弹体斜侵彻混凝土靶的跳弹及其规律研究

薛建锋,沈培辉,王晓鸣

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)



弹体斜侵彻混凝土靶的跳弹及其规律研究

薛建锋,沈培辉,王晓鸣

(南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094)

摘要：为了研究侵彻过程中的跳弹问题，对不同头部形状的弹体侵彻混凝土靶进行了试验研究。通过建立跳弹的计算模型，对平头、圆头和尖头弹体的跳弹现象进行了模拟计算；研究了3种弹体在不同速度影响下的跳弹规律和跳弹临界角范围；通过正交试验分析了跳弹现象由大到小的影响因素。结果表明，弹体头部越锐长，跳弹临界角越大；随着侵彻速度从652m/s增加到1022m/s，临界角从44°增加到66°；跳弹现象由大到小的影响因素分别为：弹体头部形状、弹体材料和侵彻速度。

关键词：爆炸力学；跳弹；头部形状；侵彻试验；正交试验；弹体；跳弹临界角；混凝土靶

引 言

弹体侵彻过程中的跳弹现象是弹体斜侵彻作用中产生的一种特殊现象。由于初始着角、攻角的存在，以及速度、弹头形状、弹靶材料等因素的影响，使得弹体的受力不对称，从而由靶体对弹体阻力相对于弹体的质心产生一个翻转力矩，造成弹体在侵彻过程中偏航弹道[1-4]。跳弹问题的研究是以避免出现跳弹现象为目的，主要集中在提高侵彻能力，获得较优的侵彻效果[5]。

国内外对侵彻过程中的跳弹问题进行了较多研究。Goldsmith[6]对弹体非理想撞击钢靶进行了理论、数值模拟及实验研究；陈小伟[7]提出了尖头刚性弹斜侵彻金属靶的分析模型，以预测跳弹发生的临界条件；李静海[8]发现平顶形弹体的跳弹角比尖顶形弹体跳弹的弹着角小，带防滑环尖顶弹体发生跳弹的临界着角更大；Segletes[9]对长杆弹的跳弹进行了分析，得到杆体长度对跳弹的影响规律；余文力和吴荣波[10-11]研究了初始着靶条件对跳弹现象的影响，得到了跳弹临界角范围；郭刘伟[12]提出的半切割环弹体提高了防跳弹及后续侵彻性能；胡德安[13]通过数值模拟研究了不同头部形状子弹侵彻钢靶并得到跳弹规律及跳弹临界角范围。

本研究针对跳弹问题，在考虑头部形状和速度的条件下，对弹体侵彻进行了试验及数值模拟，重点分析了不同头部形状弹体的跳弹临界角。通过正交试验分析得到跳弹现象的影响因素，以期为斜侵彻弹道分析和弹体头部形状设计提供参考。

1实验

1.1材料

侵彻试验中使用平头和尖头两种结构的弹体，如图1所示。弹身直径均为10mm，质量为80g，材料为35CrMnSiA高强度合金钢，淬火后其屈服强度为1500MPa，硬度值(HRC)为45。试验用混凝土靶体直径为300mm，侧面采用3mm厚钢板围箍，混凝土靶密度为2400kg/m3。试验采用25mm滑膛炮作为加载装置。

图1　弹体实物图Fig. 1　Photos of projectiles

1.2侵彻试验

弹体斜侵彻混凝土时受到靶体的阻力作用，由于阻力与弹体运动方向不一致，从而导致弹体运动方向不断发生改变，当变为偏离靶面的方向时，弹体就会飞出靶面发生跳弹现象。平头弹在倾角为51°、侵彻速度达到805m/s时发生跳弹现象。试验后弹体跳飞过程如图2所示。

图2　侵彻试验中的跳弹现象Fig. 2　Ricochet phenomenon in penetration experiments

从图2可以看出，弹体侵入靶体后经过弹道偏转从靶板表面跳出，跳飞弹道与靶面法线夹角很大。在撞击局部区域内，弹道上方混凝土材料也会由于自由面拉伸作用而全部脱落，最终形成椭圆形弹坑。

