榴彈破片對坦克火炮身管毀傷效應的數(shù)值仿真

郭尚生，李 帆，吳曉穎，李 響

（1.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽110045；2.北京裝甲兵工程學院，北京100072；3.駐七二四廠軍事代表室，沈陽110045）

進行實際彈藥毀傷實驗時，實驗耗費大、周期長，因此迫切需要尋找到合適的方法來替代實彈實驗。數(shù)值仿真不僅可以大大降低靶場試驗中所耗費的大量人力，而且有效地考慮到了經(jīng)濟問題，提高了效率，降低了成本。隨著計算機計算及數(shù)值仿真技術的快速發(fā)展，現(xiàn)在可以利用AUTODYN等有限元軟件進行數(shù)值仿真計算，分析總結出更加接近實際的毀傷規(guī)律，為坦克關鍵部件戰(zhàn)損規(guī)律研究提供參考。本文將以125mm滑膛炮身管侵徹為例，在進行大量的數(shù)值仿真的基礎上，獲得破片毀傷效應規(guī)律。

1 靜爆模擬試驗分析

為獲取數(shù)值仿真的基礎數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值仿真的可靠性，進行了榴彈破片對火炮身管侵徹毀傷的模擬試驗。試驗方法采用靜態(tài)引爆榴彈，毀傷坦克火炮身管。榴彈水平置于托架上，距離坦克身管2m處，侵徹入射角為90°。試驗場具體布置如圖1所示。

圖1 試驗方案

圖2 為破片毀傷火炮身管的效果。由試驗測量與統(tǒng)計分析可知，身管侵徹孔徑在30～40mm之間，平均孔徑為34.8mm，侵徹深度在11.8～12.2mm之間，平均深度為12mm。

圖3為榴彈爆炸形成的典型破片，平均質(zhì)量為10g。

圖2 火炮身管毀傷

圖3 榴彈破片

2 仿真模型的建立

采取典型的破片進行數(shù)值仿真。破片的形狀包括圓形、正方形、長方形和菱形［4］；身管的材質(zhì)為PcrNi3MOV鋼，身管的壁厚30mm。為簡化情況，設計破片對身管的侵徹角為90°，破片建立一比一模型，建立身管1／4模型，如圖4所示。

圖4 身管的數(shù)值仿真模型

破片的材質(zhì)為STEEL－4340（4340鋼），數(shù)值仿真主要考慮破片侵徹速度、破片形狀等主要因素。對速度77～1 272m／s的圓形、正方形、長方形、菱形破片侵徹30mm厚度的身管進行數(shù)值仿真，并用軟件自帶的工具采集仿真數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 破片毀傷身管的數(shù)值仿真結果

3 數(shù)值仿真正確性的驗證

用統(tǒng)計的方法整理數(shù)值仿真數(shù)據(jù)，可以得到不同質(zhì)量、不同形狀、不同速度的破片對火炮身管的侵徹效果。質(zhì)量為10g的破片以不同速度v侵徹身管，得到侵徹深度H和侵徹孔徑D，如表1所示。

表1 質(zhì)量為10g的破片毀傷身管數(shù)值仿真數(shù)據(jù)

為驗證數(shù)值仿真的正確性，取實際破片的平均質(zhì)量為10g，破片撞擊前的速度為980m／s。將模擬試驗與數(shù)值仿真數(shù)據(jù)進行對比，如表2所示?？傻肏的試驗平均值為12.7mm，仿真平均值為13.8mm，誤差為8.6%；D的試驗平均值為31.8mm，仿真平均值為30.4mm，誤差為4%。模擬試驗結果與數(shù)值仿真結果較為接近，且誤差均小于10%，可以認為仿真結果正確。

4 破片形狀對侵徹結果的影響

驗證了數(shù)值仿真的正確性，在相同數(shù)值仿真條件下可以對數(shù)值仿真的結果進行分析，獲取榴彈破片對火炮身管的毀傷規(guī)律［5］。選取質(zhì)量和速度相同的長條形、圓形、方形、菱形破片對目標進行侵徹數(shù)值毀傷仿真，觀察分析其毀傷效果，如圖6和圖7所示。

圖6 長方形和圓形破片毀傷目標效果

圖7 正方形和菱形破片毀傷目標效果

表3所示，長方形、圓形、正方形、菱形破片的質(zhì)量均為10g，速度為1 270m／s，身管壁厚均為45mm，其中長方形、圓形、正方形、菱形的長徑比η依次為1.85，1.25，1.25，1.00。

