桿條對直升機槳轂毀傷的數(shù)值模擬研究

薛 震，陳智剛，馮順山

（1.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，山西 太原030051；2.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京100081）

0 引 言

隨著高新技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，武裝直升機以更快的飛行速度、更靈活的機動性和更猛烈的火力成為現(xiàn)代陸戰(zhàn)舞臺的主角.反武裝直升機也成為必須開展的重大研究課題，攔截此類目標(biāo)給對空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部提出了更高的戰(zhàn)技要求.

離散桿戰(zhàn)斗部是一種特殊的預(yù)制破片戰(zhàn)斗部，它繼承了連續(xù)桿戰(zhàn)斗部桿條質(zhì)量大、對目標(biāo)切割能力強的優(yōu)點，同時又兼顧了破片戰(zhàn)斗部速度高、威力半徑大的優(yōu)點［1-2］，對飛機和導(dǎo)彈等結(jié)構(gòu)強度較弱的目標(biāo)具有較強的切割、撕裂作用，是近些年發(fā)展起來的先進(jìn)戰(zhàn)斗部.

離散桿戰(zhàn)斗部對目標(biāo)的作用是一個復(fù)雜的過程，本文通過對某型武裝直升機槳轂的易損性分析，建立了槳轂的等效模型，采用數(shù)值模擬與實驗分析的方法研究了桿條對等效靶的毀傷效果，獲得了典型入射角下的極限穿透速度，以及入射條件對極限穿透速度、靶板切口面積的影響，為離散桿戰(zhàn)斗部的設(shè)計及直升機的易損性分析提供了參考.

1 槳轂的等效模型

槳轂是直升機至關(guān)重要的受力部件，連接槳葉和動力系統(tǒng)傳動軸，它承載著槳葉的揮舞和擺振，揮舞剪力和擺振剪力傳給柔性臂，使柔性臂發(fā)生彎曲變形，各片槳葉的離心力在槳轂中心相互平衡［3-4］.若槳轂遭到損壞，槳葉將失去其氣動特性而使直升機墜落［5］.

為了分析槳轂的易損性，按照結(jié)構(gòu)組成和強度將其劃分為兩個毀傷區(qū)域，如圖1所示.采用12.7 mm穿甲彈對槳轂實物進(jìn)行射擊，實驗結(jié)果見表1，獲得槳轂兩個區(qū)域的極限穿透速度（V50）分別為VA=427 m／s，VB=259 m／s.

圖1 槳轂毀傷區(qū)域劃分 Fig.1 Division graph of damage area of hub

對多層靶進(jìn)行穿甲實驗，根據(jù)能量等效原則（即V50相同），建立槳轂的等效靶組［6］，如圖2所示.

表1 穿甲彈射擊槳轂實物實驗結(jié)果 Tab.1 Experiment results of the armour-piercing projectile hitting the hub

圖2 槳轂毀傷區(qū)域等效靶結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 Structure diagrams of equivalent targets of two damage areas of hub

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型及材料參數(shù)

桿條和槳轂等效靶的有限元模型如圖3所示.圓截面桿條直徑為4.3 mm，長為130 mm.各靶板長為300 mm，寬為100 mm，對其邊界施加約束，固定靶板位置.

圖3 桿條及等效靶有限元模型 Fig.3 Finite element model of rob and equivalent targets

數(shù)值計算時，桿條和靶板材料均采用塑性動態(tài)硬化模型，主要材料參數(shù)見表2.桿條與靶板的接觸采用面面侵蝕，計算采用Lagrange算法［7］.

表2 桿條和靶板的主要參數(shù)［8-9］ Tab.2 Main parameters of rod and target

2.2 桿條侵徹多層靶板過程

桿條侵徹多層間隔靶板除受到桿條和靶板材料的影響外，還受到桿條的著靶速度v（彈目相對速度）、入射角α（桿條速度與靶板法線之間的夾角）、攻角β（速度與桿條之間的夾角）、面角γ（桿條和桿條速度所在的面與靶面之間的夾角）以及桿條的自身旋轉(zhuǎn)因素、靶板間距和層數(shù)的影響［8］.

