复合杆式单弹体结构参数对侵彻装甲的影响

绪论1.1背景穿甲弹是一种能够依靠装甲或炸药弹丸自身高速低空飞行时所能够具有的强大的机动能力来进行装甲撞击或者摧毁装甲攻击目标的一种杀伤性攻击弹药。具有初始速度高，直射距离精度大和射击距离精度高的穿甲装甲特点，是当前坦克炮和大中型反坦克炮的主装穿甲弹种，也被认为可以直接配备于较大型的舰炮、海岸炮、高射炮和大中型航空母舰上的机关反坦克炮。穿甲弹在穿甲产生辐射作用的过程中，弹丸会对主体发生镦粗、破裂、和侵蚀的各种变形和破坏，当穿甲被目标主体穿透后，穿甲弹可以利用弹丸的直接爆炸产生辐射作用，或通过弹丸残体及其他穿甲弹、板破片的直接相互撞击产生辐射作用，或由其引燃、引爆后所产生的二次辐射效应，杀伤和破坏目标内的各种有生力量和各种辅助设备。随着现代装甲科技的不断发展，装甲技术不断从均质反应装甲，间隙反应装甲，屏蔽反应装甲，复合装甲，反应装甲,贫铀反应装甲，模块反应装甲逐步发展到各种附加装甲和各种辅助设施加强目标主体的装甲，反穿甲能力大幅度提高,穿甲弹的发展面临着前所未有的机遇和挑战。提升了穿甲弹丸的威力和穿甲发射性能的最主要提升途径之一就是提高穿甲弹丸的杆体长径比与初速。当前，穿甲弹弹芯的材料主要是采用了钨、铀等合金，材料的极限密度和提升的空间几乎已经完全达到了极限。此外,杆体的长度和穿甲弹丸初速的极限密度提高还直接受到了发射平台的制约。为增加杆长的同时不致弹丸的质量增加太多,大长径比的技术被广泛地研究和采用目前，穿甲弹杆体的穿甲长径比技术投入最高已经达到超过30。长径比的不断提高和增加同时也导致了两个新的技术问题出现：一个问题是穿甲弹体的横向抗弯刚度和弹体横向弯曲的振动固有频率的降低，导致弹体在发射的过程中会迅速产生较高强度横向弯曲的振动，并且在穿甲弹体的飞行中由于强大的外力作用，弹体本身的结构会迅速发生变形；二个问题是穿甲弹体在高速碰击目标穿甲时,杆体的强度对着目标靶角特别敏感，在斜侵彻条件下，其穿甲发射效果很不稳定，经常随机地将弹体折断成数节，达不到理想的穿甲发射效果。为有效率地克服因杆杆整体太长或过细长而与径比而运动引起的受力缺陷，增强大小细长径和对比杆体的纵向运动受力刚度和作用强度，提高其在复杂侵彻时的复杂侵彻腐蚀能力和杆体弹芯的使用可靠性，组合杆体弹芯和特殊结构杆体的复合概念被我们首次明确提出了起来。所谓的复合杆式弹体体结构就是指在特大弹芯长径比，内外弹芯采用不同密度的材料弹芯组合而成的组合杆式弹，如钨合金、铀合金材料等，形成了复合杆体的基本结构，其中弹杆的总长径比可达40以上。本文深入探讨研究这种复合杆式弹结构对装甲靶板的穿甲效果的影响，对如何进一步提高杆体的比动能、增强杆体的穿甲抗弯攻击能力和复杂结构物体受到侵彻时的穿甲攻击防护作用能力，具有很一定的学术借鉴意义和重要实际意义。随着新材料技术、新结构材料和制造工艺、新一代复合材料和新结构技术对杆体结构的技术深入开展综合应用研究和广泛应用，复合结构杆式弹体的大长径比和新结构技术将逐步地有效克服这一技术发展瓶颈，穿甲弹的侵彻能力将进一步发展得到质的重大飞跃，继续努力始终保持在当代我国军事反装甲攻击领域的重要技术应用领先地位。1.2杆式穿甲弹的国内外研究现状从目前的杆式线膛炮穿甲弹的应用发展和现状上来看，目前市场上存在着滑膛炮穿甲弹发射的和线膛炮穿甲弹发射的两种新型杆式穿甲弹。虽然这两种新型杆式线膛炮穿甲弹配用的新型火炮弹体类型不同，但它们的飞行稳定和移动方式相同(均以尾翼稳定)，结构也大致与火炮相仿，都应该是由相同的飞行弹体和相同的弹托两大主要组成部分的结构所组成。同时，长杆式弹的产生和发展也离不开装甲陶瓷靶板的不断技术革新，通过实验研究了装甲陶瓷的一般弹道侵蚀性能，进行了一系列的陶瓷侵彻效率和深度的试验。在一系列的实验研究结果的基础上，提出了一种经过改进的微分效率陶瓷侵蚀因子(def)，证明了一般装甲陶瓷弹道侵蚀效率的指数与装甲陶瓷的厚度指数无关。