旋转弹侵彻钢板的数值模拟(2)

图7 弹体侵彻过程及现象

弹体Y方向速度变化时程曲线如图7所示。从图中可以看到，弹体速度斜率从侵彻开始逐渐增大，随用固定约束和施加无反射边界条件。在侵彻刚开始阶段，由于转速的作用，弹体在与靶体接触前会产生一定的应力，图6展示了弹体三种不同转速下的应力，其单位为g-cm-us，经换算后三种情况下的应力最大值分别为：1.704MPa、12.19MPa和48.13MPa，可见，转速越大产生的应力就越大。

10000转/min 50000转/min 100000转/min

图6 弹体自身旋转产生的应力

在穿甲现象中，对钢靶来说最常见的四种形式有：冲塞穿甲、花瓣型穿甲、延性扩孔穿甲和破碎性穿甲。本文属于延性扩孔穿甲，它是弹体侵入良好的钢甲时常见的穿甲现象，图7为弹体侵彻过程及现象。在弹体刚接触钢板时，由于高速产生的高应力超过弹体和钢板的屈服应力，发生塑性变形，此阶段应力值达到1.962GPa，如图7a所示。随着弹体的侵入，在压应力作用下使靶板材料向最小抗力方向产生塑性流动，在钢甲表面产生金属堆积，形成翻起的唇边（靶前花瓣型变形）使靶板在弹侵彻处变厚，如图7b所示，此时应力波开始向四周传播，应力仍大于弹体和钢板的屈服应力，弹小于刚接触时的应力值。随着侵彻的进行，钢靶背表面凸起越来越大，形成鼓包，如图7c所示，鼓包越大越大，直到产生裂纹，弹体从鼓包处露出，形成靶后的翻唇，如图7d所示。

a b

着侵彻的进行，速度斜率由最大逐渐减小，直到侵彻结束，速度保持不变，这是因为刚开始时弹体速度较大，弹体头部由于发生塑性变形，与钢板的接触面积逐渐增加，导致所受阻力增大；当弹体头部形状趋于稳定时，随着侵彻的继续，弹体速度减小，导致所受阻力减小，弹体速度变化率减小。图8为不同转速弹体Y方向加速度时程变化曲线，已经过滤波器过滤，从中可以看出，在侵彻过程中弹体的加速度都会有个峰值，现代常规武器在侵彻过程中所承受的过载要远远大于在空气中飞行的过载，达到104g～105g量级[7]，

本文中最大侵彻过载值达到7.6×105

g左右。然后随着速度减小和阻力减小，弹体的加速度逐渐减小，侵彻结束后加速度为零，转速为100000转/min时弹体的加速度最大，相应于剩余速度就最小。从两图中可知，旋转对弹体的侵彻性能有一定的影响，会使弹体载荷增大，剩余速度减小。

图7不同转速弹体Y方向速度时程变化曲线

图8不同转速弹体Y方向加速度时程变化曲线

旋转弹侵彻钢板的分析

在侵彻过程中，伴随着质量损失，通过弹体的动能和速度，由动能定理可计算出弹体任一时刻的剩余质量，表4为不同转速弹体侵彻结束后弹体质量损失情况。对于弹塑性弹体，其动能大小主要取决于其速度和质量，图9为不同转速弹体动能损失曲线，从图中可以看出，在初始速度相同但转速不同时，弹体的动能变化曲线不同，在一定程度上，转速导致弹体的动能损失更大。

图9 不同转速弹体动能损失曲线

表4 不同转速弹体侵彻结束后质量损失情况

不同转速 无

50000转100000转

转/min /min /min

剩余质量 29 30.25 29.6 30.27 质量损失率 16.43% 15.19% 17.02% 15.14%

5旋转弹斜侵彻靶体的仿真分析

侵彻的几何模型如图2所示，其材料参数和上面相同，靶板与弹体轴线成50°夹角。弹体初速为1000m/s，与Y轴平行指向负方向，靶板采用固定约束，分别对转速为无、10000/min、

