高速動能體對飛機毀傷數(shù)值仿真

趙汝巖，盧洪義，朱 敏

(海軍航空工程學院 a.7系;b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

高速動能體為惰性破片，不含引燃成分，與目標作用后不會釋放化學能。對飛機的毀傷包括穿孔、切割、引燃和引爆幾種，對飛機作戰(zhàn)性能會產(chǎn)生影響。被高速動能體沖擊的對象，可抽象成為靶板，此類問題屬于非線性的瞬態(tài)侵徹響應(yīng)問題，目前廣泛的采用數(shù)值仿真的方式進行研究。紀霞等［1］對彈丸侵徹三層均質(zhì)靶板進行數(shù)值模擬，分析了不同彈速、不同彈重產(chǎn)生的彈丸速度及加速度的變化;劉洋［2］利用ANSYS/LS－DYNA模擬著靶速度為2.0 Ma和2.5 Ma的戰(zhàn)斗部對多層間隔靶板侵徹的過程。對于飛機、導彈之類武器裝備的毀傷研究多集中于毀傷概率的研究［3－6］。本文借助ABAQUS軟件，采用Lagrange法對高速動能體對飛機不同部件的毀傷過程進行數(shù)值仿真研究，分析對飛機造成毀傷的動能體的直徑與速度，為高速動能體對對飛機的毀傷工程應(yīng)用提供參考。

1 飛機的毀傷級別

1)KK級殺傷。飛機遭到打擊后受到的損傷會引起飛機立即解體，有時也稱之為災(zāi)難性殺傷;

2)K級殺傷。飛機遭到打擊后，30 s之內(nèi)其損傷將引起飛機失控;

3)A級殺傷。飛機遭到打擊后，5 min內(nèi)其損傷將引起飛機失控;

4)B級殺傷。飛機遭到打擊后，30 min內(nèi)其損傷將引起飛機失控;

5)C級殺傷。飛機的損傷程度使它無法完成規(guī)定任務(wù)，但尚不足以將它從編制中去掉，也叫任務(wù)放棄殺傷。

2 高速動能體對飛機的毀傷模式

2.1 高速動能體對駕駛艙的毀傷模式

高速動能體撞擊駕駛艙時，如果駕駛員頭部和軀干被擊中，認為駕駛員死亡，飛機無人控制，必然毀壞;駕駛員的左右上臂或左右下臂同時受傷，飛機無法控制，導致機毀人亡;如果大腿或小腿不管是單獨受傷或同時受傷，短時間內(nèi)可以支撐，時間長了，流血過多，駕駛員昏迷導致機毀人亡，所以大小腿4個部分同時受傷，會導致K級殺傷。

2.2 高速動能體對發(fā)動機艙的毀傷模式

發(fā)動機艙內(nèi)裝有發(fā)動機、進氣道、飛行控制機構(gòu)、彈上電源等。發(fā)動機的任何一部分遭到破壞，都會使發(fā)動機損壞。壓氣機殼體大約為15 mm硬鋁，如穿孔會使尾部噴管溫度升高、推力下降;燃燒室殼體大約為20 mm硬鋁，如穿孔會使燃燒室損傷;發(fā)動機油管損壞，會使發(fā)動機油壓不足而失靈且點燃燃油;燃油調(diào)節(jié)裝置(油泵或濾油器)損傷可能使發(fā)動機失靈;尾噴管是投影面積最大最易損壞的部件;進氣道、飛行控制機構(gòu)、彈上電源等受損也會導致KK級殺傷。

2.3 高速動能體對飛機油箱的毀傷模式

油箱被穿孔，可使油箱結(jié)構(gòu)強度降低，在飛機振動和大過載飛行中，使油箱斷裂成幾部分或?qū)е嘛w機漏油，從而使飛機全部或部分失去燃油或使燃油燃燒，對戰(zhàn)機能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被切割，可使油箱被切割成幾部分，致使飛機漏油，從而使飛機全部或部分失去燃油、燃油燃燒，對戰(zhàn)機能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被引燃，可使油箱的燃油燃燒，致使飛機燃油減少、燃燒環(huán)境處的飛機零部件和電氣元件等被燒毀，從而使飛機全部失去燃油、失去控制、飛機發(fā)生爆炸，對戰(zhàn)機能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被引爆，使飛機的油箱內(nèi)部壓力急劇升高，超過油箱所能承受的壓力而發(fā)生爆炸，可立即對戰(zhàn)機能造成KK級毀傷。

