火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (6): 108-112, 118   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.018
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引用本文  

邵先锋, 赵捍东, 朱福林, 边江楠, 王庆, 吴凡达. 贫铀合金破片侵彻性能的数值模拟及试验研究[J]. 火炸药学报, 2017, 40(6): 108-112, 118. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.018
SHAO Xian-feng, ZHAO Han-dong, ZHU Fu-lin, BIAN Jiang-nan, WANG Qing, WU Fan-da. Numerical Simulation and Experimental Study on Penetration Characteristics of DU Alloy Fragments[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(6): 108-112, 118. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.06.018

作者简介

邵先锋(1990-), 男, 硕士研究生, 从事弹药毁伤技术研究。E-mail:641808227@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-05-25
修回日期:2017-08-12
贫铀合金破片侵彻性能的数值模拟及试验研究
邵先锋1, 赵捍东1, 朱福林2, 边江楠3, 王庆1, 吴凡达1     
1. 中北大学机电工程学院, 山西 太原 030051;
2. 四川航天电子设备研究所, 四川 成都 611900;
3. 北京航空工程技术研究中心, 北京 100076
摘要: 为研究贫铀合金与钨合金破片毁伤性能的差异,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,运用Lagrange算法,以侵彻速度为950和1 000 m/s的球形和柱形破片侵彻靶板为研究对象,对比分析了贫铀合金破片和钨合金破片侵彻钢靶的侵彻过程和速度特性,并采用13.1 mm的弹道枪对模拟结果进行了验证。结果表明,贫铀和钨合金破片在其侵彻过程中,贫铀合金表现出的自锐特性可使破片头部变尖,侵彻能力增强。当破片形状和质量相同且侵彻初速为1 000 m/s时,柱形贫铀合金破片的剩余侵彻动能是钨合金破片的1.3倍,球形贫铀合金破片剩余的侵彻动能是钨合金破片的2.3倍;当初速相同、形状不同时,球形贫铀合金破片剩余速度的最大值是柱形破片的2.1倍,球形钨合金破片剩余速度的最大值是柱形破片的1.6倍,因此球形贫铀合金破片的侵彻能力最优。通过试验结果与模拟结果的对比,得到模拟计算的最大误差为8.8%,验证了模拟计算的正确性。
关键词: 贫铀合金     钨合金     侵彻性能     数值模拟     含能破片    
引言

钨合金具有高密度、高强度、高硬度,能侵彻一定强度的反应装甲,被广泛应用于穿甲弹中,但钨合金属于稀有金属,价格昂贵,原材料缺乏,不能大规模投入使用,因此需要寻找钨合金的替代品。贫铀作为核燃料的副产品, 资源丰富,价格低廉,且具有与钨合金类似的物理特性。

国内学者何立峰[1]利用材料实验样机和霍普金森杆实验装置研究了铀合金在室温下的压缩行为,并根据实验数据拟合修订了Johnson-cook模型;刘婷婷等[2]采用分段式霍普金森杆实验,研究了铀钛合金在应变率为3 500s-1时,具有较好的剪切断裂特性;汤瑞峰[3]、胡时胜[4]利用霍普金森杆实验装置对铀合金动态力学性能进行了实验研究,发现铀合金与钨合金具有相当的屈服强度且随温度升高,应变率降低,屈服强度变小。虽然国内对铀合金有较多的研究,但大都集中在材料自身性能方面,对贫铀合金作为杀伤破片侵彻目标的研究尚未见报道。

本研究采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,运用Lagrange算法,以钨合金侵彻靶板为基础,对贫铀合金侵彻钢靶板进行模拟计算并进行了试验验证,分析了贫铀合金材料的侵彻性能,以期为资源丰富的贫铀合金破片取代资源匮乏的钨合金破片提供理论依据。

1 模拟计算 1.1 有限元模型

计算模型使用相同质量的球形、柱形破片侵彻装甲钢,柱形破片长径比为1, 直径分别为8.0 mm和7.9 mm,破片为平头,靶板尺寸为100 mm×100 mm×20 mm, 使用Solid164单元划分网格,破片和半无限靶板之间采用Lagrange算法,接触类型为侵蚀接触,为提高计算精度,在靶板中心部位进行网格加密,靶板的外边界设置为应力无反射边界模拟无限区域。有限元模型结构如图 1所示。