20000

转/min、50000转/min四种情况进行仿真，分析斜侵彻时转速的影响。图为无转速情况下弹体斜侵彻过程，整个穿甲侵彻过程用时112us，刚开始碰撞阶段，弹体头部受力不均匀，且应力大于弹体的屈服极限，导致头部发生塑性变形，变形部分向应力较小的地方流动，如图10前面两图所示。随着侵彻的进行，因受力不均引起的偏转较为明显，但是由于塑性流动使破碎弹体累积，导致受力方向发生改变，弹体偏转方向发生改变，如图10后面两图所示。

15us 45us

75us 117us 图10为无转速情况下弹体斜侵彻过程

图11和图12分别为不同转速情况下弹体的速度和加速度时程曲线，可见转速对侵彻过程的影响不大，速度和加速曲线变化规律相似。在开始阶段由于接触面积小，所示阻力较小，弹体速度曲线斜率较小。随

着侵彻的继续，弹体头部发生塑性变形导致头部变钝，导致所受阻力变大，加速度载荷变大，相应的速度下降曲线斜率增大。在加速度载荷达到第一个峰值后，由于弹体发生向相反方向偏转，加速度载荷又达到另一个峰值。但是，从图中也可以看出，旋转弹体的剩余速度要小于无转速弹体的剩余速度，而经过过滤后的加速度曲线中，无转速弹体的加速度载荷相对较小，说明旋转对弹体的侵彻性能有一定的影响。

图11不同转速弹体速度时程曲线

图12不同转速弹体加速度时程曲线

当弹体与靶板存在一定夹角时，在侵彻过程中弹

旋转弹侵彻钢板的分析

体头部就会收到不均匀的力，从而导致弹体发生偏转。弹体质量损失较大。

为研究弹体偏转情况，分析弹体在X方向上速度、载荷等响应的变化（初速度为与Y轴平行向下）。图13和图14为不同转速弹体X方向速度和加速度时程曲线，四种情况下的弹体速度和加速度变化规律相似，且变化不大。从侵彻开始，弹体就受到向X轴负方向偏转的阻力，随着侵彻的继续，速度逐渐增大，加速度载荷逐渐变大。在30us时，弹体加速度载荷逐渐减小，但速度仍持续增大，直到55us后，弹体所受阻力方向发生变化，导致弹体受到与X轴方向上的速度相反的加速度载荷，其速度逐渐减小，直到速度变为正，如图13所示。

图13不同转速弹体X方向速度时程曲线

图14不同弹体X方向加速度时程曲线

弹体侵彻的过程也是能量损失的过程，图15和图16为在相同速度条件下，不同转速弹体动能和总能量损失情况。从图中可知，在侵彻刚开始阶段，弹体能量损失率较小，随着侵彻的继续，损失率增大，这主要是由于弹体头部发生塑性变形，头部变成钝型。弹体在无转速情况下的动能损失和总能量损失最少，可见，由于旋转导致弹体能量损失增加。根据动能定理，已知弹体的任一时刻动能和速度，可求出任一时刻弹体的剩余质量。表5为不同转速弹体侵彻结束后的质量损失情况，从表中可看出，转速不同弹体的剩余质量和质量损失率不同，旋转弹体的质量损失较无转速

图15不同弹体动能损失时程曲线

图16 不同转速弹体总能量损失曲线

表5不同转速弹体侵彻结束后质量损失情况

不同转速 无 10000转20000转50000转/min /min /min 剩余质量 23.73 23.08 22.94 23.09 质量损失率

34.66%

36.44%

36.83%

36.42%

6结论

本文利用LS-DYNA3D软件建立了弹靶几何模型，通过有限元仿真与实验比较，验证了有限元软件

计算的正确性。针对转速对侵彻钢板的影响，应用有限元程序对弹体在垂直和倾斜两种状态下进行仿真计算，通过对比四种不同转速下获得的速度、能量、质量损失等信息，得出由于转速不同，获得的弹体侵彻结果不同，且旋转弹与无转速弹相比，弹体的剩余速度小，侵彻过程中加速度载荷大，能量损失多。说明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 …… 此处隐藏：1878字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……