基于ABAQUS的轻金属包裹式钨芯动能弹穿甲性能研究

邓怡超

摘 要： 为提高动能弹飞行时的静稳定度，用轻金属包裹的形式对光杆动能弹结构进行改进设计，优化其气动外形，再利用ABAQUS/Explict瞬态动力学分析模块，通过拉格朗日网格和基于网格面的接触技术、考虑材料的韧性损伤，对光杆动能弹和轻金属包裹式动能弹穿甲过程进行仿真，比较了两种结构的穿甲性能，验证了包裹式动能弹的可行性，最后从能量平衡的角度评估了计算结果的可靠性。

关键词： 静稳定度；动能弹；拉格朗日网格；韧性损伤

1前言

穿甲動能弹在侵彻目标之前的飞行稳定性是动能弹研究的关键问题之一，为保证动能弹飞行静稳定的同时又不影响其穿甲性能，现有的高速动能穿甲弹通常采用在弹体尾部增加稳定尾翼（如APFSDS-尾翼稳定脱壳穿甲弹[1]）来确保飞行稳定性，但此种结构对小型的动能弹来说过于复杂。本文采用轻金属包裹的方式对小型动能弹进行结构设计，从而改进其气动外形，提高动能弹飞行的静稳定度，再基于ABAQUS/Explict 穿甲仿真分析，研究了轻金属包裹式动能弹的穿甲性能。

2结构设计

考虑动能弹以1200m/s的初速度拦截目标，通过高速撞击，造成其金属外壁动态损伤，达到穿甲之目的，并以一定的剩余动能对内部结构进行破坏[2]。分别对光杆钨合金动能弹和包裹式动能弹建立结构模型，后者通过包裹一层镁合金并在尾裙段掏空的方式改变其质心位置，两种结构主要参数见表1。

从表1可看出，包裹式钨芯动能弹静稳定度较高，气动外形优于光杆钨合金动能弹，下面就其穿甲性能进行仿真分析。

3穿甲性能研究

3.1穿甲模型

由于小型动能弹相对于目标的几何尺寸较小，将目标处理为钢质平面靶板结构，厚度为50mm，弹轴向与靶板呈75°角，并考虑目标有400m/s的速度，则动能弹以1360m/s的相对速度迎击靶板，根据对称性，分析采用半模型处理。动能弹穿甲过程是作用时间极短的高度非线性过程，接触条件在剧烈变化，同时包含材料的塑性变形和损伤演化[3]，适合采用ABAQUS/Explict显式动力学计算模块进行分析，为了考虑穿甲过程中靶标和动能弹各自受到侵蚀后的单元接触，该分析采用了单元删除技术和基于网格面的接触分析技术。

材料本构采用弹塑性模型，并通过与应变率相关的韧性损伤参数（ductile damage）和剪切损伤参数（shear damage）来控制单元删除，模拟材料在高速冲击作用下的高应变率破坏现象，动能弹穿甲有限元模型如图1所示，对侵彻区域进行网格加密。

3.2结果分析

光杆动能弹穿甲有限元计算结果如图2所示，动能弹在110穿透靶板，穿甲剩余质量约为70g，剩余速度约为880m/s。

包裹式动能弹穿甲有限元计算结果如图3所示，动能弹在100us穿透靶板，穿甲剩余质量约为70g，剩余速度约为900m/s。

从图5可以看出，由于目标速度的影响，靶板上方侵彻形态为长条状孔，下方金属穿孔呈花瓣状开裂。

包裹式动能弹具有更高的初始动能和剩余动能，从图6可以看出，两条曲线近乎平行，说明轻金属壳并不影响动能弹的穿甲性能，还能提高穿甲后的剩余速度。

3.3能量平衡分析

动能弹穿甲分析模型采用的是拉格朗日线性减缩积分单元C3D8R，该单元容易出现沙漏效应[4]，导致系统能量以沙漏能的形式耗散，这部分能量是无意义的，在结果输出里以系统总伪应变能（ALLAE）的形式体现[5]，在ABAQUS中评估沙漏效应对结果的影响大小的方式是，如果伪应变能不超过系统总内能（ALLIE）的5%-10%[6]，则结果具有较高的可信度，图7是包裹式动能弹穿甲过程中系统总伪应变能和系统总内能比值曲线。

从图7可以看出，分析过程中整个模型的伪应变能不超过总内能的8%，说明该瞬态动力学分析过程中沙漏效应得到良好的控制。

根据能量守恒，系统的总能量应该是不变的，由于数值计算的舍断与积累误差该值并非常数，ABAQUS中认为系统总能量变化小于1%时[6]，计算的数值稳定的，图8是包裹式动能弹穿甲过程中总能量曲线，从图8可以看出系统总能量变化范围是102528J～102778J，系统总能量变化为0.244%，因此分析过程没有数值问题。

4结论

通过ABAQUS/Explict建立了动能弹穿甲的瞬态动力学分析模型，并对两种动能弹结构穿甲性能进行了仿真对比分析。本文研究表明，包裹式动能弹的气动外形优越，相对于光杆动能弹结构，其尾裙式结构保证质心靠前，压心靠后，能够大大提高静稳定度，从穿甲性能仿真研究来看，由于具有较高的初始动能，包裹式动能弹穿甲后具有较高的剩余速度，对目标有较高的毁伤能力。

参考文献

[1]黄振贵，陈志华，郭玉洁. 尾翼稳定脱壳穿甲弹脱壳动力学过程的三维数值模拟[J].兵工学报，2014，35（1）：9-17.

[2]魏刚. 金属动能弹变形与断裂特性及其机理研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2014.

[3]王云. 结构钢韧性损伤模型研究. 西安建筑科技大学，博士学位论文.2008.

[4]王瑁成.有限单元法[M]. 北京：清华大学出版社，2002.

[5]庄茁，张帆，岑松等.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]. 北京：科学出版社，2005.

[6]Abaqus Analysis Users Manual， Version 6.12-3， Dassault Systemes Simulia Corp.，Providence， RI.