某小口径弹丸穿甲与静爆引爆TNT炸药研究

田亚锋，汪立国，吴护鹏，胡 勇，王华亭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)



某小口径弹丸穿甲与静爆引爆TNT炸药研究

田亚锋，汪立国，吴护鹏，胡 勇，王华亭

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

为了评价某小口径多用途弹丸的冲击起爆能力，采用分步试验，结合ANSYS LS-DYNA动力学分析软件，对该型弹丸的冲击起爆能力进行了研究。通过调整弹丸半径方向网格数量λ，建立了有效的弹丸穿甲计算仿真模型。对比仿真计算与试验结果,表明网格划分对计算结果精度影响较大。当λ>12时，仿真计算的临界击穿速度与试验值基本一致。在弹丸能够穿透钢板的基础上，对弹丸静态引爆炸药盒的试验研究，验证了该型小口径榴弹的冲击起爆TNT炸药能力。

防空高炮；侵彻穿甲；引爆；数值模拟

作为小口径防空高炮弹药之一的多用途榴弹，兼具穿甲与爆破能力，当前防空武器面临多种制导类弹药的威胁，基于命中即摧毁的毁伤机制，将来袭目标击爆是当前防空武器所必须具备的能力[1]。笔者以战斗部等效壁厚小于15 mm的空袭武器为研究对象，进行了该型弹丸穿甲、引爆目标的研究。由于弹丸对来袭目标的侵彻、击爆过程是一个复杂的物理过程，采用理论分析方法需考虑多种因素，因此当前对侵彻、击爆过程的研究，多采用试验或数值模拟手段[2]。笔者针对特定的弹靶系统，通过试验研究、结合数值模拟方法，进行了侵彻及静爆引爆TNT炸药研究。

1 试验研究

弹丸对来袭目标的作用分为穿甲和起爆2个阶段[3],因此将弹丸对典型目标的击爆试验分为侵彻装甲钢板和静爆引爆高能炸药2个试验。

1.1 穿甲试验及结果

笔者进行了同口径弹道炮发射弹丸侵彻装甲钢板的试验研究。试验用靶板为15 mm装甲钢板，靶板外法线与弹丸速度切线呈45°角，弹为该型定型弹药18发，通过减装药改变弹丸出炮口时的速度，从而改变弹丸撞击靶板时的着速，得出弹丸侵彻装甲钢板的临界极限速度,试验结果如表1所示。

表1 弹丸对15 mm /45°均质装甲钢板毁伤试验数据

由试验结果可知，弹丸在45°着角情况下，以大于564.9 m/s的速度可有效击穿15 mm厚均质钢板，弹丸底部引信出现脱落现象。当弹丸着速小于558.1 m/s时，弹丸不能穿透钢板，出现弹丸跳飞现象。

1.2 静爆试验及结果

以弹丸穿透靶板为基础，进行了弹丸静态放置于炸药盒内的静爆试验，验证在弹丸穿透壳体后，是否能够有效地引爆炸药盒内装药。根据试验需求，加工了3种方案的炸药盒，炸药盒尺寸如表2所示,方案结构如图1所示。

表2 试验所用炸药盒类型及尺寸

试验统计数据如表3所示。

表3 弹丸对炸药盒静爆引爆试验结果

基于静爆引爆试验可以得出，弹丸在放入炸药盒内部一定深度时，能够靠弹丸内装药爆炸引爆炸药盒内装药;弹丸在炸药盒外部爆炸时，不能引爆炸药盒装药。

2 穿甲数值模拟计算

2.1 计算模型

建立与穿甲试验工况一致的仿真模型，进行模拟仿真计算。由于弹丸装药的刚度可以忽略，忽略弹丸的装药部分，在保证弹丸质量与实际一致的前提下，简化弹丸结构，建立了三维实体单元的侵彻计算模型，建模均采用cm-g-μs单位制[4]。图2为建立的弹-靶系统仿真计算模型。

2.2 材料模型及参数

弹丸材料为35CrMnSiA，选用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程[5],靶板采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型,参数如表4、5所示。

表4 弹丸Johnson-Cook材料模型主要参数

表5 靶板PLASTIC_KINEMATIC材料模型主要参数

2.3 网格大小对计算结果的影响

为研究网格尺寸对计算结果的影响，建立与穿甲试验一致的计算模型，定义靶板厚度方向网格数量为10，弹丸半径方向网格数量为λ，通过改变λ大小，得出在穿透靶板的前提下，穿甲所需的弹丸着速，如表6所示。

