钨合金易碎动能穿甲弹穿甲有限元模拟与分析

钨合金易碎动能穿甲弹穿甲有限元模拟与分析

荣吉利
1,　于心健
1,　刘　宾
2,　胡更开
1
(11北京理工大学理学院力学系
,北京　
100081; 21中国空间技术研究院总体专业技术部
,北京　
100086)

摘　要
:研究具有不同力学特性的材料作为钨合金易碎动能穿甲弹的侵彻和破碎性能
Z在建立钨合金易碎动能穿
甲弹有限元分析模型的基础上
,运用大型动态非线性有限元分析软件
M SC2Dytran模拟具有不同拉
2压强度比的钨
合金穿甲弹在穿透靶板时的侵彻和破碎过程
Z仿真结果表明
,弹体的破碎及毁伤性能随其材料拉伸强度的降低而
提高
;弹体材料拉伸强度的提高有助于侵彻的进行
Z数值模拟和结果分析有助于为易碎钨合金动能穿甲弹的研制
提供一定的理论参考依据
Z

关键词
:钨合金
;有限元方法
;侵彻
;破碎
中图分类号
: TJ 01214　　　文献标识码
:A

FEM Simulation and Analysis of Tungsten Heavy Alloy
Fragile Projectile Under ImpactDynam ics

RONG Ji2li1,　YU Xin2jian1,　L IU Bin2,　HU Geng2kai1
(11DepartmentofMechanics,SchoolofScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing 100081, China;
21Beijing InstituteofSpacecraftSystem EngineeringofCAST , Beijing 100086, China)

Abstract: Thefragmentationandpenetrationofmaterialshavingdifferentmechanicalcharacteris2
tics are studied for the development of tungsten heavy alloy fragile projectile. An FEM analysis
modelfortungstenheavyalloyfragileprojectileisestablished. Simulationoftheprocessofpene2
tration of tungsten heavy alloy w ith different ratios of tension to compression against the target
wascarriedoutwith thedynamicnonlinearfiniteelementanalysissoftwareMSC2Dytran. Rules
offragmentationandpenetrationoftungstenheavyalloyareobtained. Analysisofsimulationre2
sultsshowsthatthepoweroffragmentationofprojectilesincreasesastensionintensityfalls, but
thepowerofpenetrationincreasesastensionintensityincreases. Numericalsimulationandanaly2
sisof resultsoffera theoreticalreferencefortheengineeringdesignof tungstenheavyalloyfragile
p rojectiles.

Key words: tungsten heavy alloy; finite elementmethod; penetration; fragmentation

　　易碎穿甲弹是近年来提出的新概念武器
,能在过控制其动态抗拉抗压强度比
,在撞击目标时由拉
保持弹体的弹道性能及打击命中率的同时
,在穿透伸波作用而破碎
Z高密度易碎钨合金除了具有满足
靶板后形成膨胀破片群
,达到进一步的毁伤效果
Z常规动能穿甲弹所需的材料性能之外
,还具有实现

材料主要采用高强度、高密度的易碎钨合金
,通破碎效果的潜力
,可优先用作易碎穿甲弹材料
[1] Z

收稿日期
: 2003

04

25

基金项目
:国家部委基金资助项目
(A 160B001)

作者简介
:荣吉利
(1964-) ,男,教授
,博士
,E2mail:Rongjili@bit. edu. cnZ

. 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.


北京理工大学学报第
24卷　

事实上
,目前已在实验室内通过粉末冶金法成
功地制备了钨合金材料
97W (钨的质量分数为
97% )和
93W (钨的质量分数为
93% )Z经对
97W和
93W的破坏机理实验和理论分析得知
,两者具有不
同的拉
2压强度比
Z但
97W在压缩时具有很好的延
展性
,而在拉伸时又表现出良好的脆断性
[2] Z

为了系统地认识具有不同力学特性材料的侵彻
和破碎性能
,归纳总结易碎穿甲弹材料的设计原则
,
作者在文献
[2]工作的基础上
,利用大型有限元分析
软件
M SC2Dytran对具有不同拉
2压强度比的钨合
金材料在侵彻及贯穿靶板时的侵彻和破碎性能进行
了模拟仿真
Z

1　接触
2碰撞问题的控制方程

根据连续介质力学原理
,冲击和穿甲过程必须
遵守动量守恒、质量守恒和能量守恒
,并且满足初始
条件和边界条件
Z采用
L agrange坐标描述的穿甲体
系的动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程
如下
:
Rij , j + Qf i= Q..
x i, (1)

