兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (8): 240898-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0898
顾敏辉, 唐奎*(), 王金相**(
), 夏靖雯, 李渊博, 王鸿飞
收稿日期:
2024-09-27
上线日期:
2025-08-28
通讯作者:
基金资助:
GU Minhui, TANG Kui*(), WANG Jinxiang**(
), XIA Jingwen, LI Yuanbo, WANG Hongfei
Received:
2024-09-27
Online:
2025-08-28
摘要:
为进一步提升横向效应增强型侵彻体(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)的靶后毁伤效能,提出一种带螺旋切缝的新型结构PELE。在基于试验验证数值仿真模型有效性的基础上,借助有限元方法结合断裂软化和随机失效算法,对不同结构PELE的侵彻、破碎及后效进行研究,并分析旋转速度和方向对螺旋切缝PELE破碎及毁伤效能的影响。通过试验对比常规PELE和螺旋切缝PELE的靶后破片散布及毁伤效能。研究结果表明:PELE侵彻12mm厚4340钢靶分为开孔和扩孔两个阶段;侵彻过程中,常规PELE壳体破碎较为随机,切缝PELE裂纹沿切缝方向进行扩展;轴向切缝PELE裂纹初始扩展始于靠近弹/靶接触界面位置;螺旋切缝PELE裂纹始于弹/靶接触界面处,沿切缝向弹尾扩展,同时破片周向受到拉应力作用发生拉伸断裂;螺旋切缝PELE破碎程度在3种PELE中最高,且破片的尺寸大小及散布最均匀,其破片散布范围与常规PELE和轴向切缝PELE相比分别增大了38%和42%;常规和轴向切缝PELE的靶后破片呈锥形分布,而螺旋切缝PELE的破片近似呈平面分布;弹丸旋转方向与螺旋切缝转向相反时,射弹破碎更均匀,破片散布更均匀,且破片穿透后效靶的穿孔直径普遍更大。
中图分类号:
顾敏辉, 唐奎, 王金相, 夏靖雯, 李渊博, 王鸿飞. 带切缝PELE的侵彻破碎特性及毁伤后效[J]. 兵工学报, 2025, 46(8): 240898-.
GU Minhui, TANG Kui, WANG Jinxiang, XIA Jingwen, LI Yuanbo, WANG Hongfei. Penetration Fragmentation Characteristics and Damage After-effects of PELE with Slits[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(8): 240898-.
材料 | 密度/ (g·cm-3) | Gruneisen 系数 | Hugoniot参数 c0/(km·s-1) | Hugoniot 参数s | 剪切模量/ MPa | 屈服应力/ MPa | 侵蚀几何 应变 | 失效塑性 应变 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
95W钨合金 | 18.000 | 4.03 | 1.237 | 1.3902×105 | 1.5×103 | 0.6 | ||
聚乙烯 | 0.920 | 1.6 | 2.90 | 1.480 | 1.30×102 | 2.0×101 | 1.8 | |
4340钢 | 7.823 | 4.57 | 1.490 | 7.70×104 | 8.0×102 | 1.2 | ||
7075铝 | 2.800 | 5.20 | 1.360 | 2.67×104 | 4.0×102 | 1.2 |
表1 材料参数[29]
Table 1 Material parameters[29]
材料 | 密度/ (g·cm-3) | Gruneisen 系数 | Hugoniot参数 c0/(km·s-1) | Hugoniot 参数s | 剪切模量/ MPa | 屈服应力/ MPa | 侵蚀几何 应变 | 失效塑性 应变 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
95W钨合金 | 18.000 | 4.03 | 1.237 | 1.3902×105 | 1.5×103 | 0.6 | ||
聚乙烯 | 0.920 | 1.6 | 2.90 | 1.480 | 1.30×102 | 2.0×101 | 1.8 | |
4340钢 | 7.823 | 4.57 | 1.490 | 7.70×104 | 8.0×102 | 1.2 | ||
7075铝 | 2.800 | 5.20 | 1.360 | 2.67×104 | 4.0×102 | 1.2 |
工况 | 内芯 | v/(m·s-1) | 试验结果 | 仿真结果 |
---|---|---|---|---|
1 | 铝合金 | 925 | | |
2 | 铝合金 | 1261 | | |
3 | 聚乙烯 | 936 | | |
4 | 聚乙烯 | 1262 | | |
表2 试验和仿真的破碎效果对比
Table 2 Comparison of the fragmentation effects betwee experiments and simulation
工况 | 内芯 | v/(m·s-1) | 试验结果 | 仿真结果 |
---|---|---|---|---|
1 | 铝合金 | 925 | | |
2 | 铝合金 | 1261 | | |
3 | 聚乙烯 | 936 | | |
4 | 聚乙烯 | 1262 | | |