不同侵彻速度下两种结构弹体侵彻混凝土靶试验中对应的跳弹临界角如表1所示。

表1　不同侵彻速度下两种结构弹体对应的跳弹临界角

2有限元模型

分别建立了平头、圆头和尖头弹体侵彻混凝土靶的计算模型，见图3。

图3　不同头部形状的弹体结构图Fig. 3　Structure diagrams of projectiles with different nose shapes

计算中采用1/2模型以节约机时。弹体采用弹塑性模型，材料参数如下：密度为7.83g/cm3，弹性模量为207GPa，泊松比为0.3。混凝土靶板采用HJC累计损伤强度模型， HJC模型中材料的本构关系为：

σ*=[A(1-D)+BP*N](1+Clnε*)

(1)

混凝土材料模型参数为：压溃点的压力(Pc)和体积应变(μc)，其值分别为0.016和0.0011；材料压实点的压力(Plock)和体积应变(μlock)，其值分别为0.07和0.0008；K1、K2和K3为材料参数，其值分别为85、-171和208。

靶板四周均设置为固定约束，弹体和靶体对称面采用对称边界条件。计算中采用Lagrange算法，采用Solid 64六面体单元对模型进行网格划分，并对弹体头部及靶板的受冲击区域进行网格加密。弹靶模型中设置的接触类型为面面接触，接触中的静摩擦系数和动摩擦系数分别为0.15和0.10。

3结果与讨论

3.1跳弹现象的影响因素

对3种不同头部形状的弹体分别进行了侵彻速度为800、900、1000m/s和倾角分别为50°、55°、60°、65°、70°、75°的54种工况的计算，用于分析侵彻过程中出现的跳弹现象。3种头部形状的弹体以不同侵彻速度和倾角侵彻混凝土，在800μs时弹体剩余速度(νr)在与靶板初始表面垂直方向的分量随倾角(θ)的关系如图4所示。

图4　800μs时不同侵彻速度下弹体剩余速度和倾角的关系Fig. 4　Residual velocity of projectiles vs. oblique anglewith different penetrating velocity at 800μs

垂直于靶体上表面并指向上面外方向的速度分量为正，若出现跳弹现象，剩余速度在垂直方向的分量必会反向，即速度分量由负值转为正值。因此可从图4中得出，当侵彻速度为800m/s，平头弹跳弹临界角在50°左右，倾角为50°～70°时均发生跳弹现象；圆头和尖头弹跳弹临界角分别为51°～56°、56°～61°。侵彻速度为900m/s 时，平头、圆头和尖头弹跳弹临界角分别为53°～58°、55°～60°、60°～65°。侵彻速度为1000m/s 时，3种头部形状弹体跳弹临界角分别为60°～65°、65°～70°、65°～70°。不同头部形状弹体在800m/s侵彻速度下加载时程曲线如图5所示。

图5　800m/s时不同头部形状弹体加载时程曲线Fig. 5　Load time history curves of projectiles with different nose shape at 800m/s

由图5可知，平头弹加载曲线变化最大，因此最易发生跳弹。模拟计算得出的结论与试验结果一致，不同头部形状弹体对应的跳弹临界角范围见表2。

表2　不同头部形状弹体在不同侵彻速度下的跳弹临界角范围

从表2中可以看出，随着侵彻速度的增大，不同头部形状弹体的跳弹临界角都逐渐增大，且平头弹比圆头弹的跳弹临界角要小，头部越尖的弹体跳弹临界角越大。

3.2跳弹现象影响因素的正交试验分析

选取尖头、圆头和平头3种弹形，弹体材料分别为铝合金、35CrMnSiA和钨合金，材料的屈服强度和硬度依次增加，设计正交试验，分析弹头形状、弹体材料和侵彻速度3种因素对跳弹临界角的影响。