Q=J Q0, (2)

··
·

E= VS ij Eij -(p+ q)V, (3)
式中　
J为
Jacob i矩阵
;各变量均为张量
,其中
Rij
为柯西应力
;f i为单位质量体积力
; ..
x 为加速度
;Q

i

为当前质量密度
; Q0为初始质量密度
;V为现时构形

的体积
;S ij和
·
Eij分别为偏应力和应变率
;E
·
为现时动

能的变化率
; p,q为压力和体积粘性阻力
Z

根据虚功原理
,得到碰撞系统的控制方程
[2] ,离
散化后可以表示为

F ex

Ma + Cv+ Kd= , (4)
式中　
M ,C,K分别为质量、阻尼、刚度矩阵
; a,v,d
和
F ex分别为加速度、速度、位移和外力列向量
(包括
碰撞力
)Z式
(4)中加入阻尼项后
,与材料的本构方程
以及系统的初始和边界条件一起构成了碰撞
2穿甲
问题的方程
Z

2　弹
2靶系统描述

211　弹
2靶系统尺寸

该穿甲弹主要针对小型目标的轻型装甲
,弹体
形状具有较长的圆锥形尖头
Z发射速度为
1 km .s左
右Z弹2靶系统尺寸见图
1所示
Z

图
1　弹
2靶系统示意图
F ig. 1　Sketch of projectile2target system
　

212　弹
2靶系统材料

弹体材料为易碎高密度钨合金
,采用粉末冶金
液相烧结工艺制备而成
Z靶板的材料为铝
,可以看作
理想弹
2塑性材料
Z材料的性能参数见表
1Z

　　表
1　弹
2靶的材料参数
Tab. 1　Param eters of projectile-target ma ter ia l
铝合金
(弹体
)铝(靶板
)
密度
Q.(m g·m -3)
切变模量
G.GPa
体积模量
K .GPa
断裂应力
.
M Pa
压缩屈服
强度
.M Pa
密度
Q.(m g·m -3)
弹性模量
.
GPa
泊松比
屈服应力
.
M Pa
塑性失效
应变
E

01019 8 160 200 100～
900 1 550 01042 7 70 013 100 015

3　有限元分析

311　有限元模型

弹体及靶板均用八结点的六面体单元
CH EX
模拟
Z由于冲击的速度较高
,弹靶作用的时间极短
,
所以只有在靶板着弹点处略大于弹径的范围内才具
有较高的应力应变水平梯度
Z为了节约机时并有效
地反映实际情况
,将靶板上弹点处附近有效范围内
的网格划细
,弹体网格的划分也是从弹头到弹尾逐
渐稀疏的
Z

312　材料本构模型的选择

因为弹体所用的钨合金材料的压缩强度远高于
其拉伸强度
,材料在动态压缩时呈现良好的塑性
,而
动态拉伸时只具有弹性
,并在一定的应力下发生断
裂Z同时
,因为此材料在动态穿甲时
,其破坏方式主
要是由拉伸作用引起的
,压缩时材料发生塑性流动
但很难被破坏
Z根据对弹体材料所做的相关材料性
能实验数据
,弹体材料的本构模型与
M SC2Dytran
所提供的
DYMA T 14材料模型相似
[3] Z

该模型的屈服面方程为压力
p和偏应力张量

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 　第
3期荣吉利等
:钨合金易碎动能穿甲弹穿甲有限元模拟与分析

的第
2不变量
J 2=
21
sij sij的函数
:

5 S= J 2-(B 0+ B 1p + B 2p 2), (5)
式中　
B 0, B 1, B 2为用户定义的常量
,取值分别为
0, 0, 3Z弹体及靶板材料的其它各性能参数参考表
1
进行选取
Z

同时
,该材料模型可以通过用户确定的拉伸截
断力判断材料是否拉伸断裂
Z材料达到拉伸截断力
时,材料将发生拉伸失效
,但仍可承受压缩载荷
Z

靶板的材料为铝
,可以看作理想弹
2塑性材料
,
所以选取了
DYMA TEP材料模型
[3] ,并且采用了最
大塑性应变的破坏准则
Z
313　仿真结果及分析

为研究易碎钨合金动能穿甲弹弹体材料在穿甲
过程中的性能
,主要选取了具有不同拉伸强度
(100,
200, 300 M Pa)的弹体材料在相同压缩性能下
,以
800 m .s的速度垂直冲击厚度为
6 mm的铝质靶板
Z
经过仿真计算可以得到碰撞系统不同时刻的变形过
程,以及相对应的材料性能参数
Z经分析可以得到如
下的结论
:

