不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄鋼板數(shù)值模擬*

熊 飛，石 全，張 成，劉 鋒

(解放軍軍械工程學(xué)院，石家莊 050003)

0 引言

半穿甲戰(zhàn)斗部作為反艦導(dǎo)彈的主要戰(zhàn)斗部，對(duì)其侵徹性能的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［1-2］分別對(duì)截卵形與錐形戰(zhàn)斗部正侵徹薄板與加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)靶進(jìn)行了理論分析。朱建方［3-4］等分析了傾角與攻角對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹性能的影響。以上分析均是基于戰(zhàn)斗部頭部形狀一定的條件下進(jìn)行的，然而，頭部形狀作為影響半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹性能的重要因素，直接關(guān)系到其終點(diǎn)效應(yīng)，目前研究頭部形狀對(duì)彈體侵徹性能的影響還主要集中在長(zhǎng)桿彈、鉆地彈垂直侵徹半無限靶與中厚靶上［5-7］。因此，有必要深入研究頭部形狀對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄鋼板的影響，從而為半穿甲戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)以及彈體姿態(tài)控制等提供參考。

1 有限元模型的建立與材料參數(shù)的選取

1.1 有限元模型的建立

建立3種典型頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部彈體如圖1所示。3種彈體直徑均為344 mm，為保證初始動(dòng)能相等，通過改變彈體長(zhǎng)度使其質(zhì)量均為346 kg。考慮到模型的對(duì)稱性同時(shí)為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，彈體與靶板建為1/2模型，在X-Y對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。靶板尺寸為2 600 mm×2 600 mm×40 mm，為了減小邊界條件對(duì)靶板應(yīng)力的影響，四邊采用非反射邊界條件，且不考慮空氣阻力的作用。彈體與靶板之間采用面-面侵蝕接觸，保證了模型的外部單元失效被刪除后，剩下的單元依然能考慮接觸。所有單元采用8節(jié)點(diǎn)Solid164實(shí)體單元，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分均采用Lagrange算法，單位制為 cm-g-μs。

圖1 彈體與靶板有限元模型

1.2 材料模型的選取與參數(shù)的確定

彈體材料選用 TC4合金，目標(biāo)靶板為 Weldox460E鋼，在半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程中彈體與靶板均會(huì)產(chǎn)生高應(yīng)變高溫變，因此，彈體與靶板采用Johnson-cook［8］材料模型與Gruneisen狀態(tài)方程來描述其力學(xué)性能。半穿甲彈體與靶板具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 TC4 合金［9］與 Weldox460E 鋼［10］材料參數(shù)

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 垂直侵徹過程對(duì)比分析

圖2為3種不同頭部形狀彈體侵徹薄鋼靶板全過程。根據(jù)對(duì)侵徹過程的分析可以得到:卵頭彈與尖頭彈侵徹薄靶板的全過程較為相似，與鈍頭彈侵徹過程有明顯區(qū)別，卵頭彈與尖頭彈為瓣裂穿孔破壞，鈍頭彈為沖塞破壞。卵頭彈與尖頭彈頭部接觸靶板后隨著彈體向前運(yùn)動(dòng)靶板背面出現(xiàn)小范圍的隆起，在480 μs與576 μs時(shí)由于靶板隆起部分材料應(yīng)變超過最大塑性應(yīng)變，卵頭彈與尖頭彈頭部擊穿靶板產(chǎn)生小破孔。隨著彈體頭部的繼續(xù)前進(jìn)，不斷擠壓破孔，使破孔徑向擴(kuò)大，當(dāng)彈體頭部完全擊穿靶板后，靶板破孔與變形區(qū)域不再增大，破孔大小與彈體直徑幾乎相同。卵頭彈與尖頭彈使靶板產(chǎn)生變形區(qū)域?yàn)橐詮椫c(diǎn)為圓心的直徑分別為114.532 cm與135.788 cm的圓面積，靶板沿著彈體入射方向最大的變形(軸向位移)分別為29.87 cm與30.90 cm。鈍頭彈接觸靶板后，靶板背部也出現(xiàn)隆起，隨著彈體的前進(jìn)靶板變形范圍不斷擴(kuò)大，軸向位移也不斷增大，雖然靶板整體變形較嚴(yán)重，但由于單個(gè)材料單元的最大應(yīng)變均未超過靶板材料的斷裂應(yīng)變，所以，在1 540 μs時(shí)在沖擊區(qū)域周邊靶板材料才發(fā)生剪切破壞，從靶板上沖下一塊圓形靶塊，形成沖塞破壞。當(dāng)彈體頭部擊穿靶后，靶板破孔直徑迅速增大到彈體直徑。鈍頭彈擊穿靶板后靶板產(chǎn)生變形區(qū)域?yàn)橐詮椫c(diǎn)為圓心直徑為170.295 cm的圓面積，靶板最大軸向位移為41.05 cm。鈍頭彈對(duì)薄鋼靶板造成的變形面積明顯大于尖頭彈與卵頭彈。

