论文精选 轻金属填充材料PELE的数值仿真研究

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李干，，李运禄，等. 　　轻金属填充材料PELE的数值仿真研究［J］.兵器装备工程学报，2016(9):54-57.

LI Gan，WANG Zhijun，LI Yunlu，et al. 　　Numerical Calculation of Light Metal Filling Material PELE［J］.Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(9):54-57.

以下文字摘编自《兵器装备工程学报》2016年9期

《轻金属填充材料PELE的数值仿真研究 》

本文作者：李干 1， 1，李运禄 1，魏波 2  

作者单位：1.中北大学 机电工程学院，太原030051； 2.海军大连舰艇学院，大连116018

 

关于弹芯材料的研究是近年来PELE比较热门的方向，其填充物主要有聚乙烯、特氟龙等为代表的塑料类，金属铝及其他轻金属等为代表的金属类，橡胶类及活性材料。本文拟利用数值模拟的方法，研究铝、镁等轻金属及其合金作为弹芯对PELE的影响，为实际研究提供一定参考。

利用显式非线性动力分析软件AUTODYN，对装填不同弹芯的PELE垂直侵彻均质装甲钢板进行了数值计算。

PELE 为理想的短圆柱杆，外径12.7 mm，内径10.16mm，后端密封部长为5mm，全长50.8 mm，填充物长45.8 mm，靶板长度与宽度均为40 mm，厚度8 mm。由于弹杆对靶板垂直侵彻具有对称性，所以建立1/4计算模型，对称面设置对称约束。计算对象为钨合金外壳装填不同填充材料的PELE垂直侵彻装甲钢靶板，着靶速度为900 m/s，计算时间为100μs。模拟过程中忽略热能损失。图1即为采用显式非线性动力分析软件AUTODYN建立的PELE垂直侵彻靶板的数值计算模型。

      图1 数值计算模型

为了能够较为全面的展示PELE侵彻靶板后的破片情况，采用SPH算法，弹丸和靶板材料参数均来自AUTODYN材料库，具体参数见表1。

表1 计算所用材料参数及模型

图2 ～图3分别是弹芯装填材料为工业纯铝、镁合金（AZ31B）、2024铝与锂镁合金弹芯时，射弹穿透靶板后t =100μs时外壳纵剖面侧视图和破片速度云图。

（a）侧视图

（b）破片速度云图

图2 弹芯装填材料为工业纯铝时弹丸侵彻靶板视图

（a）侧视图   

 （b）破片速度云图

图3 弹芯装填材料为镁合金（AZ31B）时弹丸侵彻靶板视图

从上述各图可以看出，PELE在穿透靶板后产生横向速度的破片，形成横向效应。以装填工业纯铝弹芯的侵彻体为例，在弹丸穿透靶板t =100 μs时，破片沿弹丸轴线方向的最大速度为491.68 m /s，最大横向速度达到19.71m/ s。显然，只要满足一定的质量要求，这类破片即具有一定的杀伤和破坏能力。

比较分析以上两图，还可得到如下结论：弹芯装填材料为工业纯铝、镁合金（AZ31B）和锂镁合金时，横向效应明显，其中装填有锂镁合金的弹体穿透靶板后产生的横向效应最为显著。弹丸内装填2024铝时，横向效应不明显，但是从图2(b)可以看出，破片同样具有一定的横向速度。运用AUTODYN对数值计算结果进行分析，可以绘出装填材料与破片横向速度之间的关系，如图4所示。

综合分析，弹芯材料的不同直接影响到PELE在侵彻靶板后的各项性能，因此其对PELE横向效应的发挥影响很大。通过数值模拟情况，获得了不同弹芯材料的PELE 侵彻靶板的参数，即破片最大速度、横向效应区域、残余壳体长度与靶板开口半径，如表2所示。

从表2可以看出，开孔半径方面四种弹体差别不大。在破片最大速度上，2024铝的速度最低，锂镁合金的最高，工业纯铝与镁合金介于二者之间。2024铝的残余壳体长度占原壳体长度的51.8%，远高于另外三种材料，工业纯铝与镁合金残余壳体长度相差无几。这是由于2024铝的泊松比较小且硬度较高，导致材料压缩性较差，无法产生较大的径向力，因此壳体无法撑开形成破片。虽然2024铝在横向效应区域上仅次于面积最大的锂镁合金，但破片稀疏，速度也低。

此外，从图4亦可看出，工业纯铝、镁合金（AZ31B）和2024铝三种弹芯的PELE在靶后横向速度下降均很快，尤其2024铝的降幅最高，到计算结束时（t=100μs），横向速度仅有约12m/s。因此，工业纯铝、镁合金（AZ31B）和2024铝这三种弹芯材料横向效应均比较差。

表2 不同弹芯材料PELE的结果参数

图4  各弹芯材料的破片横向速度变化

以锂镁合金为弹芯的PELE在四种材料中效果最好，不仅壳体全部破碎，而且破片最大速度和横向效应区域也比前三种都高。在图6中，破片在横向始终处于加速状态，说明在计算终止时弹芯因轴向挤压而具有的能量仍未完全释放。锂镁合金密度小（仅1.403 g/cm³）、泊松比大、硬度低，吸能性好，虽为金属但力学性质与聚乙烯等工程塑料相似，这使其可以作为PELE弹芯的重要原因。

采用AUTODYN软件对四种不同内核材料的PELE 弹丸在900m/s着速条件下侵彻8mm装甲钢靶进行了数值仿真，得到如下结论：

（1）弹芯材料硬度对PELE靶后壳体破碎情况有较大影响，弹芯材料硬度越小则壳体破碎程度越高，壳体利用率越高。

（2）在以上四种轻金属中，锂镁合金最适宜做PELE的弹芯，其密度和泊松比小，硬度低，在靶后破片速度快且壳体完全破碎。