同时通过研究长杆弹与陶瓷厚瓦装甲的相互作用证实了显著的影响装甲陶瓷的一般弹道侵蚀性能的关键因素，特别是装甲陶瓷的密度、内耗和陶瓷的抗压强度。采用弹芯敷值模拟技术研究了由3种不同的截面和形状的长杆弹在钨芯外包覆一层钢,形成的钢包覆层直接复合了长杆弹在同一入射选度范围为1200m/s~1700m/s时对于陶瓷/玻璃等金属复合弹芯和靶板的直接侵彻过程。果研究表明：对于同一长杆弹的入射速度、相同弹体的长度、同种所用材料的弹芯和包覆层以及金属复合靶板所用材料而言，等面积的六边形截面钨芯复合长杆弹的侵彻深度明显地要大于圆形及外接正方形的截面，方形及六边形面与和它们一样的等外接圆直径形成的外接圆形截面钨芯复合长杆洋弹体侵彻的深度没有明显的差别，研究结果认为与不同的截面和类型钨芯的外接正方形圆直径直接侵彻相关。六边形截面钨芯复合长杆弹侵彻过程中的弹芯自锐化现厚是其它弹体侵彻的深度明显大于其它两种所用材料弹体的主要直接侵彻原因。在有效地保证长杆弹侵彻的过程中弹芯不弯曲变形的基本前提下，尽量地提高了弹芯的长径比侵彻和着靶的速度，这样才能有效地提高长杆弹侵彻的效果。外接圆形圆形弹芯截面侵彻效果相对于正方形和三角形弹芯截面的复合杆体更为稳定。国内研究表明，增大弹体的长径比对提高长杆弹的威力有非常显著的效果，但弹体过于细可能会引起自激振荡，在膛内发射时出现强度不足及炮口扰动过大等问题。这种尾翼稳定的长杆弹在膛外飞行时发生的气动振动，不但会增大气动阻力，而且会恶化射击密集度，着靶穿甲时，其穿甲深度也不稳定。此外，这种长杆弹在穿甲过程中与主装甲作用后，经常随机地断成数节，难以达到理论上应有的穿甲威力。为了克服弹体细长引起强度和刚度的不足以及稳定性问题，目前最有效的措施是在钨合金弹芯外包覆一层低密度、高杨氏模量的材料，形成复合长杆弹。国外的某些实验研究表明，这种复合结构在穿甲过程中（包括对单层大厚度均质装甲、多层靶和复合装甲）很少断裂能够保持后续的穿甲能力。H.F.Lehr,E[19]对应用铝合金材料与复合材料CFRP护套的复合杆体进行了射击实验，比较分析了不同护套材料对侵彻的影响；BrettR.Sorensen[19]建立了复合杆体与无限靶板的侵彻模型，并进行了仿真分析；BradPedersen[20]对复合结构杆体高速（大于2.2km/s)侵彻钢质花板（RHA）的现象具体做了分析与国外相比，国内在该领域的研究则较少。杨雄源对不同护套材料侵彻钢质靶板的现象进行了研究，并总结出密度较低的护套材料侵彻效果较好。1.2.1杆式穿甲弹概述本文所述主要研究的穿甲弹是一种复合长杆式的穿甲弹，以圆柱体代表弹体，其对均质厚度等于装甲弹坑和着靶板的穿甲弹坑深度p的计算公式可简化表示为(上述公式依据装甲弹坑的容积与着靶动能之间成正比力关系的推导可以得出)：（1.1）式中：K为考虑其他多种因素的符合系数；为弹体长度；为弹体材料密度；为弹体的着速；为比动能，及弹体的单位横截面积所具有的动能。1.2.2杆式穿甲弹结构特点长杆式尾翼稳定超速脱壳穿甲弹,或者通常简称为长杆式超速脱壳穿甲弹，由于长杆式尾翼稳定超速脱壳穿甲弹的稳定弹长不受飞行稳定性的限制，通常会在飞行上做的很长。杆式超速脱壳穿甲弹由弹丸和装药部分共同组成，弹丸由其飞行稳定部分和脱落部分组成脱落稳定部分由其弹托、弹带、密封件等部分组成，杆式超速脱壳穿甲弹的典型设计和结构如图1.1所示。图1.1杆式穿甲弹的经典结构1.3本文研究主要内容1.3.1研究内容本文主要研究复合杆式穿甲弹侵彻装甲靶板，对不同密度的弹芯材料进行复合，增强复合杆式弹体的结构自锐现象，减少不利因素，提高穿甲弹的侵彻能力。建立复合杆式弹体侵彻装甲靶板的有限元模型；利用ANSYS/LS-DYNA模块对穿甲效应进行数值分析；采用不同材料为弹芯，改变弹丸结构参数，对比不同方案，得出结论。1.3.2研究方法对于高速弹体碰撞的穿甲问题,主要对其高速弹体在撞击的过程中弹体的运动轨迹及穿甲效果的影响进行了分析。