對于高速動能體對飛機的毀傷級別，一種毀傷可能導致其他幾種毀傷。當穿孔或切割分布密度較高時，孔與孔之間可以產(chǎn)生開裂和應(yīng)力集中，使毀傷面擴大，進而導致更高級別的毀傷。

3 高速動能體對飛機毀傷數(shù)值仿真研究

根據(jù)高速動能體對飛機的毀傷模式分析可知，只要高速動能體對飛機的重要部件(發(fā)動機、油箱等)進行打擊，就可能對飛機造成不同級別的毀傷。

3.1 高速動能體對飛機發(fā)動機部位的毀傷仿真

3.1.1 有限元仿真模型

進行高速動能體對飛機發(fā)動機部位的毀傷仿真研究時，將發(fā)動機部位中殼體最厚的燃燒室部位作為研究對象，將其等效為20 mm的硬鋁板。對不同直徑(Φ3 mm、Φ5 mm、Φ10 mm、Φ15 mm)的動能體以不同的速度(2 000 m/s，3 000 m/s，4 000 m/s)進行毀傷仿真。

建立幾何模型時，把高速動能體和等效靶板看作是均勻連續(xù)介質(zhì)，認為整個侵徹過程是絕熱的，不計空氣阻力，不考慮重力作用。靶板的側(cè)邊施加邊界條件，用以模擬各層靶板四周被固定的情況。體靶有限元計算模型如圖1。

圖1 有限元模型

3.1.2 材料模型

1)屈服準則。計算中，動能體和靶板仿真模型材料采用具有彈塑性屬性的Johnson-Cook模型。其屈服函數(shù):

2)損傷準則。考慮應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)，并通過累積損傷的概念考慮變形路徑的影響，定義單元損傷:

式中:D為損傷參數(shù)，在0～1之間變化，初始時D=0，當D=1.0時材料失效;Δεp為一個時間步的塑性應(yīng)變增量;εf為當前時間步的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率和溫度下的破壞應(yīng)變，其表達式:

式中:D1－D5為材料參數(shù);σ*=p/σeff為應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)，其中p為壓力，σeff為等效應(yīng)力。

3)材料屬性。動能體采用鎢合金材料，等效靶板為硬鋁合金。其屬性參照參考文獻［7］。

3.1.3 仿真結(jié)果及分析

圖2為不同直徑的動能體分別以不同的速度侵砌等效靶板的速度變化圖。通過圖2可以看出，直徑為Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm侵徹等效靶板過程中，動能體的速度震蕩下降，這是由于侵徹靶板過程中靶板與動能體之間復(fù)雜的相互作用的結(jié)果。通過速度變化圖可以看出，直徑為Φ5 mm的動能體侵徹靶板過程中速度急劇下降，而隨著直徑的增大，動能體侵徹過程速度損耗不明顯，穿透靶板后仍具有較高的速度，即動能體具有較高的比動能，仍能繼續(xù)侵砌靶板。而對于直徑為Φ5 mm的動能體以2 000 m/s的速度侵徹20 mm等效靶板，穿透后剩余速度為750 m/s，不足以繼續(xù)侵徹更厚的靶板。

因此要對發(fā)動機部位進行毀傷必須采用直徑為Φ5 mm的動能體以速度2 000 m/s以上進行毀傷。一旦動能體穿透等效靶板，則意味著發(fā)動機被擊穿，則會對飛機造成A級以上的殺傷。