图 1 有限元模型 Figure 1 Finite element model
1.2 计算方法

在数值计算中,贫铀合金、钨合金和钢靶会产生较大的应力应变,而Johnson-cook模型能够准确地描述大应变和高应变率的材料。本研究采用Johnson-cook强度模型和累积失效模型[5],计算公式见式(1):

$ \sigma = \left( {1 - D} \right)\left( {A + B{\varepsilon ^n}} \right)(1 + C\ln {\dot \varepsilon ^*})(1 - {T^{*{\rm{m}}}}) $ (1)

式中:ABCnm为材料常数;ε为有效塑性应变;$ \dot \varepsilon^* $=$ \dot \varepsilon /\dot \varepsilon_0$为无量纲应变率($ \dot \varepsilon_0 $=1s-1为参考应变率);T*=(T-Tr)/(Tm-Tr)为相似温度;其中TmTr分别为材料的融化温度和室温。$D = \sum {\mathit{\Delta} \varepsilon /{\varepsilon _{\rm{r}}}} $为材料的损伤因子,介于0~1之间。当D=0时,材料无损伤;当D=1时,材料完全损伤。

Δε为一个时间步的塑性应变增量,εf为当前时间步的破坏应变,表达式见式(2):

$ {\varepsilon _{\rm{f}}} = \left[ {{D_1} + {D_2}\exp {D_3}{\sigma ^*}} \right]\left[ {1 + {D_4}\ln {{\dot \varepsilon }^*}} \right]\left[ {1 + {D_5}{T^*}} \right] $ (2)

式中:σ*=p/σεq为静水压力与等效应力之比;D1~D5为材料的失效参数。

贫铀合金、钨合金和钢靶材料的相关物理性能均由霍普金森杆实验所得,其参数来自文献[46789],如表 1所示。

表1 材料模型参数 Table 1 Paramaters of material model
2 结果与讨论 2.1 破片侵彻过程分析

为分析贫铀、钨合金破片在钢靶板中的侵彻性能,取贫铀、钨合金破片在速度分别为950、1 000 m/s时进行模拟计算分析,贫铀、钨合金破片在速度为950 m/s时的侵彻过程如图 2图 3所示。

图 2 贫铀合金破片的侵彻过程 Figure 2 The penetration process of DU alloy fragments
图 3 钨合金破片的侵彻过程 Figure 3 The penetration process of tungsten alloy fragments

图 2可以看出,侵彻初期(t=4 μs),破片在靶板中开出一个稍大于弹径的弹坑,靶板前端面出现鼓包,同时在靶板中产生球形冲击波。随着侵彻加深(t=10 μs),破片与靶板接触面附近由于网格变形过大而发生失效被删除,破片头部产生塑性变形和较小的剪切应变,弹坑半径明显变大;侵彻中期(t=44 μs),由于铀合金的自锐特性,破片头部逐渐变得尖锐,弹坑半径逐渐减小,形成一个锥型的孔洞;侵彻后期(t=70 μs),与破片锥面接触的钢靶材料发生剪切破坏而断裂,并且靶板后端面由于鼓包而产生了裂纹,靶板被切为两个小塞块;随着破片继续向前推进,两个小塞块完全脱离靶板,在t=130 μs时,破片完全贯穿靶板。

图 3可以看出,同一条件下,侵彻初期钨合金破片与贫铀合金破片的侵彻性能差异不大;侵彻中期时,钨合金破片的头部没有变尖,而是逐渐变成圆顶,说明其自锐特性较差;随着破片侵彻的加深,靶板的背面出现了层裂现象,但破片并未贯穿靶板,如图 3(e)所示,说明同一条件下,钨合金破片的侵彻性能低于贫铀合金破片。

2.2 破片穿靶速度分析

同形状贫铀和钨合金破片在不同侵彻初速度下侵彻靶板的速度变化曲线如图 4所示。柱形贫铀合金破片的速度分别为v1=950 m/s、v2=1 000 m/s;柱形钨合金破片速度分别为v1=950 m/s、v2=1 000 m/s。