工况 | 最大径向速度/(m·s-1) | 轴向剩余速度/(m·s-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
试验值 | 仿真值 | 误差/% | 试验值 | 仿真值 | 误差/% | |
1 | 184 | 193 | 4.9 | 895 | 878 | -1.9 |
2 | 243 | 227 | -6.6 | 1231 | 1219 | -1.0 |
3 | 94 | 99 | 5.3 | 889 | 901 | 1.3 |
4 | 145 | 154 | 6.2 | 1206 | 1226 | 1.7 |
表3 试验与仿真速度数据对比
Table 3 Comparison between experimental and simulation velocity data
工况 | 最大径向速度/(m·s-1) | 轴向剩余速度/(m·s-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
试验值 | 仿真值 | 误差/% | 试验值 | 仿真值 | 误差/% | |
1 | 184 | 193 | 4.9 | 895 | 878 | -1.9 |
2 | 243 | 227 | -6.6 | 1231 | 1219 | -1.0 |
3 | 94 | 99 | 5.3 | 889 | 901 | 1.3 |
4 | 145 | 154 | 6.2 | 1206 | 1226 | 1.7 |
切缝 方式 | 时间/μs | ||||
---|---|---|---|---|---|
10 | 20 | 35 | 80 | 150 | |
无 切缝 | | | | | |
轴向 切缝 | | | | | |
螺旋 切缝 | | | | | |
表4 不同时刻PELE侵彻及飞散情况
Table 4 PELE penetration and dispersion at different times
切缝 方式 | 时间/μs | ||||
---|---|---|---|---|---|
10 | 20 | 35 | 80 | 150 | |
无 切缝 | | | | | |
轴向 切缝 | | | | | |
螺旋 切缝 | | | | | |
旋转 方向 | 转速大小/ (r·s-1) | 着靶速度/(m·s-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
600 | 800 | 1000 | 1200 | ||
逆时针 | 500 | 94.95 | 121.51 | 98.64 | 87.39 |
1000 | 98.63 | 123.68 | 102.73 | 89.46 | |
1 500 | 98.41 | 130.63 | 104.75 | 97.17 | |
2000 | 95.63 | 133.11 | 112.45 | 86.98 | |
顺时针 | 500 | 93.82 | 110.93 | 99.48 | 91.18 |
1000 | 83.93 | 111.06 | 99.98 | 88.34 | |
1500 | 80.86 | 109.76 | 98.78 | 88.74 | |
2000 | 80.65 | 119.63 | 99.13 | 86.32 |
表5 不同工况最大穿孔直径
Table 5 Maximum perforation diameters under different working conditions
旋转 方向 | 转速大小/ (r·s-1) | 着靶速度/(m·s-1) | |||
---|---|---|---|---|---|
600 | 800 | 1000 | 1200 | ||
逆时针 | 500 | 94.95 | 121.51 | 98.64 | 87.39 |
1000 | 98.63 | 123.68 | 102.73 | 89.46 | |
1 500 | 98.41 | 130.63 | 104.75 | 97.17 | |
2000 | 95.63 | 133.11 | 112.45 | 86.98 | |
顺时针 | 500 | 93.82 | 110.93 | 99.48 | 91.18 |
1000 | 83.93 | 111.06 | 99.98 | 88.34 | |
1500 | 80.86 | 109.76 | 98.78 | 88.74 | |
2000 | 80.65 | 119.63 | 99.13 | 86.32 |
序号 | 射弹 类型 | 质量/g | 着靶速度/ (m·s-1) | 初始动能/ kJ | 后效靶穿孔范 围直径/mm |
---|---|---|---|---|---|
1 | 常规PELE | 169.5 | 962.3 | 78.5 | 258.2 |
2 | 螺旋切缝PELE | 163.8 | 972.4 | 77.4 | 296.8 |
表6 试验数据
Table 6 Experimental data
序号 | 射弹 类型 | 质量/g | 着靶速度/ (m·s-1) | 初始动能/ kJ | 后效靶穿孔范 围直径/mm |
---|---|---|---|---|---|
1 | 常规PELE | 169.5 | 962.3 | 78.5 | 258.2 |
2 | 螺旋切缝PELE | 163.8 | 972.4 | 77.4 | 296.8 |
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