穿甲射击的问题过于复杂,涉及到了弹性力学、断裂力学、应力波等多个基础学科知识。对于穿甲射击理论上的弹性力学研究,须通过复杂的检验模型法(半经验法)、分析模型法和复杂的数值模拟三种。数值模拟计算是目前对于穿甲效果研究的主要方式。从离散连续介质力学基本方法，通过现有技术模拟弹丸侵彻装甲靶板的全过程，是研究穿甲机理的重要方法。本文方法上的创新点在于使用ANSYS/LS-DYNA新增的显示动力学模块对复合杆式弹对装甲靶板穿甲效应进行模拟仿真。1.4本章小结本章简要介绍了复合杆式弹的发展以及目前国内外的研究现状，说明了杆式弹在研究领域的重要性；其次，对于杆式穿甲弹理论依据和结构特点作出了简单阐释，为进一步了解杆式穿甲弹的提供依据。对于本文对复合杆式穿甲弹的研究主要采用ANSYS/LS-DYNA新增的显示动力学模块对弹丸侵彻靶板进行模拟仿真，概述了针对复合杆式弹侵彻装甲靶板研究的主要内容，为进一步开展理论研究提供了方向和方法。2穿甲弹侵彻过程及数值模拟方法2.1弹丸侵彻靶板的过程图2.1是复合杆式弹体在高速状态下垂直撞击装甲靶板的侵彻过程，t为侵彻时间，可以看出t=0到t=6us为开坑阶段，形成两倍左右的弹坑，头部形成“蘑菇头”，在接触靶板的瞬间压力骤升，杆体由于压力的作用逐渐减短，直到接触压力降到弹体的屈服强度，弹体长度保持一段时间不变，进入刚性侵彻阶段；随着弹丸的侵彻，弹芯逐渐被侵蚀，t=41us后内外弹芯相对分离，弹芯发生碎裂，侵彻深度逐渐减缓，直到达到最大侵彻深度。t=7ust=15ust=20ust=32ust=41us图2.1是复合杆式弹体在高速状态下垂直撞击装甲靶板的侵彻过程2.1.1ANSYS软件的功能简介使用显示求解软件该程序主要是一个对显示材料进行求解的软件，可以很好地解决高度非线性材料结构的动力平衡问题。该显示求解程序主要可用于模拟非线性板料的成形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料的性能以及多变形物体的接触分析，它们都可以直接加入第一类显示求解软件的包中单独运行，也就是它可以单独在包中运行。前后实体处理的综合功能该软件应用程序目前已经具有所有的基于ANSYS/LS-DYNA的前后综合处理软件功能，具体内容包括:图形实体处理建模、网格处理剖面划分、加载、边界处理条件、等值点和线段的显示、计算分析结果和性能评价以及图形绘图和绘制动画，但目前没有任何图形求解和数值计算等其他功能。常用的土木工程专用分析设计ANSYS的软件包土木工程分析设计专用软件软件包主要用来深入研究建筑钢结构、钢筋混凝土及其他岩土工程主体结构的基本特性,如研究房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的主体受力、变形、稳定性及对地震响应等的情况，从力学计算、组合分析及规范验算与分析设计提出了全面的分析设计解决方案，为从事土木建筑及其他岩土领域的工程师从业人员提供了功能强大且方便易用的土木工程分析设计解决手段。2.1.2显示动力学时间积分穿甲弹的侵彻冲击是一个瞬时产生冲击的过程，采用ANSYS显示流体动力学分析初始集成模块的方法可以得到一个较为理想的分析结果，其主要技术特点是在初始集成网格上进行分配初始集成材料、载荷、约束和初始集成条件的一种解决方式。其初始集成模块需要时间,同时在其初始集成网格的每个节点上集成单元产生运动，导致初始集成单元的载荷发生周期性形变，从而导致产生单元的体积和载荷密度的周期性变化。ANSYS显示动力学分析模块是一个显示非线性动力学有限元分析程序。显示材料动力学分析的基本方程主要是体现在lagrange坐标系中质量守恒、动量守恒、能量守恒。在这些基本的方程上需要施加相应的材料模型、边界和条件,确定其主要问题解决的方案。