攻角影響戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬分析*

張學(xué)倫，皮愛國(guó)，劉宗偉，毛 川

（1重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402760;2北京理工大學(xué)，北京 100081）

圖1 彈體著靶姿態(tài)示意圖

0 引言

目前，鉆地戰(zhàn)斗部對(duì)混凝土類硬目標(biāo)侵徹效應(yīng)的試驗(yàn)及理論研究大多局限于正侵徹［1－5］，對(duì)有初始攻角時(shí)侵徹效應(yīng)的研究還不夠系統(tǒng)和深入［6－7］。然而，由于導(dǎo)彈制導(dǎo)的調(diào)姿作用，以及彈體飛行的不穩(wěn)定性，戰(zhàn)斗部在侵徹目標(biāo)時(shí)彈軸與速度方向V通常都存在如圖1所示的夾角（即初始攻角），這是單一動(dòng)能戰(zhàn)斗部和隨進(jìn)戰(zhàn)斗部工程設(shè)計(jì)時(shí)必須要分析和解決的問題。文中利用LS-DYNA 3D有限元程序，分析了初始攻角對(duì)戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)的影響。

1 數(shù)值模擬方法

戰(zhàn)斗部侵徹混凝土的二分之一仿真模型如圖2所示，其中圖2（a）用于模擬和分析初始攻角對(duì)單一動(dòng)能戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)的影響，圖2（b）在混凝土內(nèi)部沿彈軸方向預(yù)設(shè)了孔徑為0.5倍彈徑的通孔，用于模擬和分析初始攻角對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)的影響。圖2（a）的靶標(biāo)厚度為100cm，圖2（b）的靶標(biāo)厚度為200cm，戰(zhàn)斗部的侵徹速度均為240m/s?；炷涟袠?biāo)、戰(zhàn)斗部殼體、裝填炸藥等網(wǎng)格均采用拉格朗日算法，殼體和混凝土采用侵蝕接觸，殼體采用Johnson-Cook模型，裝填物采用彈性模型，混凝土采用JHC模型。殼體材料參數(shù)列于表1，單一動(dòng)能戰(zhàn)斗部的混凝土材料參數(shù)見文獻(xiàn)［8］，隨進(jìn)侵徹戰(zhàn)斗部的預(yù)損傷混凝土材料參數(shù)見文獻(xiàn)［9］。

圖2 仿真模型

表1 戰(zhàn)斗部殼體材料參數(shù) 單位:cm-g-μs

2 攻角對(duì)單一動(dòng)能侵徹戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)影響

圖3 0°時(shí)侵徹速度時(shí)間歷程曲線

圖4 3°時(shí)侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 攻角為0°

初始攻角為0°時(shí)，速度方向和彈軸方向均垂直靶面（即正侵徹）的侵徹速度時(shí)間歷程曲線如圖3所示，戰(zhàn)斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標(biāo)后，剩余速度約 75m/s，剩余動(dòng)能為10%。

2.2 攻角為3°

戰(zhàn)斗部速度方向垂直靶面，攻角為3°時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示。戰(zhàn)斗部以3°攻角在侵徹混凝土靶標(biāo)的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，但彈道偏轉(zhuǎn)逐漸增大，然后因偏轉(zhuǎn)力矩的存在，導(dǎo)致新的攻角產(chǎn)生和彈道偏轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)變。戰(zhàn)斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標(biāo)后的剩余速度為54m/s，剩余動(dòng)能為初始動(dòng)能的約5%，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約5%。

2.3 攻角為9°

戰(zhàn)斗部速度方向垂直靶面，攻角為9°時(shí)的仿真結(jié)果如圖5所示。戰(zhàn)斗部以9°攻角侵徹混凝土靶標(biāo)的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸0，但彈道偏轉(zhuǎn)逐漸增大，然后因偏轉(zhuǎn)力矩的存在，導(dǎo)致新的攻角產(chǎn)生和彈道偏轉(zhuǎn)方向的改變。戰(zhàn)斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標(biāo)后的剩余速度為27m/s，剩余動(dòng)能為初始動(dòng)能的約1.3%，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約8.7%。