由毀傷效果分析得到，相同條件下破片的侵徹能力為長方形＞圓形＞正方形＞菱形。這是因為在破片質(zhì)量不變的情況下，長細比增大、破片單位橫截面積上的動能變大，在貫穿過程中頭部最大應力值（即瞬時加速度）增大，破片的侵徹能力增強。

5 破片速度對侵徹結果的影響

用相同的圓形破片分別以77m／s、156m／s、632m／s和1 270m／s的速度對目標進行侵徹，觀察分析其毀傷效果，如圖8和圖9所示。

圖8 速度為77m／s和156m／s的破片毀傷目標效果

圖9 速度為632m／s和1 270m／s的破片毀傷目標效果

在破片形狀、破片質(zhì)量和身管壁厚相同的條件下［6］，隨著破片侵徹速度的增加，侵徹深度與孔徑呈增加趨勢。77m／s侵徹時破片出現(xiàn)跳飛現(xiàn)象，不能形成侵徹；速度在156m／s時，保護玻璃裂開；速度阻礙314m／s，當速度超過632m／s，侵徹深度為13.2～21.3mm，運用多元回歸分析方法將表1中的數(shù)據(jù)整合，如圖10所示。

圖10 速度與侵徹深度關系圖

6 結束語

本文利用數(shù)值仿真的方法，對破片毀傷坦克炮身管進行建模和數(shù)值分析，得出破片對火炮身管毀傷的大致規(guī)律，結論如下：

①破片在形狀和身管壁厚相同的情況下，破片質(zhì)量越大侵徹能力越強，深度越深，孔徑越大；

②破片在形狀和質(zhì)量相同的情況下，身管壁厚越厚，侵徹深度越淺，孔徑越大；

③破片在相同質(zhì)量、同種目標和同一侵徹速度的條件下，破片形狀長細比越大侵徹深度越深，孔徑越大；

④破片在相同質(zhì)量、同種目標和相同形狀的條件下，破片侵徹速度越大侵徹能力越強［8］。

在實際情況中，影響破片對身管的毀傷效果的因素還有很多，例如破片材料、身管材料、身管自緊技術、破片著角變化等眾多因素，有待進一步分析。

［1］劉志祥.陶瓷纖維復合板抗侵徹特性研究［D］.武漢：武漢理工大學，2008.LIU Zhi－xiang.Research on anti－penetration properties of ceramic fiber composite plate［D］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2008.（in Chinese）

［2］王連炬.溫壓炸藥綜合毀傷效應分析與評價［D］.南京：南京理工大學，2007.WANG Lian－ju.Analysis and evaluation of comprehensive effects of thermobaric explosive damage［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2007.（in Chinese）

［3］房瑩瑩.燃料空氣炸藥綜合毀傷評價模型研究［D］.南京：南京理工大學，2010.FANG Ying－ying.Research on the model of fuel air explosive comprehensive damage evaluation［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010.（in Chinese）

［4］李向東，錢建平.彈藥概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010：29－31.LI Xiang－dong， QIAN Jian－ping.Introduction of ammunition［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2010：29－31.（in Chinese）

［5］沈曉輝，張鵬翔.殺爆戰(zhàn)斗部破片對厚壁鋼管的毀傷效應研究［J］.兵工學報，2005，26（4）：46－48.SHEN Xiao－h(huán)ui，ZHANG Peng－xiang.Damage effects of high explosive projectile study of thick wall steel pipe［J］.Acta Armamentrarii，2005，26（4）：46－48.（in Chinese）

［6］洪建華，劉彤.殺傷破片侵徹擊穿和引爆靶彈的分析與研究［J］.兵工學報，2003，24（3）：316－321.HONG Jian－h(huán)ua，LIU Tong.A study of fragments penetrating and detonating a target missile［J］.Acta Armamentrarii，2003，24（3）：316－321.（in Chinese）

［7］黃燕玲，吳衛(wèi)國.圓柱形破片侵徹靶板的數(shù)值計算研究［J］.兵器材料科學與工程，2010，33（1）：35－38.HUANG Yan－ling，WU Wei－guo.Research on numerical calculation of cylindrical fragment penetrating target［J］.Ordnance Material Science and Engineering，2010，33（1）：35－38.（in Chinese）

［8］李其祥，趙田安，張振中.球形破片殺傷參數(shù)的研究［J］.彈箭與制導學報，2005，25（4）：174－176.LI Qi－xiang，ZHAO Tian－an，ZHANG Zhen－zhong.Research of wounding parameter for globular fragment［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2005，25（4）：174－176.（in Chinese）