在lagrange方程中，网格的密度移动和扭曲对质量守恒的方程式自动地满足，任一特定时刻的网格密度守恒可以在一个现有的网格质量和密度体积的范围内被确定计算出来:通过动量守恒定律吧加速度应力相结合: （2.1） （2.2） （2.3） （2.3） （2.4） -（2.4）能量平衡方程如下： （2.5) 显示节点时间的积分主要是采用节点中心分差法,对节点上的力进行计算(根据节点内力、接触力或节点的边界条件)后,节点的加速度由分力/节点质量的方向传递: （2.6） （2.6）式中：表示节点加速度；表示作用在上的力；表示加速度，m表示节点的质量。节点的速度和位移可用下式得到： （2.7） （2.7） （2.8） （2.8）对于显示时间积分，保证收敛的临界条件时必须满足以下方程： （2.9） （2.9）式中，为系统的最高固有振动频率，由系统中最小单元的特征值方程得到。2.1.3ALE算法拉格朗日(lagrange)热力学方法多应用于对各种固体网格结构的物质应力和应变的分析,以固体的物质坐标关系为其基础,所需要描述的固体网格结构单元以“雕刻”的热力学方式被准确地划分在用于应力分析的固体结构上。方法的优点：可以精确地观察和描述有限元结构边界的运动，分析有限元结构的形状，这种变化和有限单元网格的变化基本上是完全一致的(因为发生有限元网格的节点就为有限物质网格节点)，物质点并不会在单元与有限单元之间直接发生极大值的流动,适合于没有直接发生极大值的中等变形单元网格的中等变形网格问题。方法的缺点:大变形网格易发生严重的网格畸变。尤其最突出的是在当处理大变形的问题时,由于算法本身的局限,出现了网格的畸变。欧拉(euler)分析方法多应用于对流体动力学和极大规模的变形动力学问题的研究和解决。该法以物质空间坐标关系为分析基础，这种分析方法中所划分的有限元网格和空间点所分析的材料在物质空间结构基本上是相互独立的，网格在整个材料分析的过程中始终保持最初的节点和空间坐标位置的不变，有限元网格节点即为一个具有空间坐标的节点，其材料所在物质空间的节点和位置在整个材料分析的过程中基本上是不变的,而且使材料在有限元网格中自由流动。方法的优点：算法的精度高。因为迭代算法固有的特点，网格的空间位置和网格的大小形状不变，在整个迭代数值计算和模拟的过程中，各个迭代式的模拟过程中计算网格数值的准确性和精度都是不变的。方法的缺点：由于计算的成本高，物质边界点的捕捉困难，尤其特别是在物质结构的分析中物质应变相对较小的情况时候，此方法缺点尤为突出。2.2材料模型2.2.1本构模型高速穿甲弹侵彻的过程中，穿甲弹对装甲靶板的作用区域和材料分别经历了高温、高压和高应变率的热塑性状态，以及材料的热塑性大变形流动和破碎的过程,采用Johnson-cook模型准确描述了穿甲弹与装甲靶板的热塑性动力学相互行为和材料的失效形态。该动力学模型对各种金属材料和靶板受到外力冲击变形时的热塑性函数方程可以简写为： （2.10） （2.10）式中，为等效塑性应变；为无量纲的塑性比；A为屈服应力，Pa；B为应变硬化稀释，Pa；N为应变硬化指数；C为应变率相关系数；M为温度相关系数。2.2.2失效依据断裂破坏是的应变应符合Gruneisen状态方程： （2.11） （2.11）式中，、、、、为材料参数，是压力与有效应力之比，。当破坏参数达到1时，发生失效。2.3本章小结本章主要针对如何建立复合杆体的工程力学模型问题展开，主要包括：简单阐述了穿甲弹的侵彻过程，为后文方案阐述做了必要铺垫；本文主要采用ANSYSY新增的显示动力学模块，简单介绍了软件功能及算法；简要介绍了材料模型和失效依据，为复合杆式弹在结构以及材料参数对靶板穿甲x效应的对比提供了理论依据。3复合杆式弹体垂直侵彻过程分析3.1建立复合杆式弹的侵彻模型3.1.1模型的基本假设复合杆式依靠自身的动能，对装甲靶板进行侵彻，达到开坑和扩孔的目的。由于靶板和弹丸之间的阻力，导致弹丸动能不断消耗，其弹丸侵彻过程区别于低速和高速侵彻，建立弹丸有限元模型，提出以下假设：（1）弹丸和靶板密度均匀连续，发生变形时自身密度不变；（2）不考虑重力作用，忽略靶板背面和侧边效应，认为靶板为半无限靶；（3）复合杆式弹体侵彻装甲靶板过程为绝热剪切过程；（4）不考虑靶板相对弹体运动，弹丸和靶板初始无任何载荷。