賀金金1，梁增友1，任 凱1，梁福地1，苗春壯2，劉 洋3
(1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.晉西工業集團有限公司防務裝備研究院，太原 030041；3 北方信息控制研究院集團有限公司，南京 210000)
摘要：分別以直徑為2.6 mm、2.8 mm的鎢球和邊長3 mm的鎢塊為研究對象，設計了鎢破片對警用防彈衣的毀傷試驗，得出了各小尺寸破片對Ⅲ級警用防彈衣的彈道極限。通過數值模擬，在戰鬥部結構、尺寸不變的條件下，改變預製破片的類型，對40 mm多功能戰鬥部進行仿真計算。分析了不同小尺寸破片戰鬥部起爆後，破片空間分布以及在8 m處松木的上靶情況和速度衰減情況。研究結果對單兵防護和小口徑反步兵武器的研製具有指導作用。
關鍵詞：小尺寸破片；防彈衣；彈道極限；數值模擬
現代戰爭中，步兵的作戰目標不僅有敵軍有生力量，還要面對運兵車、指揮車等一系列高價值輕型裝甲目標，因此對兼具破甲、殺爆於一體的小口徑單兵多功能戰鬥部的威力提出了更高的要求[1-3]。為此，國內外專家進行了大量的研究。王軒等[4]通過仿真模擬和槍擊試驗，研究了不同強度的鋁合金靶板對不同著靶姿態下的立方體破片的防護性能；Pankaj等[5]通過數值模擬方法，研究了裝藥量和長徑比對破片初速、飛散角的影響。以上研究均採用大尺寸破為研究對象，關於單兵防護裝備對小尺寸破片的防護能力，以及小尺寸破片在小口徑單兵武器上的應用，國內外少有研究。
本文通過試驗方法，研究了φ2.6 mm、φ2.8 mm鎢球和 3 mm 立方塊鎢塊對Ⅲ級防彈衣的彈道極限。並通過數值模擬，在戰鬥部尺寸、結構不變的條件下，採用φ2.6 mm、φ2.8 mm鎢球和3 mm立方塊鎢塊三種預製破片，對40 mm多功能戰鬥部進行了仿真計算，對比了不同小尺寸破片在戰鬥部起爆後在8 m處的上靶情況和速度衰減情況，希望對單兵武器戰鬥部設計及應用提供指導。
1 試驗本次試驗靶板採用Ⅲ級警用防彈衣，材料為凱夫拉；發射裝置使用口徑為12.7 mm的滑膛彈道槍；測速裝置為NGL202-Z型六通道測速儀。試驗場地及裝置布置如圖1所示。
圖1 試驗裝置及布置圖
各類型試驗各進行6發彈道槍試驗，試驗數據見表1。彈道極限[6-8]V50為最小穿透速度和最大嵌入速度的平均值，所以我們計算得出對於Ⅲ級防彈衣靶板φ2.6 mm鎢球的彈道極限為720.1 m/s，φ2.8 mm鎢球的彈道極限為703.1 m/s，3 mm鎢塊的彈道極限為499.6 m/s。
表1 侵徹防彈衣試驗數據
2 數值模擬所設計的多功能戰鬥部如圖2所示，由炸藥、藥型罩、預製破片、殼體組成，藥型罩採用偏心亞半球罩，戰鬥部直徑為40 mm。使用TrueGrid軟體建立有限元模型,模型採用8節點實體單元Solid164，並使用LS-DYNA軟體進行計算[9]。
圖2 不同方案戰鬥部仿真模型示意圖
本次仿真計算擬對比3種不同預製破片類型對破片速度和飛散角的影響，故戰鬥部尺寸、結構不變只改變破片類型，裝藥質量為118 g，藥型罩質量為21 g，戰鬥部質心離地高度為1.5 m。φ2.6 mm鎢球方案，每層排列40枚，共15層破片，總計600枚，鎢球總質量為94.2 g；φ2.8 mm鎢球方案，每層排列38枚，共14層破片，總計532枚，鎢球總質量為104.8 g；3 mm鎢塊方案，每層排列34枚，共12層破片，總計408枚，鎢塊總質量為188.5 g。