①在穿甲过程中
,弹体在破碎的同时基本保持
尖头的形状
Z
图
2是拉伸强度为
200 M Pa时整个系统
4个
时间点的变形过程
Z可以看出
,弹体在侵彻过程中基
本保持尖头的形状
,这样有利于侵彻的继续进行
Z

(a) t= 1 Ls (b) t= 20 Ls (c) t= 40 Ls (d) t= 60 Ls
图
2　贯穿过程变形图
F ig. 2　Deformation during the penetrating process

②随着弹体材料拉伸强度的降低
,侵彻过程中
损失的弹体变形能随之降低
Z
在侵彻阶段由于弹体材料的破碎和剥落
,减少
了弹体材料的塑性变形机会
,这样损失的弹体变形
能
(应变能
)就相应地减少
,有利于侵彻的进行
Z图
3
所示为
3种不同拉伸强度材料的弹体在穿甲过程中
弹体变形能随时间的变化曲线
Z
　　③剩余
(未失效
)弹体穿靶后的速度对材料拉
伸强度变化不敏感
Z如表
2所示
Z

④侵彻过程中
,在相同时刻
,靶板所获得的变
形能随弹体拉伸强度的提高而提高
Z
仿真结果见图
4Z可以推断
,弹体拉伸强度的提

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图
3　不同拉伸强度时弹体变形能变化曲线
F ig. 3　Curves of distortion energy of projectile under
different tension

表
2　剩余弹体速度
Tab. 2　Velocity of residual projectile
拉伸强度
.M Pa 100 200 300

剩余速度
.(m ·s-1) 793166 793101 792134

高有助于靶板的变形及破坏
,即有利于侵彻进行
Z

图
4　不同拉伸强度时靶板材料变形能变化曲线
Fig. 4 Curves of distortion energy of target
under different tension

⑤贯穿后
,靶板所获得的总变形能随拉伸强度
的变化变化不大
Z
图
4表明
,不同拉伸强度的弹体穿靶后对靶板
扩孔的大小相差不大
Z弹体贯穿靶板后
,靶板的变形
图也很好地验证了这一结论
Z

⑥随着靶厚的增加
,弹体拉伸强度高的材料有
利于侵彻的进行
Z
随着靶厚的增加
,弹体材料的损失随之增加
,拉
伸强度高的材料由于在侵彻过程中损失的材料少
,
弹体有明显的侵彻优势
Z

⑦随着弹体材料拉伸强度的降低
,弹体的破碎
及毁伤性能相应提高
Z
图
5为弹体侵彻后未失效剩余质量与拉伸强度
关系图
;图
6为弹体侵彻后剩余的弹丸
(未失效单
元)的变形图
Z分析图
5和图
6可知
,随着弹体材料
拉伸强度的降低
,弹丸的破碎及毁伤性能显著提高
Z

⑧同弹体冲击铝制靶板相比
,弹体在侵彻及贯
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北京理工大学学报第
24卷　

图
5　弹体剩余质量与拉伸强度关系图
Fig. 5 Relationship between residualmass and material strength

(a) 100 M Pa　(b) 200 M Pa (c) 300 M Pa
图
6　剩余弹丸变形图
F ig. 6　Deformation of the residualprojectile
穿钢质靶板过程中的破碎效果有明显地增强
,但是
弹体贯穿靶板所耗费的时间也明显地增加
Z

4　结　论

综合上述计算及分析
,可以得到以下结论
:在其
它条件相同的情况下
,弹体的破碎及毁伤性能随其
材料拉伸强度的降低而提高
;弹体材料拉伸强度的
提高有助于侵彻的进行
Z

弹体对靶板的侵彻是一个复杂的过程
[4] ,影响
侵彻的因素
,除了弹体材料特性的影响外
,还有撞击
速度、入射角度、弹靶的几何构形等因素
Z因为某些
影响因素是相互联系的
,而且不同的穿靶要求对侵
　　

彻性能的要求也不尽相同
,所以对侵彻性能的衡量
必须综合考察
Z

对于钨合金易碎动能穿甲弹的设计
,要从弹体
材料的侵彻性能及破碎性能两方面考虑
:既要保证
具有能贯穿靶板的侵彻性能
,又要具有一定的破碎
性能
Z这样就必须根据实际战技指标的要求
,确定所
需要的侵彻性能和破碎性能
,从而确定穿甲弹的性
能参数
Z

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