3.1.2弹靶的几何模型和有限元模型对于复合长杆弹侵彻复合装甲靶板，采用圆柱形截面及方形靶板建立有限元模型，对称面施加对称边界约束，外边界约束全部自由度。复合长杆弹半径为5mm，长为110mm，弹头部为半球形状，忽略弹尾处的螺纹结构及铝合金尾翼片等结构，装甲靶板为603钢，厚度为50mm。其几何模型如3.1所示。图3.1复合杆体侵彻装甲靶板几何模型图3.2为弹丸侵彻靶板的有限元模型，一般认为，弹丸与装甲靶板接触作用约5倍弹径范围内发生塑性变形流动，对此区域进行网格过度和单元加密细化，其他大部分靶板区域发生微小或不变形，采用较为粗大的网格划分；对复合长杆式穿甲弹分为内外弹芯进行网格划分。整个计算模型中有弹芯单元4128个，靶板单元有37500个，全部采用3DSolid164六面实体单元。图3.2弹丸侵彻靶板的有限元模型3.2复合杆式弹侵彻过程分析穿甲弹侵彻靶板可大致分为开坑阶段和侵彻阶段：开坑试验阶段:头部弹体高速冲击着靶瞬间，靶板在头部弹体高速冲击的巨大应力下,靶板和头部弹体均迅速移动发生了弹壳破碎和弹体飞溅，弹丸在靶板和头部的结构形状急剧发生变化，弹体也因此发生了较大质量上的损失，靶板自由辐射材料的能量流动复杂。由于塑料碰撞造成靶板整个区域范围内应力流和波的高速传播，碰撞靶板区域内的塑料靶板自由材料以高速流和径向速度流动，靶板自由分子材料的流体表面稀疏产生效应，应力流和波的流动强度逐渐增大变弱，靶板自由分子材料的塑料在流动之后发生应力破碎和径向飞溅，靶板自由材料的塑料在径向高速流动之后发生应力挤压和径向破碎形成飞溅，靶板自由材料表面稀疏形成一个弹坑。侵彻过程：弹体着靶从达到冲击截面瞬间，冲击截面向靶内传递强度最大的塑性荷载波，此强度的塑性荷载波是达到冲击靶板背面时所产生的卸载波,当卸载波与弹体靶板材料相遇后，弹体前靶板的材料被自动卸载，产生了变形，但是弹体前材料靶板随着强度和硬度的提高，韧性和应力下降，此部分的材料在卸载波对弹体的冲击下产生相对于卸载波整体的运动，部分材料在应力比较集中的区域内运动产生了裂纹，卸载波和裂纹与弹体靶板材料相遇产生变形是塑性波侵彻弹体成塞的重要标志。3.3本章小结本章主要针对利用ANSYS建立弹丸的几何模型和有限元模型，根据ANSYS/LS-DYNA新增的显示动力学模块弹丸侵彻靶板的过程，进行模拟仿真，通过对弹丸外部条件的假设，初步得到了弹丸侵彻靶板的力学模型。其次，对弹丸侵彻靶板的过程作出了简要阐述，说明了弹丸与靶板的作用关系，以及材料参数和结构参数发生变化的过程，为下文复合杆式弹侵彻靶板的数据分析作出了铺垫。4复合杆式单弹体结构参数对侵彻装甲的影响对于复合杆式弹的侵彻能力与弹芯材料密度、屈服强度密切相关，在同种复合杆式弹中，材料密度是影响弹丸侵彻的重要因素，其密度越大，侵彻能力越强。目前常以钨合金和铀合金作为弹芯的主要材料。本文主要采用钨合金作为主要研究对象，其主要特点弹性模量大、材料刚度强，易于减少弹丸的消极质量，增加弹丸初速。4.1材料模型弹芯是穿甲弹的重要结构，弹芯的材料密度是影响穿甲效应的重要因素，目前所用的弹芯材料大多为钨合金、铀合金等复合材料。本文选取钨合金和碳化钨为主要材料作为研究，从而比较不同种材料复合对穿甲弹侵彻能力的影响。本文Jhoson-Cook模型部分参数参见下表4.1。表4.1Jhoson-Cook模型部分参数材料钨合金17.601361.500.1770.1281450碳化钨14.702540.41.6800.16141710RHA7.80086.10.790.1800.121.61520钨合金剪切与应变关系碳化钨剪切与应变关系图4.1不同材料的剪切特性曲线如上图4.1，因为钨合金和碳化钨材料的密度、硬度和屈服强度不同,其材料特性在撞击靶板产生不同的力学行为和穿甲效果，复合杆式弹对靶板的不断深入,最先接触靶板的弹体头部,在弹体前端产生一个尖锐的部分，是弹丸头部尖锐，减小弹丸和靶板的接触面积，降低了靶板对弹丸的阻力，改变了穿甲弹的侵彻效果。