表6 不同网格尺寸的计算结果比较

从表6可知，当λ>12时，模拟计算的临界穿甲速度接近于试验结果，随着λ增大，临界穿甲速度与试验情况相一致，且当λ为12、16、22时，临界穿甲速度计算值相差不大，最大差别仅为3%，该误差可以忽略。

2.4 数值模拟结果

对比穿甲试验，通过设置合理的网格单元数量，建立仿真计算模型。通过改变弹丸的着速，得出了着角45°，穿透15 mm均质装甲钢板所需的临界穿甲速度，仿真结果如图3所示。

当弹丸以大于566 m/s的着靶速度侵彻靶板时，弹丸能够有效地穿透靶板，因此根据数值模拟结果，该型榴弹倾斜45°，穿透15 mm厚均质钢板的临界速度为566 m/s。另外在侵彻过程中弹丸产生摆动，导致弹丸侧壁与靶板穿孔侧壁碰撞，弹丸底部产生弯曲变形，与侵彻试验中弹底引信脱落现象一致。

3 结论

笔者通过分步试验、数值仿真分析方法对该型小口径弹丸倾斜45°，穿透15 mm厚装甲钢板、弹丸内炸药爆炸引爆炸药盒装药进行了研究，对试验及仿真分析结果进行了对比分析，得出如下结论：

1)该型小口径防空弹药具备倾斜45°穿透15 mm厚装甲钢板的能力，在穿透钢靶后，能够有效地击爆战斗部壁厚为15 mm的来袭目标。

2)通过数值模拟穿甲过程，得出弹丸半径方向网格尺寸越小，计算精度与试验结果越吻合，在统筹考虑计算时间的基础上，应合理的划分弹丸及靶板的网格疏密。

3)采用的分步试验方法及建立的穿甲计算模型，对研究弹丸冲击起爆战斗部具有一定的参考价值，为后续小口径弹药威力分析及毁伤能力研究奠定了基础。

References)

[1]刘腾谊,陈熙,杨东. 35mm高炮弹药发展设想与分析[J].火炮发射与控制学报，2010(1)：84-88.

LIU Tengyi，CHEN Xi，YANG Dong. Imagination and analysis on 35 mm AA gun ammunition development[J].Journal of Gun Launch & Control，2010(1):84-88.(in Chinese)

[2]王儒策，赵国志.弹丸终点效应[M].北京：北京理工大学出版社，1993. WANG Ruce，ZHAO Guozhi.Terminal ballistics effects of projectile[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press，1993.(in Chinese)

[3]王凤英，刘天生.毁伤理论与技术[M].北京:北京理工大学出版社，2009. WANG Fengying，LIU Tiansheng.Damage theory and technology[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2009. (in Chinese)

[4]王猛，黄德武，曲家慧,等.钨合金杆式弹侵彻45#钢变形失效行为的数值模拟分析[J].塑性工程学报，2012,19(2):102-106. WANG Meng，HUANG Dewu，QU Jiahui，et al. Simulation on the deformation and fracture of long-rod projectile of tungsten alloy penetrating into 45#steel[J].Journal of Plasticity Engineering,2012,19(2):102-106. (in Chinese)

[5]丁毓峰.ANSYS有限元分析完全手册[M].北京：电子工业出版社,2011. DING Yufeng.Complete manual of ANSYS finite element analysis[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2011. (in Chinese)

Study on Projectile Oblique Penetration into Steel Armor Plate and the Detonation of TNT Charge

TIAN Yafeng，WANG Liguo，WU Hupeng，HU Yong，WANG Huating

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engeering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

For the purpose of evaluating the penetration performance of a small armor-piercing multi-role projectile, through the use of the multiple-step experiment method in combination with simulation analysis software ANSYS in terms of dynamics, the ability of shock and initiation for the projectile was studied. Through changing the mesh sizes on projectile, an effective penetration model for the projectile was established. Compared with test data, the calculation results showed that the effects of mesh partition on calculation precision are great. When is greater than 12, critical penetration velocity is near the experimental value. Based on the result that the projectile can penetrate into the steel armor plate, the detonation progress of TNT by projectile was researched with an experiment, and the result showed that the small armor-piercing multi-role projectile had the ability to detonate TNT charge.

anti-aircraft artillery; penetration; detonation; simulation

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.008

2015-09-25

田亚锋(1985—)，男，工程师，主要从事机械结构总体技术及弹药高效毁伤研究。E-mail：tianyafeng19870325@163.com

TJ410.3

A

1673-6524(2016)04-0035-03