旋转弹侵彻钢板的数值模拟

旋转弹侵彻钢板的分析

旋转弹侵彻钢板的数值模拟

摘要：利用LS-DYNA3D软件建立了弹靶几何模型，应用有限元程序对旋转弹侵彻钢板过程进行仿真计算，并通过与实验比

较，验证了有限元方法的正确性。分析了转速对垂直侵彻和斜侵彻两种状况下性能的影响，通过比较不同转速情况下得到的速度、加速度等响应以及侵彻过程中弹体的质量损失情况，得出旋转对弹体垂直侵彻和斜侵彻具有一定的影响，为弹体结构的设计、改进和优化提供重要参考依据。

关键词：弹体侵彻；旋转；仿真 中图分类号：O385 文章标示码：A

Numerical study on penetration of rotating projectile into the steel plate

LI Yong，YU Hai-long，RUI Xiao-ting

(Institute of launch Dynamics，Nanjing University of Science And Technology，Nanjing 210094，China) Abstract：The geometry of projectile and target was established by using the LS DYNA3D software, the process of rotating projectile penetrating steel plate was simulated with using finite element program, and the correctness of the finite element method was verified by comparison with experimental data. The effect of rotation speed on the performance of two kinds of situations of vertical penetration and oblique penetration was analyzed, it was concluded that rotation had a certain impact on the projectile vertical penetration and oblique penetration, by comparing with velocity and acceleration response etc and quality loss situation of the projectile in the process penetration in the case of different rotation speeds, the important reference basis was provided for the design, improvement and optimization of the projectile structure.

Keyword：projectile penetration；rotation；simulation

引言

侵彻是指高速运动物体侵入或穿透防护体的过程，是一种常见的力学现象，它分为侵彻靶体、在靶体介质中运动和穿透靶体几个主要阶段。弹体侵彻作为军工领域一个重要课题，它的研究对优化武器攻击力和防护体的防护能力以及战斗部的设计都有重要的意义。

影响弹体侵彻的因素很多，主要有：侵彻速度、侵彻体和目标的结构与特性，以及冲击时的入射角等，学者们对这些因素的影响做了大量的研究工作，在研究穿甲方面也做了大量工作。转速主要用来控制弹体的稳定，但它对弹体的侵彻性能也有一定的影响，在这方面国内外研究较少，尤其是在斜侵彻方面，转速的影响还没有被研究过。李晓杰，姜力，赵峥等人对高速旋转弹头侵彻运动薄板进行数值模拟，分析了不同转速对侵彻薄板的影响，但是只分析了垂直侵彻状态，而且是低速下。候炜和何勇对旋转体侵彻混凝土

[2]

进行了研究，也只考虑了垂直状态。本文基于某次口径旋转稳定钨芯脱壳穿甲弹，通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了弹靶几何模型，并通过有限元程序进行仿真分析，研究旋转对穿甲弹侵彻的影响，为以后穿甲弹的设计和侵彻性能研究提高重要的参考意义。

[1]

1 弹靶模型及本构方程

1.1 弹靶的几何模型

钨芯脱壳穿甲弹由弹托、闭气环、弹芯三部分组成，

其中穿甲弹尾部的弹托直径为14.5mm。弹芯是由圆柱与圆锥结合而成，其中弹芯长46.4mm，弹芯尾部直径为9.5mm。圆柱体的尾部挖出一个长为10.25mm、直径为5mm的柱状空穴[3]。弹芯所采用的材料是锻造态钨合金， 18.5g/cm3，弹芯质量为35.67g，其抗拉强度 1900N/mm，冲击韧性 12N/cm，延伸率 5%，硬度（HRC）：27～32，弹芯材料参数见表1。

2

2

表1 弹芯材料参数[4]

密度 18500kg/m

3

杨氏弹性模量 泊松比 0.22

屈服应力

3.6 1011Pa 1.9 109Pa

与硬质钢芯或碳化钨弹芯在侵彻过程中整体破碎相反，钨合金弹芯可展性较好，以飞溅式穿甲，具有极好的二次侵彻特性，对大着角、夹层或多层结构复合装甲的穿甲效果更为优良。

靶板采用20mm厚的weldox460E钢，长和宽都为100mm，图1为弹体垂直侵彻靶体的有限元模型，图2为弹靶呈50°夹角的斜侵彻有限元模型。

*基金项目：国家自然科学基金（11102089）；新世纪优秀人才支持计划资助(NCET-10-0075)

作者简介：李勇（1987），河南永城人，硕士研究生，研究方向：兵器发射理论与技术

旋转弹侵彻钢板的分析

0 1.0s 1； r m r 为相对温度， r

为室温， m为熔点温度。

1 D5 f D1 D2expD3 1 D4ln

（2）

断裂应变：

图1弹体垂直侵彻的有限元模型

式中 p为静水压力与等效应力之比；

Di i 1 5 为常数。

在用Johnson-Cook模型定义材料时，需要结合

Gruneisen状态方程，该状态方程可以通过两种方法定义压力体积的关系，从而确定材料时压缩的还是扩张的。具有立体撞击速度—粒子速度的Gruneisen状态方程定义压缩材料的压力如下：

图2 弹体斜侵彻的有限元模型

0C2 1 1

P

（3）

1.2 本构方程

由于钨合金与钢均是对温度和应变率敏感的材料，

故采用Johnson-Cook模型。该模型是一种应变和温度敏感的塑性材料模型，常被用于以下问题：应变率在一个很大的范围内变化，由于塑性变形热量引起的绝热温度增加，从而使材料软化。

本构方程：

n m

y A Bp 1 Cln 1 T （1）

a

2 2 2 0 a E2

1 S 1

0

式中,C是vs vp曲线的截距，S为vs vp的斜率系数， 0为Gruneisen常数，a是 0和

0 1的

一阶体积修正量。

弹靶系统的材料模型参数如表2和表3所示。

式中A、B、C、n、m为材料参数；p为等效塑性

p 0为塑性应变率比值，一般取应变；

表2 弹芯材料Johnson-Cook模型参数[5]

18500

360

0.22

1506

177

0.12

0.016

1.0

3400

293

Cv JkgK

47.7

D1

0.705

D2

1.732

D3

-0.54

D4

-0.015

D5

C

0.404

S1

1.23

0

1.67

a

0.46

表3 靶板材料Johnson-Cook模型参数[6]

7850

200

0.32

490

807

0.73

0.0114

0.94

1800

293

Cv

JkgK

47.7 2基本原理

D1

0.8

D2

1.732

D3

-0.54

D4

-0.015

D5

C

0.4569

S1

1.49

0

2.17

a

0.46

2.1控制方程

本文主要算法采用Lagrange坐标描述增量算法。

该方法多用于固体结构的应力应变分析，所描述的网格和分析的结构是一体的，能够非常精确地描述结构边界的运动，而且计算速度快。

(1) 质点运动方程

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取初始时刻的质点坐标为Xi（i= 1，2，3) , 在任意t时刻, 该质点坐标为xi（i= 1，2，3)。 …… 此处隐藏：2933字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……