圖4描述了桿條穿透槳轂B區(qū)域等效靶及桿條出現(xiàn)斷裂和跳飛的情況.

圖4 桿條毀傷B區(qū)域等效靶 Fig.4 Rod damaging equivalent target of B area

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 入射條件對極限穿透速度的影響

在大多數(shù)情形下，桿條以大攻角、大面角姿態(tài)著靶，表3給出了在β=90°，γ=90°時不同入射角下桿條對槳轂兩毀傷區(qū)域等效靶的極限穿透速度.

表3 數(shù)值模擬獲得的極限穿透速度 Tab.3 Limit penetration velocity obtained by numerical simulation

由表3可以看出，對于槳轂A區(qū)域，桿條因出現(xiàn)嚴(yán)重破損變形而不能對靶板形成有效侵徹；對于B區(qū)域，極限穿透速度隨著入射角的增大而呈非線性增大，在入射角為45°時極限穿透速度急劇增加，入射角大于60°時桿條開始出現(xiàn)斷裂和跳飛現(xiàn)象.

攻角和面角對桿條的彎曲和侵徹彈道影響很大，直接影響桿條繼續(xù)侵徹下一層結(jié)構(gòu)的彈目交匯條件［10］，從而對極限穿透速度產(chǎn)生較大的影響.圖5給出了桿條侵徹槳轂B區(qū)域等效靶的極限穿透速度與攻角、面角之間的關(guān)系.

由圖5（a）可以看出，桿條對靶板的極限穿透速度隨著攻角絕對值的增大而呈非線性增大，攻角β=0°時所對應(yīng)的極限穿透速度最小.當(dāng)α=0°，γ=90°（正侵徹）時，正負(fù)攻角所對應(yīng)的極限穿透速度是相等的，即曲線對稱；但當(dāng)α=15°，γ=90°（斜侵徹）時，所對應(yīng)的極限穿透速度曲線不對稱，且負(fù)攻角時的極限穿透速度變化幅度較正攻角時大，這是因為負(fù)攻角越大，桿條質(zhì)心離靶板法線越遠(yuǎn)，作用在桿條上的阻力所產(chǎn)生的力矩越大，從而桿條在侵徹過程中損耗的能量也越大.

圖5 極限穿透速度與攻角、面角的關(guān)系 Fig.5 The relationship of limit penetration velocity as angle of attack and face angle

由圖5（b）可以看出，桿條對多層靶板的極限穿透速度隨著面角的減小而增大，且面角越小桿條越容易出現(xiàn)跳飛現(xiàn)象.這是因為當(dāng)面角較小時，桿條對靶板的側(cè)向剪切力增大，不利于侵徹靶板，此時的開口寬度增大，大大消耗了桿條的動能.但當(dāng)面角一定而攻角較小時，由于桿條相對于靶板的接觸面積較小，比動能較大，對應(yīng)的極限穿透速度較小，從而阻礙了桿條的跳飛趨勢.

2.3.2 入射條件對切口面積的影響

桿條對目標(biāo)的毀傷能力主要表現(xiàn)在侵徹目標(biāo)時的連續(xù)性切口大小.切口大小與靶板的材料、厚度、層數(shù)，桿條的材料、長度、直徑，桿條對靶板的入射條件等因素有關(guān).

圖6給出了在不同攻角和面角的情況下桿條對B區(qū)域首層靶板切口面積隨入射角的變化曲線.

圖6 入射條件對切口面積的影響 Fig.6 Influence of incident conditions on cutting area

圖6表明：桿條對單層靶板的切口面積隨著入射角以及攻角的絕對值的增大而增大，隨著面角的增大而減小，且在面角較大時，切口面積主要受到切口長度的影響，因此增大幅度較小.而當(dāng)面角較小時，切口面積隨入射角的增大相應(yīng)的增幅較大，這主要是因為面角較小時，桿條對靶板的側(cè)向剪切力較大，使得切口的寬度較大.

