步枪弹M855与M855A1的侵彻效能对比仿真*

景 彤,郭子云,雷文星,郑延斌,陈智刚,李 波

(1 中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室,太原 030051;2 晋西工业集团有限责任公司,太原030051;3 晋西防务装备研究院第三研究所,太原 030051;4 国营524厂,吉林吉林 132021)

0 引言

为支援阿富汗作战,美国陆军开始使用新型5.56 mm步枪弹M855A1,它代替了20世纪80年代初美军就在作战时使用的5.56 mm弹药:M855[1]。M855A1是M855的改进型弹药,口径与外型尺寸均没有变化,实力雄厚的美军为何不采用全新的换代枪弹。M855A1相对M855在作战效果中有无提高。文中用LS-DYNA软件对M855、M855A1侵彻明胶靶、钢靶、松木靶的过程进行了数值模拟计算,获得侵彻过程中速度、能量变化以及步枪弹的侵彻姿态,对比分析了最终侵彻结果。

1 两种步枪弹简述

M855外包铜质弹头壳,弹头内芯前部为淬硬处理的锥形平顶钢芯,后部为铅芯[2-5]。M855A1弹体外半包前收口的铜质弹头壳,内芯前部为锥形硬钢芯,底部为实心铜质弹芯。M855A1步枪弹(后简称M855A1)与M855步枪弹(后简称M855)相比,弹尺寸没有改变,弹头质量也均为4 g。不同的是M855的弹尖涂色为绿色,M855A1变为青铜色。弹尖的钢芯变得更加坚硬,弹芯底部材料由铅变为铜。弹头外形如图1。

图1 M855步枪弹与M855A1步枪弹

值得一提的是M855A1弹头中不再含有铅。美军士兵每年射击训练释放的铅约2 000 t。对士兵的神经系统等会造成损害,严重可致癌。M855A1大大降低了射击训练中铅污染对士兵的身体伤害。

2 侵彻明胶靶数值模型

明胶是一种与人体肌肉组织十分相似的粘粘性介质,外形均匀透明,方便观察内部空腔形成变化。因此明胶已成为创伤弹道研究的常用介质[6-8]。

明胶采用流体弹塑性材料模型(MAT_ELASTIC_PLASTIC_HYDRO。材料状态方程采用*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。依据Jiwoon Kwon等人的实验与相关文献[9-11],明胶材料的参数见表1。

表1 明胶材料参数

2.1 正侵彻明胶靶

建立明胶与步枪弹的数值模型,设定弹体垂直入射,速度方向与弹轴无夹角。入射速度为800 m/s。

2.1.1 数值模型

步枪弹和明胶靶建立1/2模型减小计算规模、时间。步枪弹模型见图2。明胶靶尺寸为xyz=6 cm×3 cm×9 cm,Z方向负方向为正侵彻方向。在子弹与明胶的接触区及附近建立较密的网格,其他区域采用较疏的网格。采用基于粘性的沙漏控制算法,沙漏系数为0.01以防止严重的沙漏变形[12]。

图2 M855与M855A1有限元模型

2.1.2 计算结果对比分析

基于上述模型与设置进行仿真。分析如下:

侵彻明胶时因阻力速度大幅下降,弹头失稳翻转,能量急剧释放产生空腔。由图3可知:M855A1在1 350 μs时完成侵彻,剩余速度为680 m/s,M855在1 300 μs时完成剩余速度为778 m/s。假如弹头损失的能量全部用于做功而形成空腔。传递的能量定义为:

(1)

式中:V0为弹头着靶时的碰撞速度;E0为弹头碰撞动能;V为弹头出靶速度;El为弹头出靶动能。

图3 速度衰减曲线

图4 明胶能量变化曲线

在碰给能量相同的情况下,机体的损伤与传递能量成正比。传递能量越多,单位面积的机体组织承受的载荷越大。由图4与式(1)可知:初始动能相等时,M855A1传递给明胶的能量占初始动能的27.75%,M855为5.4%。M855A1提高了约22.35%。

由表2与图5来看:侵彻完成后明胶空腔入口呈外翻状,整体呈圆锥状。M855A1侵彻过后明胶形成的空腔体积大于M855。M855A1在侵彻结束时,弹芯与弹头壳完全脱离。大大提高了停止作用。

表2 明胶空腔直径对比

图6 3种攻角下步枪弹速度衰减曲线

2.2 攻角对杀伤效应的影响

设定步枪弹以相同速度(800 m/s)不同攻角(0.7°,1°,2°)侵彻明胶,靶尺寸为xyz=6 cm×3 cm×35 cm。

由图6可知:两种步枪弹侵彻均为以下3种状态:

1)侵彻初始阶段。弹头运动状态稳定,未发生明显失稳,速度衰减平缓。M855A1速度衰减较快。

2)弹头失稳翻滚,速度快速衰减阶段。

0.7°攻角:M855速度由675 m/s衰减为447 m/s,能量传递约占初始动能的39.97%,M855A1发生变形破碎,速度由643 m/s衰减为367 m/s,能量传递约占初始动能的43.56%,比M855提高约3.59%。

1°攻角:M855速度从692 m/s降至426 m/s,能量传递约46.467%,M855A1速度从687 m/s降至321 m/s,能量传递约57.645%,提高约11.178%。