对于钨合金单杆穿甲弹在侵彻过程会产生“蘑菇头”现象，“蘑菇头”现象是由于钨合金穿甲弹高速侵彻装甲靶板导致弹芯头部被压扁，产生横向增塑效应。导致复合杆式穿甲弹相比穿甲效果大大降低,靶板对弹丸的阻力明显较高，削弱了弹丸的穿甲威力。这种组合结构产生的这类现象称为结构自锐。4.2复合杆式弹结构参数方案4.2.1不同长径比下的复合杆式弹侵彻深度数值分析通过ANSY/LS-DYNA模拟计算，在以钨合金和碳化钨为主要材料的复合杆式弹，改变弹丸着靶速度及弹丸长径比（L/D为弹丸长径比，L为弹丸杆长，D为弹丸直径），得到不同的侵彻弹道深度，其复合方式以内弹芯为碳化钨，外弹芯为钨合金组合杆式弹为例，选取弹丸直径1mm，杆长分别为10mm、15mm、20mm靶板厚度为20mm，40mm，50mm其图示见4.2，通过数据收集、整理得到以下的表4.2弹丸侵彻深度：图4.2复合杆式弹表4.2不同长径比下的复合杆式弹侵彻深度数值以碳化钨为内弹芯，钨合金为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500L/D=1011.912.613.213.9L/D=1525.827.028.229.3L/D=2041.343.244.146.2（b）以钨合金为内弹芯，碳化钨为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500L/D=1011.512.212.913.6L/D=1524.626.227.928.8L/D=2040.242.143.645.7（c）以钨合金为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500L/D=1013.114.114.815.5L/D=1527.829.831.632.6L/D=2042.544.345.548.7（d）以碳化钨为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500L/D=1010.210.911.612.0L/D=1522.123.424.625.7L/D=2039.941.242.843.9以碳化钨为内弹芯，钨合金为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）（2）以钨合金为内弹芯，碳化钨为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）（3）以钨合金为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）（4）以碳化钨为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）图4.3不同长径比下的复合杆式弹侵彻深度数值从上图4.2（1）~（4）t=50us弹丸的侵彻深度可以看出，不同长径比的复合杆式弹一不同速度侵彻靶板的变化趋势是一致的。随着长径比的增大，侵彻靶板的深度也随之增加。同一长径比的复合杆式弹在对靶板的侵彻深度随着速度的增大而增大，但不同复合方案的长杆式弹侵彻深度显示出很大的区别。由此看出长径比越大，复合杆体的侵彻能力越大；材料密度越大，弹丸侵彻能力越强。图4.4为弹丸在此种变量条件下从开坑到侵彻的过程图。