图 4 相同形状贫铀和钨合金破片在不同速度下侵彻靶板的速度变化曲线 Figure 4 Velocity variation curves of the target plates penetrated by DU and tungsten alloy fragments in the same shape and at different speeds

图 4(a)可见, 破片侵彻的初始阶段,由于破片开坑时承受较大的靶板阻力,速度衰减非常快,10 μs后开始出现差异,同速度条件下,钨合金侵彻速度衰减明显快于贫铀合金;100 μs后两者趋于稳定,贫铀合金破片的剩余速度分别为97.9和132.4 m/s,剩余的最大动能为初始动能的0.02倍,钨合金破片的剩余速度分别为0和115.7 m/s,剩余的最大动能为初始动能的0.015倍,因此,贫铀合金破片的剩余侵彻能力是钨合金破片的1.3倍。由图 4(b)可见,同质量、同速度的球形破片侵彻时,在侵彻初期,由于球形破片侵彻端面为锥面,侵彻阻力逐渐增大,因此球形破片速度衰减较慢于柱形破片;90 μs时破片速度趋于稳定,破片贯穿靶板,贫铀合金破片的剩余速度分别为132.9和274.1 m/s,剩余的最大动能为初始动能的0.083倍,钨合金破片的剩余速度分别为10.8和179.6 m/s,剩余的最大动能为初始动能的0.036倍,因此,贫铀合金破片剩余的侵彻能力是钨合金破片的2.3倍。

综上所述,相同侵彻初速度条件下,贫铀合金破片的侵彻性能优于钨合金破片,利用资源丰富的铀合金取代资源匮乏的钨合金在理论上能满足侵彻性能要求。

2.3 破片形状对侵彻性能的影响

在950和1 000 m/s速度下不同形状贫铀和钨合金破片的侵彻速度变化曲线如图 5所示。

图 5 相同速度下不同形状贫铀和钨合金破片侵彻靶板的速度变化曲线 Figure 5 Velocity variation curves of the target plates penetrated by DU and tungsten alloy fragments in the different shape and at the same speeds

图 5(a)可看出,球形、柱形贫铀合金破片的剩余速度分别为132.9和97.9 m/s,都穿透了靶板,球形贫铀合金破片的剩余速度是柱形的1.36倍;球形、柱形钨合金破片的剩余速度为0,未穿透靶板。从图 5(b)可看出,球形、柱形贫铀合金破片的剩余速度分别为274.1和132.4 m/s,球形贫铀合金破片的剩余速度是柱形破片的2.1倍;球形、柱形钨合金破片的剩余速度分别为179.6和115.8 m/s,球形钨合金破片的剩余速度是柱形破片的1.6倍,都穿透了靶板;因此在相同条件下,速度越高,侵彻能力越强,当速度相同时,球形破片的侵彻性能优于同质量的柱形破片。

图 4图 5可以看出,钨合金破片的侵彻速度衰减较快,这是因为在侵彻中期时,随着侵彻的推进,温度逐渐升高,而钨合金材料随着温度的升高应变率敏感性下降,破片头部呈圆顶形,其侵彻能力下降。与之相反,贫铀合金破片随着温度升高,应变率增大,塑性变形增加,导致绝热剪切[10]发生,使破片头部变尖,侵彻能力增强。

3 试验验证 3.1 试验装置

利用13.1mm口径的弹道枪分别驱动具有分离式弹托的贫铀合金、钨合金破片,使其以一定的速度撞击靶板,并测量破片着靶速度和剩余速度,同时使用高速摄影仪记录试验过程,试验装置如图 6所示。

图 6 试验装置示意图 Figure 6 Schematic diagram of test device
3.2 试验结果与模拟计算结果的对比

球形、柱形贫铀合金和钨合金破片的尺寸分别为R4.5 mm、Φ7.9 mm×7.9 mm和R4.6 mm、Φ8 mm×8 mm,靶板厚度为20 mm,侵彻试验结果与模拟计算结果的对比如表 2图 7所示。