3 攻角對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)影響

圖5 9°時(shí)侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 0°時(shí)隨進(jìn)侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 攻角為0°

攻角為0°時(shí)，前級(jí)侵孔中心線與后級(jí)彈體軸線及速度方向一致時(shí)（即正侵徹）的仿真結(jié)果如圖6所示。由于預(yù)侵孔混凝土的不均勻性，后級(jí)彈體以 0°攻角侵徹有預(yù)置孔的混凝土靶標(biāo)的過程中仍然發(fā)生了輕微的彈道偏轉(zhuǎn)，戰(zhàn)斗部的侵徹深度為1.6m。

3.2 攻角為3°

預(yù)置侵孔軸線與彈體軸線方向一致、攻角為3°、彈著靶點(diǎn)距離孔洞中心設(shè)置2.9cm（考慮前級(jí)戰(zhàn)斗部炸高的影響）時(shí)的仿真結(jié)果如圖7所示。后級(jí)彈體在侵徹有預(yù)置侵孔混凝土靶標(biāo)的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，然后因偏轉(zhuǎn)力矩的存在，導(dǎo)致新的攻角產(chǎn)生。由侵徹彈體的軌跡線可知，因彈體兩側(cè)的阻力存在差異，使彈體在侵徹過程中發(fā)生多次彈道偏轉(zhuǎn)。后級(jí)彈體的隨進(jìn)侵徹深度為1.48m，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約7%。

圖7 3°時(shí)隨進(jìn)侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果

3.3 攻角為9°

侵徹孔中心線與彈體軸線方向一致、攻角為9°、彈著靶點(diǎn)距離孔洞中心8.7cm時(shí)的仿真結(jié)果如圖8所示。后級(jí)彈體以9°攻角在侵徹有預(yù)置孔混凝土靶標(biāo)的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，但由于大攻角情況下的不對(duì)稱載荷和偏轉(zhuǎn)力矩過大，使彈道很快發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致后級(jí)彈體在橫向侵徹時(shí)消耗了大量的動(dòng)能，大大降低了其隨進(jìn)能力，彈體的隨進(jìn)侵徹深度僅為1.12m，比0°攻角情況降低了約30%。

圖8 3°時(shí)隨進(jìn)侵徹效應(yīng)數(shù)值模擬

4 結(jié)論

利用LS-DYNA 3D非線性動(dòng)力學(xué)仿真軟件，采用二分之一仿真模型分析了初始攻角對(duì)單一動(dòng)能侵徹戰(zhàn)斗部及隨進(jìn)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹效應(yīng)的影響。主要結(jié)論有:

1）初始攻角會(huì)使單一動(dòng)能侵徹戰(zhàn)斗部在侵徹過程中的橫向載荷不再對(duì)稱，從而導(dǎo)致彈道發(fā)生偏轉(zhuǎn)，降低其終點(diǎn)侵徹效應(yīng)。當(dāng)攻角為3°時(shí)，侵徹效應(yīng)降低約5%;當(dāng)攻角為9°時(shí)，侵徹效應(yīng)降低約8.7%。

2）初始攻角會(huì)使隨進(jìn)侵徹戰(zhàn)斗部的后級(jí)隨進(jìn)彈體在侵徹過程中的橫向載荷不再對(duì)稱，從而導(dǎo)致彈道較大偏轉(zhuǎn)，降低其侵徹效應(yīng)。初始攻角對(duì)隨進(jìn)戰(zhàn)斗部終點(diǎn)侵徹效應(yīng)影響相對(duì)更大，當(dāng)攻角為3°時(shí)，隨進(jìn)侵徹效應(yīng)降低約7%;當(dāng)攻角為9°時(shí)，隨進(jìn)侵徹效應(yīng)降低約30%。

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