圖2 不同直徑的高速動能體速度變化

3.2 高速動能體對飛機燃油箱的毀傷仿真

［8，9］中指出燃油箱在動能體的高速沖擊條件下的毀傷模式主要包括:機械穿透、殼體鼓包、慣性爆裂、燃油冒煙及燃油的沖擊引燃。

圖3為直徑Φ15 mm的動能體以速度為1 850 m/s在燃油箱內(nèi)形成沖擊波的歷程圖。高速動能體在箱內(nèi)所形成的強沖擊波不但加強了霧化的油滴發(fā)生汽化、蒸發(fā)及熱解、裂化的程度，還使混合氣體的壓力和溫度急劇升高。評價投射物對目標毀傷效應(yīng)的判據(jù)主要采用兩種準則，即比動能準則和比沖量準則。對于燃油的沖擊引燃問題，普遍采用比沖量準則［10］。當高速動能體的比沖量大于臨界值時則會引燃燃油。一旦發(fā)生沖擊引燃必定對飛機造成KK級殺傷。

圖3 沖擊波變化

圖4為直徑為Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm的動能體以不同的速度產(chǎn)生的比沖量與速度關(guān)系曲線圖。

通過圖4可以看出，直徑為Φ5 mm動能體在4 000 m/s以下的速度范圍內(nèi)都不可能達到臨界比沖量，即不可能引燃模擬油箱的燃油，直徑為Φ10 mm的動能體當速度高于2 300 m/s時，其比沖量高于臨界比沖量，可以引燃燃油;直徑為Φ15 mm的動能體當速度高于2 000 m/s時即引燃燃油，這與參考文獻［10］的試驗數(shù)據(jù)相一致。即直徑為Φ5 mm的動能體以2 000～4 000 m/s的速度撞擊油箱后即可以穿透油箱，但不能將燃油引燃;直徑為Φ10 mm的動能體以2 000～2 300 m/s以下的速度撞擊油箱可以穿透油箱，但仍不能將燃油引燃;當速度高于2 300 m/s時即可將燃油沖擊引燃，進而導致油箱爆炸，對飛機造成KK級毀傷;直徑為Φ15 mm的動能體以2 000 m/s以上的速度撞擊油箱即可導致飛機KK級毀傷。

圖4 比沖量與速度的關(guān)系曲線

3.3 高速動能體對飛機蒙皮的毀傷仿真

通過3.1的分析可以看出，直徑為 Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm的動能體以速度2 000 m/s可以穿透厚度為20 mm的動能體，因此對于厚度一般為2～3 mm厚的飛機蒙皮來說，其能量足以穿透。以此本部分只考慮高速動能體以不同的角度撞擊時是否會產(chǎn)生跳彈。

3.3.1 入射角度為45°

圖5 Φ5 mm v=2 000 m/s

3.3.2 入射角度為75°

通過圖5和圖6可以看出，直徑為Φ5mm的動能體以2 000 m/s的速度分別以45°及75°的角度可以穿透飛機蒙皮，不會產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象發(fā)生。同時隨著入射角度的增大，動能體對飛機蒙皮的切口長度增加，對飛機的飛行狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，有可能導致飛機產(chǎn)生C級以上毀傷。

圖6 Φ5 mm v=2 000 m/s

4 結(jié)論

本文通過對飛機毀傷模式及等級進行了分析，通過不同直徑的動能體以不同的速度對飛機的重要部位進行毀傷數(shù)值仿真研究，得到如下結(jié)論:

1)要對發(fā)動機部位進行毀傷必須采用直徑為Φ5 mm的動能體以速度2 000 m/s以上進行毀傷，飛機導致A級以上毀傷。

2)要對飛機油箱進行毀傷必須以直徑為Φ10 mm的動能體以高于2 300 m/s速度撞擊或者采用直徑為Φ15 mm的動能體以2 000 m/s以上的速度撞擊油箱可導致飛機KK級毀傷。

3)直徑為Φ5 mm以上，速度在2 000 m/s以上的動能體撞擊飛機蒙皮不會產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象，同時飛機蒙皮的切口長度隨撞擊角度的增大而加大，有可能導致飛機產(chǎn)生C級以上毀傷。

參考文獻:

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［9］ 陳文，王紹慧，楊華楠.不同破片殺傷元對飛機油箱的毀傷試驗［J］.四川兵工學報，2010，31(12):32－34.

［10］曹兵.不同破片對模擬巡航導彈油箱毀傷實驗研究［J］.火工品，2008(5):10－13.

(責任編輯周江川)