待考察指标为跳弹临界角，待考察因素定为弹体头部形状、弹体材料及侵彻速度3项，每个因素取3个水平，3个水平对应取值如表3所示。

表3　正交试验因素及各因素水平表

根据表3中因素及水平，选用L9(34)的正交表，根据模型参数表，构建3因素3水平正交试验，如表4所示。根据上述分析，进行极差分析可以得到各因素对指标影响的显著性排序。

表4　正交试验方案及试验结果

表4中给出待考察指标在A、B、C 3个因素的不同水平条件下的极差分析，极差R越大表明该因素的影响程度越高，可以得到因素主次顺序为A、B、C，即因素A弹头形状对跳弹的影响最大，因素B弹体材料的影响次之，因素C侵彻速度对弹体的跳弹角影响最小。通过极差分析，选取因素的水平变化和跳弹临界角的平均值分别作为横坐标和纵坐标，绘制水平与指标关系图，观察各因素指标变化情况，如图6所示。

由图6可以看出，当弹体头部形状为尖头、材料为钨合金和侵彻速度为1000m/s时跳弹临界角最大，表明抗跳弹能力最强，与试验和数值模拟结果一致，说明正交试验结果的可行性。

图6　因素水平与跳弹临界角关系图Fig. 6　Relationship of the factor level and critical angle of ricochet

对尖头、材料为35CrMnSiA的弹体在不同侵彻速度下侵彻混凝土靶进行跳弹极限角研究，得到侵彻速度为652、743、858、922和1022m/s时，跳弹临界角分别为40°、45°、50°、55°和66°。对计算结果进行二次多项式拟合，拟合曲线如图7所示。

图7　跳弹极限角与侵彻速度的关系Fig. 7　Relation between ricochet limit angle and velocity

由图7可得到跳弹极限角与侵彻速度之间的变化函数关系式为

η=65.3-0.1ν+0.012ν2

(3)

因此可以得到跳弹极限角随侵彻速度的变化规律为：侵彻速度越高，抗跳飞能力越高，弹体的跳弹极限角越大。

4结论

(1) 针对侵彻过程中的跳弹现象，对不同头部形状的弹体侵彻混凝土靶进行试验，并建立对应的计算模型，两者结果吻合较好，验证了模型的准确性。

(2) 针对不同头部形状的弹体，以剩余速度进行分析得到跳弹临界角的变化规律，即随着侵彻速度的增大，不同弹体的跳弹临界角都逐渐增大。由此可知，弹头越尖，跳弹临界角越大；侵彻速度越高，抗跳飞能力越高，弹体的跳弹极限角越大。

(3) 通过正交试验，获得了弹体头部形状、弹体材料和侵彻速度3种因素对跳弹的影响规律，由大到小的顺序为：弹头形状、弹体材料和侵彻速度。

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Research on Ricochet and Its Regularity of Projectiles Obliquely Penetrating into Concrete Targets

XUE Jian-feng, SHEN Pei-hui, WANG Xiao-ming

(ZNDY Ministerial Key Laboratory, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:To study the ricochet problem in penetrating process, the experiment study on penetrating into concrete targets of projectiles with different nose shape was carried out. The simulation and calculation of the ricochet phenomenon of projectiles with different nose shapes (blunt, hemispherical and conical) were performed through the establishment of calculation model of ricochet. The regularity and range of critical angle of ricochet under the influence of different velocity for three kinds of projectiles were studied. The factors affecting the ricochet from big to small were analyzed via orthogonal test. The results show that with increasing the penetrating velocity from 652m/s to 1022m/s, the critical angle increases from 44° to 66°. The order of factors affecting the ricochet from big to small is the shape of the nose, the material of the projectiles and the penetrating velocity, respectively.

Keywords:explosion mechanics; ricochet; head shape; penetration test; orthogonal experiment; projectile; ricochet critical angle; concrete target

中图分类号：TJ55；O38

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)02-0054-05

作者简介:薛建锋(1987-)，男，博士研究生，从事终点效应与目标毁伤研究。E-mail:xuejianfeng666@163.com

基金项目:国家“973”资助项目(6131430203)

收稿日期:2015-11-06；修回日期:2016-01-11

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.011