着转速的不断提高，开孔破坏尺寸不断增大。在同一着靶速度条件下，当转速从10000r/min提高到25000r/min时，钢筋混凝土的开孔尺寸提高了约(8±2)%。结合图6可知，随着转速的提高，转速动能损失不断增加，该部分动能转化为对钢筋混凝土靶开孔破坏所需的能量，使钢筋混凝土靶平均开孔破坏尺寸增大。因此，在同一着靶速度条件下，增加弹丸转速有利于提高PELE对钢筋混凝土靶的开孔破坏尺寸。

图7 钢筋混凝土靶的开孔尺寸与转速的关系Fig.7 Relation between the opening size of reinforced concrete target and rotation rate

3 结论

(1)在不同着靶条件下，通过试验对仿真模型进行了验证，二者的开孔尺寸误差在5%范围内，表明仿真模型能够准确模拟PELE侵彻钢筋混凝土靶的过程。

(2)从能量角度分析，随着弹丸转速的不断提高，PELE侵彻钢筋混凝土靶总动能(考虑转速和轴向速度)的损失量基本保持不变，而弹丸损失的轴向速度动能却不断减小，转速动能损失在不断增加。

(3)从开孔尺寸角度分析，随着弹丸转速的不断提高，PELE侵彻钢筋混凝土靶平均开孔破坏尺寸不断增大，钢筋混凝土靶开孔破坏所需的能量不断增加。损失更多的转速动能转化为了钢筋混凝土靶开孔破坏所需的能量。因此，在同一着靶速度条件下，增加弹丸转速有利于提高PELE对钢筋混凝土靶的开孔破坏尺寸和弹丸的轴向剩余速度，从而提高了PELE的毁伤威力，当弹丸转速从10000r/min提高到25000r/min时，钢筋混凝土的开孔尺寸提高了约(8±2)%。

[1] 徐立志，杜忠华，王德胜，等. 垫块结构对PELE横向效应的影响[J]. 弹道学报，2016,28(1):70-75. XU Li-zhi, DU Zhong-hua, WANG De-sheng, et al. Influence of block structure on lateral effect of PELE[J].Journal of Ballistics, 2016,28(1):70-75.

[2] 薛建锋,沈培辉,王晓鸣.弹体斜侵彻混凝土靶的跳弹及其规律研究[J].火炸药学报,2016,39(2):54-58. XUE Jian-feng, SHEN Pei-hui, WANG Xiao-ming. Research on ricochet and its regularity of projectiles obliquely[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants (Huozhayao Xuebao),2016,39(2):54-58.

[3] 叶小军. 横向效应弹贯穿钢筋混凝土目标机理研究[D]. 南京：南京理工大学，2013. YE Xiao-jun. Functional mechanism of penetrator with enhanced lateral effect penetrating reinforced concrete[D]. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2013.

[4] 叶小军，杜忠华，姚方堂. 钢筋混凝土靶厚度影PELE侵彻效果的数值分析[J]. 含能材料，2014,22(5):612-616. YE Xiao-jun, DU Zhong-hua, YAO Fang-tang. Numerical simulation on influence of reinforced concrete thickness on PELE penetration[J]. Chinnese Journal of Energetic Material,2014,22(5):612-616.

[5] 徐立志，杜忠华，杜成鑫，等. 壳体切缝的结构参数对PELE横向效应的影响[J]. 含能材料，2016,24(8):742-746. XU Li-zhi, DU Zhong-hua, DU Cheng-xin,et al. Effect of structure parameters of the jacket breakage on lateral effect of PELE[J]. Chinnese Journal of Energetic Material,2016,24(8):742-746.

[6] 叶小军，杜忠华，胡传辉，等.PELE侵彻破坏钢筋混凝土靶的数值计算与试验[J].火炸药学报，2012，35(4)：86-90. YE Xiao-jun,DU Zhong-hua,HU Chuan-hui,et al.Numerical calculation and experiment of PELE penetrated and broken reinforced concrete targets[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2012,35(4):86-90.

[7] Jimmy Verreault.Analytical and numerical description of the PELE fragmentation upon impact with thin target plates[J].International Journal of Impact Engineering,2015,10:196-206.

[8] Fan Z, Ran X, Tang W, et al. The model to calculate the radial velocities of fragments after PELE penetrator perforating a thin plate[J]. International Journal of Impact Engineering, 2016, 95:12-16.

[9] 朱建生，赵国志，杜忠华，等. 着靶速度对PELE横向效应的影响[J].力学与实践,2007,29(5):12-16. ZHU Jian-sheng, ZHAO Guo-zhi, DU Zhong-hua, et al. The influence of impact velocity on the penetrator with enhanced lateral effect[J]. Mechanics in Engineering,2007,29(5):12-16.

[10] 梁民族, 李翔宇, 卢芳云,等. 转速和着速对PELE横向效应的影响[J]. 弹箭与制导学报, 2012, 32(6):48-50. LIANG Min-zu, LI Xiang-yu, LU Fang-yun, et al. The influence of impact velocity and rotation velocity on PELE effect[J]. Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance, 2012,32(6):48-50.

EffectofProjectileRotationRateonLateralEffectofPELEPenetratingReinforcedConcreteTarget

HEJun1,XULi-zhi2,CHENGChun2,ZHENGShao-jun3,DUZhong-hua2,JIANGHong-zhang3

(1.AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhuAnhui241000，China；2.SchoolofMachineryEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China；3.HeilongjiangXinnuoRobotAutomationTechnologyCo.Ltd.,Harbin150060,China)

To study the effect of projectile rotation rate on the lateral effect of penetrator with enhanced lateral effects (PELE)penetrating reinforced concrete target, the numerical simulation of PELE penetrating reinforced concrete target with different rotation rates was performed under the condition of three impact target velocities of 600，700 and 800m/s,and the simulation model under the conditions of different impact target was verified by testing method. The results show that the error of opening size between the simulation results and the experimental ones is less than 5%, showing that the simulation model can accurately simulate the process of PELE penetrating reinforced concrete target.With increasing the rotation rate, more rotation rate kinetic energy lost translates into the energy that used to break the reinforced concrete target and make the opening size of reinforced concrete target increase. Under the same impact target velocity, opening size is improved by (8±2)% when the rotation rate increases from 10000r/min to 25000r/min. Therefore, increasing projectile rotation rate is beneficial to improve the opening size of the PELE penetrating reinforced concrete target.

reinforced concrete target; penetrator with enhanced lateral effect; PELE; rotation rate; lateral effect

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.015

2017-03-07；

2017-04-11

安徽高校自然科学研究重点项目(No.KJ2015A441)

何俊(1978-)，男，副教授，从事弹药工程及撞击动力学研究。E-mail：ahjdhj@126.com

TJ55;TJ

1007-7812(2017)04-0081-05