表2 破片侵彻靶板的试验结果与模拟计算结果的对比 Table 2 Comparison of the experimental results and the simulation ones of fragments penetrating the target plate
图 7 950 m/s时破片侵彻靶板试验结果与模拟计算结果中的靶板破坏情况 Figure 7 The damage status of target plate of the experimental results and the simulation ones of fragments penetrating the target plate at the speed of 950 m/s

表 2可以看出,在着靶速度为950 m/s时,贫铀合金破片贯穿靶板,钨合金破片未贯穿,在着靶速度为1 000 m/s时,二者均能贯穿靶板且铀合金破片的剩余速度高于钨合金破片,说明了贫铀合金破片的侵彻能力优于钨合金破片,且随着着靶速度的增加,其侵彻能力增强;在着靶速度相同的条件下,球形破片的剩余速度大于柱形破片。试验结果与模拟计算结果的最大误差仅为8.8%,从而验证了模拟计算结论的正确性。

图 7也可以看出,试验结果和模拟计算结果中的靶板破坏情况比较相似,从而进一步验证了模拟计算结果的正确性。

4 结论

(1) 采用LS-DYNA数值模拟软件建立了数值模型,对贫铀和钨合金破片在侵彻初速相同条件下侵彻均质装甲钢的过程进行数值模拟,得出贫铀合金破片和钨合金破片在其侵彻过程中,贫铀合金表现出的自锐特性可使破片头部变尖,提高了贫铀合金破片的侵彻能力。

(2) 当破片形状、质量相同,侵彻初速为1 000 m/s时,柱形贫铀合金破片的剩余侵彻能力是钨合金破片的1.3倍,球形贫铀合金破片的剩余侵彻能力是钨合金的2.3倍,因此,贫铀合金破片的侵彻性能优于钨合金破片。

(3) 当破片侵彻初速、质量相同,形状不同时,球形贫铀合金破片的剩余速度的最大值是柱形破片的2.1倍; 球形钨合金破片的剩余速度的最大值是柱形破片的1.6倍。因此,贫铀合金破片的侵彻性能优于钨合金破片,且以球形为最优。


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Numerical Simulation and Experimental Study on Penetration Characteristics of DU Alloy Fragments
SHAO Xian-feng1, ZHAO Han-dong1, ZHU Fu-lin2, BIAN Jiang-nan3, WANG Qing1, WU Fan-da1     
1. College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;
2. Sichuan Aerospace Electronic Equipment Research Institute, Chengdu 611900, China;
3. Beijing Aeronautical Technology Research Centre, Beijing 100076, China
Abstract: To study the difference of the damage performance of depleted uranium (DU) alloy and tungsten alloy fragments, using finite element software ANSYS/LS-DYNA and lagrange algorithm, taking the spherical and cylindrical fragment penetration target plate with the penetration velocities of 950 and 1 000 m/s as the research object, the penetration process and velocity characteristics of the steel target plates penetrated by DU alloy fragment and tungsten alloy fragment were compared and analyzed, and the simulation results were verified by 13.1 mm ballistic gun. The results show that in the penetration process of DU alloy fragment and tungsten alloy fragment, the self-sharp properties revealing by DU alloy fragments can make the head of the fragment tip become sharp and the penetration ability enhance. When the shape and mass of fragments are same and the initial penetration velocity is 1 000 m/s, the residual penetration kinetic energy of cylindrical DU alloy fragment is 1.3 times of tungsten alloy fragment, and the residual penetration kinetic energy of spherical DU alloy fragment is 2.3 times of tungsten alloy fragment. When the initial velocity is equal but the the shape is different, the maximum value of residual velocity of spherical DU alloy fragment is 2.1 times of cylindrical fragment, the maximum value of residual velocity of spherical tungsten alloy fragment is 1.6 times of cylindrical fragment, so the penetration ability of spherical DU fragment is optimal. Through comparing the experimental results with simulated ones, the calculated maximum error is 8.8%, which verified the correctness of simulated calculation.
Key words: DU alloy     tungsten alloy     penetration feature     numerical simulation     energetic fragment