圖7給出了3種不同入射條件下桿條對槳轂B區(qū)域等效靶的毀傷情況.

如圖7（a）和圖7（b）所示，在攻角和面角一定的情況下，桿條對靶板的切口長度隨著入射角的增大而增大，而切口寬度基本相同.在入射角較大時，桿條因兩端受力不同而發(fā)生“L”型彎曲變形，使得在侵徹下一層靶板時，切口長度減小.

在入射角和攻角一定的情況下（圖7（b）和圖7（c）），桿條對靶板的切口長度隨著面角的減小而減小，寬度隨著面角的減小而顯著增大.在面角較小時，各層靶板上均有明顯的桿狀截痕，由于桿條在侵徹過程中軸向所受阻力不同（靶板的彈塑性變形所致）而發(fā)生“V”型變形，使其在侵徹下一層靶板時的切口長度明顯變小.

圖7 不同入射條件下的毀傷效果 Fig.7 Damage results under different incident conditions

表4給出了圖7所示的3種入射條件下桿條對B區(qū)域各層靶板的切口面積.

表4 數(shù)值模擬獲得的各層靶板的切口面積 Tab.4 Cutting area of each target obtained by numerical simulation

表4表明：三層靶板的切口面積呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，且面角較小時的切口面積改變較大，這主要是受到桿條變形、靶板材料不同以及桿條在侵徹下一層靶板時的入射條件改變等因素的影響.

3 實驗驗證

實驗采用多功能靶架安裝多層間隔靶板，用高速攝影平臺觀測桿條的入靶姿態(tài).桿條材料為10＃鋼，質(zhì)量為23 g，長度為130 mm，直徑為4.3 mm.靶板所用材料為鋁板（LY-12CZ）和鋼板（Q235A），尺寸均為500 mm×500 mm.

圖8給出了在α=15°，β=90°，γ=90°，v=762 m／s時，桿條對B區(qū)域等效靶的毀傷情況.

從撞擊后的破孔可看到，桿條對第一層靶板的切口長度接近于桿條的長度，對第二層靶板的切口形狀出現(xiàn)了兩端寬度相差較大的情形，且桿條在侵徹第二層靶板時的入射角較第一層靶板時大了很多，而在侵徹第三層靶板時，其切口長度小于桿條的長度.三層靶板的切口面積分別為766，1 214和978 mm2，獲得的極限穿透速度為685m／s，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性，表明采用能量等效原則建立的槳轂等效靶具有可靠性，所建立的仿真模型是可行的.

圖8 桿條對B區(qū)域等效靶的侵徹 Fig.8 Rod penetrating equivalent target of B area

4 結(jié) 論

1）在實物打擊實驗獲得等效靶的基礎(chǔ)上，建立了桿條對直升機槳轂毀傷的仿真模型，實驗驗證了模型的正確性，獲得了不同入射角下桿條對槳轂的極限穿透速度，為直升機的易損性分析提供參考.

2）桿條對槳轂等效靶的極限穿透速度和切口面積隨著入射角、攻角絕對值的增大而增大，隨著面角的增大而減??；桿條侵徹下一層靶板時的彈目交匯條件基本都不同，受到桿條初速、入射條件和變形的影響，桿條對多層間隔靶板的侵徹規(guī)律較單層靶板復(fù)雜得多.

3）對目前的離散桿戰(zhàn)斗部而言，槳轂的易損區(qū)域為B區(qū)域，擊中A區(qū)域的毀傷概率極小；桿條對槳轂的最小極限穿透速度為568 m／s，在入射角大于60°時桿條開始出現(xiàn)斷裂和跳飛現(xiàn)象，這對毀傷戰(zhàn)斗部的設(shè)計具有重要參考價值.

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