2.2 材料參數藥型罩材料為紫銅，狀態方程為Gruneisen形式；炸藥材料為8701，狀態方程為JWL形式；破片的材料採用93W，材料類型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，材料參數[10]見表2～表4所示。表2～表4中R0為密度，G為剪切模量，A為靜態屈服應力，B為應變硬化模量，N為應變硬化指數，C為應變率係數，M為熱軟化指數。JWL狀態方程參數見表5。
表2 紫銅藥型罩材料參數
表3 8701炸藥材料參數
表4 鎢合金的材料參數
表5 JWL狀態方程參數
表5 鎢塊12 m處存速及殺傷比動能
仿真結果如圖3～圖4所示，主裝藥起爆後，爆轟波壓垮藥型罩形成杆式射流，預製破片由於受到主裝藥爆轟產物的強烈衝擊，破片沿戰鬥部的徑向方向向外擴張、飛散。主裝藥的爆轟作用結束後，破片繼續沿戰鬥部的徑向方向在空氣中飛散，隨著飛行距離增大，速度不斷衰減。
圖3 射流以及預製破片速度雲圖
圖4 預製破片速度雲圖
根據仿真結果，對仿真數據進行處理，得出不同類型預製破片多功能戰鬥在裝藥起爆後5 ms的空間分布圖和破片在8 mm處扇形靶分布圖。當t=5 ms時，由破片空間分布圖5可知，φ=2.6 mm鎢球方案破片空間分布要優於φ=2.8 mm鎢球和3 mm鎢塊方案，破片主要集中於0.5～1.5 m且破片速度較高，1.5～2.0 m空間範圍有少量破片且破片速度較低。由破片在8 mm處扇形靶分布圖可知，3種方案破片均主要集中於1～1.5 m扇形靶上，φ=2.6 mm鎢球方案有少量破片分布於1.5～2.75 m。
圖5 3種方案破片場分布和上靶情況圖
由仿真結果得出3種破片方案的破片初速，根據破片初速衰減公式：
其中：x為破片飛行距離；ρa為當地空氣密度；CD為氣動阻力係數；S為破片迎風面積。利用破片的速度衰減特性參數，對破片的速度衰減進行了理論計算，計算結果如圖6～圖8所示。
圖6 φ2.6 mm鎢球方案破片速度衰減曲線
圖7 φ2.8 mm鎢球方案破片速度衰曲線
圖8 3 mm鎢塊方案破片速度衰減曲線
殺傷標準[11]指出：擊穿動能需要78.4 J，但由於破片形狀複雜，且飛行過程旋轉，導致破片與目標是隨機撞擊，故用比動能來衡量其殺傷效應更為確切。有實驗得到，穿透皮膚的最小著速(彈道極限)為50 m/s,侵入肌體2～3 cm，所需彈道極限在70 m/s以上，在慣用的殺傷標準中，對人員一般取比動能為160 J/cm2，擦傷皮膚的最小比動能為9.8 J/cm2。根據計算得出φ2.6 mm鎢球、φ2.8 mm鎢球和3 mm鎢塊方案對穿有Ⅲ級防彈衣的人體目標的有效殺傷速度最小值分別為791.52 m/s、771.10 m/s、585.70 m/s。
結合表5和圖6～圖7可以看出，φ2.6 mm鎢球和φ2.8 mm鎢球方案在8 m處的存速均大於穿有Ⅲ級防彈衣的人體目標的最小有效殺傷速度，3 mm鎢塊方案有1層破片不能滿足要求。
4 結論1) 通過彈道槍試驗，得出了φ2.6 mm鎢球、φ2.8 mm鎢球、3 mm鎢塊對制式軍用防彈衣的彈道極限分別為720.1 m/s、703.1 m/s、499.6 m/s。
2) 通過仿真計算可以得出，φ2.6 mm鎢球和φ2.8 mm鎢球方案在8 m處的存速均大於穿有Ⅲ級防彈衣的人體目標的有效殺傷速度最小值，3 mm鎢塊方案有1層破片不能滿足要求。
3) 根據仿真結果我們可以得出，在裝藥結構基本不變的情況下，φ2.6 mm鎢球方案戰鬥部質量均小於φ28 mm鎢球和3 mm鎢塊方案，破片數量、8 m處存速、破片場分布以及上靶情況均優於φ28 mm鎢球和3 mm鎢塊方案。