t=9ust=25ust=44ust=68ust=81ust=122us图4.4为弹丸在不同长径比下从开坑到侵彻的过程4.2.2不同内外弹芯比值的复合杆式弹侵彻深度数值分析在长径比L/D=10，靶板厚度相同的条件下复合杆式弹，改变内外弹芯厚度比R1/R2的值，分别采用0.2mm/0.2mm、0.3mm/0.2mm、0.4mm/0.2mm为不同弹芯厚度的复合杆式弹，以不同的撞击速度侵彻30mm厚的装甲靶板的情况如下：表4.3不同内外弹芯比的复合杆式弹侵彻深度数值以碳化钨为内弹芯，钨合金为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500R1/R2=17.437.908.328.67R1/R2=1.511.912.613.213.9R1/R2=216.517.318.118.5以钨合金为内弹芯，碳化钨为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500R1/R2=16.587.087.477.98R1/R2=1.511.512.212.913.6R1/R2=217.718.919.420.5（c）以钨合金为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500R1/R2=18.098.568.909.63R1/R2=1.513.114.114.815.5R1/R2=219.720.921.922.6（d）以碳化钨为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）速度m/s1200130014001500R1/R2=16.106.486.797.19R1/R2=1.510.210.911.612.0R1/R2=215.016.016.617.0以碳化钨为内弹芯，钨合金为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）（2）以钨合金为内弹芯，碳化钨为外弹芯的复合杆式弹的侵彻深度（mm）（3）以钨合金为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）（4）以碳化钨为弹芯的单杆式弹的侵彻深度（mm）图4.5不同内外弹芯比的复合杆式弹侵彻深度数值由图上可知，弹丸的内外弹芯比越大，其侵彻能力越大，理论上弹丸外弹芯在侵彻过程中起到扩孔的作用，内弹芯在外弹芯的基础上继续侵蚀靶板，其弹丸的材料性能也决定穿甲弹的侵彻威力，本方案中钨合金因易发生绝热剪切效应和结构自锐，而产生利于穿甲的侵彻结构，本文的数据在对比中也充分展现出钨合金在穿甲效果的优越性，但是钨合金在穿甲过程中会产生“蘑菇头”现象，增大了穿甲弹侵彻靶板的阻力。对于复合杆式弹可以同时在结构和材料上弥补弹丸产生的不利因素，增加弹丸威力，提高弹丸侵彻深度。t=6ust=36ust=66ust=87ust=105ust=136us图4.6为弹丸在不同弹芯比下从开坑到侵彻的过程4.3本章小结本章主要针对复合杆式弹体在不同结构参数及材料参数下的侵彻情况进行研究，具体内容包括：简述了复合杆式弹体的侵彻靶板的材料模型、几何模型以及有限元模型。复合杆式弹体在高温高压条件下，弹靶材料和结构发生破坏和形变，在侵彻过程发生热变形和受力约束。弹丸材料性能和结构参数对侵彻效果有着至关重要的影响。（2）对不同种复合方案的杆式弹体进行模拟穿甲，针对仿真模型的穿甲效应进行研究。在同样的几何模型下，改变弹丸长径比，选取不同的四种材料复合方案，对弹丸的穿甲效应进行分析比对，得出普遍规律，弹丸的长径比愈大，其穿甲效果越明显；在材料选择方面，以钨合金为弹芯的复合杆式弹最为突出，充分表现出其材料特性以及复合杆式穿甲弹的优越性能，对于穿甲弹内外弹芯厚度则表现出内弹芯越厚，侵彻威力越强。由于本人认知尚浅，对复合杆式弹体以及弹丸的穿甲效应需结合理论，并在实践中充分检验钨合金、碳化钨的材料性能，应对钨合金在侵彻过程中产生“蘑菇头”的现象。5总结与展望5.1总结本文主要结论来源于ANSYS/LS-DYNA软件，是基于CAE技术中的软件中的显示动力学模块进行研究，针对复合杆式弹体的对装甲靶板侵彻过程进行研究，其主要方面在仿真过程中改变入、弹丸初速，长径比以及材料复合的参数对穿甲效果的影响，根据结果数据得到穿甲效果的变化趋势，得出主要结论。