2°攻角:M855速度从697 m/s降至406 m/s,能量传递约50.15%,M855A1速度从703 m/s降至为333 m/s,能量传递约59.89%,提高约9.74%。

3)随着速度的降低,弹头在靶中承受的动载荷降低,加速度减小,速度衰减平缓,进入末期阶段。

在侵彻过程中,两步枪弹均发生了偏转:

0.7°攻角:M855A1弹头从入射到翻转至180°所需时间为2 750 μs,M855为3 500 μs,M855A1所需时间缩短了900 μs,所需路径缩短了66 mm。

1°攻角:M855A1翻转至180°所需时间为2 700 μs,较M855缩短750 μs,所需路径缩短了52 mm。

2°攻角:M855A1翻转至180°所需时间为2 150 μs,较M855缩短750 μs,所需路径缩短了39 mm。

图7 相同攻角侵彻同一时间步枪弹形态

2.3 带攻角侵彻总结

1)侵彻会经历3个阶段:初始阶段、速度快速衰减阶段、末期阶段。

2)M855A1对明胶靶的能量传递较强。随着攻角的增加传递效果越强。大大提高了停止作用。

3)两步枪弹在明胶靶内均出现了偏转翻滚,弹头从入射到翻转至180°:M855A1所需时间少于M855,且翻转位置更靠近入口。

3 侵彻钢靶数值模型

3.1 弹靶材料模型

钢靶采用JOHNSON-COOK材料模型[13]。该模型适合描述材料在高应变率和高温条件下的性质变化,在弹道侵彻冲击、金属爆炸成型等数值计算中应用较广。钢靶对应材料参数由表3给出。

表3 钢靶材料参数

3.2 数值模型

建立钢靶尺寸为xyz=8 cm×4 cm×1 cm,1/2模型。侵彻方向为Z轴负方向。设定弹体与入射面垂直,速度方向与弹轴无夹角,入射速度833 m/s[14]。

3.3 计算结果对比分析

基于上述模型与设置进行仿真。分析如下:

图8 侵彻钢靶速度衰减曲线

由图8可知:M855在0～600 μs处于侵彻阶段,速度急剧衰减,600 μs时速度降为0,未完成侵彻。M855A1在0～500 μs处于侵彻阶段,速度急剧衰减,结束侵彻时以449 m/s的剩余速度飞出靶板。

在初始动能相等的情况下,M855未能完成侵彻,M855A1的剩余速度为449 m/s。即M855A1对硬质目标的侵彻能力、弹头的穿透力远大于M855。也表明了M855A1对目标的有效射程较于M855有很大的提高,并且有远高于M855的穿障后杀伤力。

4 侵彻松木靶数值模型

在仿真中,用25 mm松木靶板模拟人体靶。

4.1 弹靶材料模型

松木靶板采用MAT_ELASTIC材料模型并添加失效模型MAT_ADD_EROSION。靶板的主要参数:密度ρ=0.460 g/cm3,弹性模量G=11.68 GPa,泊松比μ=0.31,屈服应力E=0.29 GPa[15]。

4.2 数值模型

建立松木靶尺寸为xyz=8 cm×4 cm×2.5 cm,1/2模型。侵彻方向为Z轴负方向。设定弹体与入射面垂直,速度方向与弹轴无夹角,入射速度833 m/s[15]。

4.3 计算结果对比分析

基于上述模型与设置进行仿真。分析如下:

图9 侵彻松木靶速度衰减曲线

图10 松木靶吸能曲线

由图9可知:M855在0～500 μs处于侵彻阶段,速度急剧衰减,500 μs时侵彻结束以729 m/s的剩余速度飞出。M855A1在0～700 μs处于侵彻阶段,在700 μs时结束侵彻以701 m/s的剩余速度飞出靶板。

结合式(1)、图10,初始动能相等的情况下,M855传递能量占初始动能的23.4%,M855A1传递能量为29.2%,提高约5.8%。表明了M855A1在侵彻过程中对目标的伤害能力强于M855。即M855A1提高了停止作用。

5 结论

文中以非线性有限元软件LS-DYNA为平台,进行了M855A1、M855侵彻明胶靶、钢靶、松木靶的仿真并进行了对比分析,得出以下结论:

1)M855A1弹头击中软目标时,弹头壳受挤压力膨胀减速,弹芯因惯性继续高速运动,进而与弹头壳脱离,于是弹头分离。提高了对软目标的能量传递。在有攻角时,M855偏转,M855A1翻滚破碎,对目标的伤害大幅提高,M855A1的能量传递优于M855。即M855A1大大提高了停止作用。

2)M855A1击中硬目标时,由于弹芯与弹头壳并非一体成型,弹头壳会在击中目标后变形减速,内部弹芯会继续侵彻,提高了侵彻能力。在初始动能相等的情况下,侵彻完成时M855A1的剩余速度远大于M855。即M855A1对硬质目标的侵彻能力、弹头的穿透力优于M855。也表明M855A1对目标的有效射程较M855有大的提高,且有着远高于M855的穿障后杀伤力。

3)尽管M855A1的口径与尺寸与M855相比没有变化,只是改变了弹头壳结构与弹芯材料,便大大提高了5.56 mm小口径步枪弹的侵彻能力。充分地发掘了弹药潜力,用小的代价获取了大的收获。

M855A1外露式硬钢弹芯、铜质弹芯的结构对小口径步枪弹的设计具有很大参考价值。