本文最突出的地方在于将仿真软件Ansys中新增显式动力学模块AnsysExplicitDynamic应用到军工领域——穿甲弹的侵彻过程，并对其进行了数据分析：在前人研究的穿甲弹垂直侵彻的基础上对比分析了复合杆式穿甲弹材料选取的优化，并着重研究了不同复合材料对侵彻效果的影响。根据本论文的数据，与单杆长杆弹相比，复合杆式弹弹主要特点如下：复合杆式单在垂直侵彻靶板时，在侵彻靶板时内外弹芯材料差异影响较弱，在改变内外弹芯为同种材料时，其差异性较为突出，复合杆式弹相比侵彻效果较差，侵彻深度随速度的增加，效果差异性越明显，穿甲威力明显降低。由于本文仿真计算量较大，在研究复合杆体侵彻弹靶的过程中，均基于ANSYS显示动力学模块的基础上完成的。仿真过程做出大量假设，并对弹靶模型简化，其数据与实验数据存在差异，其可靠性需大量试验证明。只有通过实验与仿真，理论与实践相结合，反复修改弹靶模型，使其仿真数据更接近真实性，最终得以实现以上假设。5.2展望随着新技术的发展，对于复合杆式弹结构材料的更新，装甲靶板的变化，不同形式的穿甲机理，以及新工艺和新结构的多种运用，增强杆式弹体侵彻效果，提高弹丸的穿甲威力，稳固复合杆式穿甲弹在穿甲方面的首要位置，由此对复合杆式弹的研究必不可少，以下为复合杆式弹的发展方向和未来展望：(1)增强弹丸比动能，弹丸着靶比动能决定穿甲弹的侵彻能力。提高弹丸初速、减少外弹道上的速度下降量，增大弹体的长径比是提高着靶比动能的重要技术途径。而提高弹丸的动能需要改善子弹的发射机制，因此，加强对发射机制的研究可以提高穿甲弹的穿甲威力。(2)改变弹丸长径比，可以看出，在某一的着靶速度范围内，弹体长径比越大，侵彻深度越大。实际试验结果表明，在着靶速度一定时，弹丸长度越长反而对穿甲效果不利，可能会出现弹杆折断和跳弹现象，合适的长径比是解决提高弹丸威力的突破口。(3)选择合适的复合材料，当弹丸材料极限达到一定程度是，改变弹芯的材料参数，选择高杨氏模量，低密度的合金材料，主要有合金钢，铝合金，钛合金等，在同类型的杆式穿甲弹中，相应的增加弹丸初速，进而提高弹丸穿甲威力。(4)提高入侵质量，弹丸的着靶角度对穿甲能力也有很大的影响，弹丸随着着靶角度的增大穿甲威力反而变弱。目前的装甲已经开始在改变倾斜度上提高装甲防护能力，对于怎样精准穿甲，提高弹丸的穿甲威力也需要进一步的深化。致谢本论文是在我的导师王猛老师精心指导和谆谆教诲下完成的，从研究方向到论文选题的确定，从调研到最后论文的完成，都凝结了导师宝贵的心血和汗水；导师踏实严谨的治学态度、实事求是的工作作风以及牢牢把握研究领域前沿的洞察能力使我受益菲浅；导师以人为本、因人施教的教学理念和育人方针，让我终生得益。接受导师的教导、得到导师的培养是我人生中最珍贵的财富。四年充实而愉快的本科生生涯即将圆满结束，值此论文完成之际，谨向我尊敬的导师表示最衷心的感谢和最诚挚的敬意!感谢老师在论文的完成过程中，给我提出了许多建设性的意见以及无私的帮助。参考文献[1]李勇.对轴向复合杆体斜面入侵彻底性效应产生机理的深入研究[D].中国南京:2011年中国科学南京理工大学工程硕士学位课程毕业论文,2010.[2]弓永锵,王凤英,尹博等.杆式装甲垂直侵彻陶瓷复合装甲的机理[J].机械管理与开发,2011,(05):21-22.[3]宋晓欢.新型复合杆体的机械结构学和动力学及其稳定性问题分析[D].江苏南京:2011年中国科学南京理工大学附属硕士学位课程毕业论文,2008.[4]杜忠华.动能侵彻陶瓷复合装甲机理[D].南京:南京理工大学博士学位论文,2002.[5]皮利林.大长径比复合结构杆体侵彻机理的研究[D].南京:国立南京理工大学机械系硕士学位研究论文,2009.[6]武汉王竞雄,何煌,曾守义.杆式金属穿甲弹靶板侵彻射击金属杆式穿甲弹发射靶板的结构试验与其结构数值计算分析及其