圖2 3種彈體垂直侵徹薄鋼板全過程

3種彈體侵徹過程中彈體速度時(shí)程曲線如圖3所示。根據(jù)曲線可以看出:當(dāng)3種彈體擊穿靶薄鋼板后鈍頭彈剩余速度最小，即侵徹性能最差。尖頭彈與卵頭彈剩余速度幾乎相等，但卵頭彈速度變化更為平穩(wěn)，在侵徹初始階段卵頭彈速度損失要快于尖頭彈。

圖3 不同頭部形狀彈體速度時(shí)程曲線

利用文獻(xiàn)［11］中瓣裂動(dòng)量理論，對(duì)該模型中卵頭彈以垂直侵徹薄鋼靶剩余速度進(jìn)行理論求解，得彈體剩余速度為 311.62 m/s，數(shù)值解為 301.40 m/s，相對(duì)誤差為3.28%，可以說明仿真模型較為可信，為下一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 著角對(duì)不同頭部形狀彈體侵徹性能的影響

為了研究著角對(duì)不同頭部形狀半穿甲彈侵徹性能的影響，改變3種彈體入射角度，對(duì)彈體以0°、5°、15°、45°、60°侵徹薄鋼靶板進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4為3種不同頭部形狀彈體侵徹薄鋼靶板后剩余動(dòng)能與著角的關(guān)系。根據(jù)圖中曲線可以看出:1)卵頭彈剩余動(dòng)能最大，鈍頭彈剩余動(dòng)能最小，卵頭彈與尖頭彈剩余動(dòng)能隨著角的增大而減少，且尖頭彈動(dòng)能衰減速率明顯快于卵頭彈。2)當(dāng)著角大于45°時(shí)，隨著著角的增大3種彈體侵徹性能顯著降低。3)鈍頭彈剩余動(dòng)能隨著角的增大呈先增加后減少趨勢(shì)，這說明小著角有利于提高鈍頭彈的侵徹能力。

圖4 不同彈體剩余動(dòng)能與著角之間的關(guān)系

根據(jù)對(duì)侵徹全過程的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈體大著角侵徹薄鋼板時(shí)彈體會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角θ(彈體軸線與初速度方向的夾角，順時(shí)針為正)。以3種彈體45°斜侵徹薄鋼靶板為研究對(duì)象，分析著角對(duì)不同彈體偏轉(zhuǎn)規(guī)律的影響。圖5為3種彈體45°侵徹薄鋼板時(shí)彈體偏轉(zhuǎn)角θ隨時(shí)間變化圖。根據(jù)圖中曲線可以得到:3種彈體斜侵徹薄鋼板時(shí)彈體均產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角，其中卵頭彈在擊穿靶板后彈體產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角最大，鈍頭彈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角最小。侵徹過程中3種彈體的偏轉(zhuǎn)角均呈先正向增加后減小，最終產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)角。這是由于在初始侵徹階段，靶板發(fā)生變形對(duì)彈體產(chǎn)生反作用力，使彈體頭部向左偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)角，如圖6(a)所示。當(dāng)彈體頭部擊穿靶板后彈體在靶板中運(yùn)動(dòng)時(shí)受力如圖6(b)所示，在此過程中靶板對(duì)彈體產(chǎn)生一定力矩使彈體向右偏轉(zhuǎn)，從而使彈體正向偏角不斷減小，最終產(chǎn)生負(fù)向偏角。

2.3 攻角對(duì)不同頭部形狀彈體侵徹性能的影響

圖7反映了3種彈體45°斜侵徹薄鋼靶板時(shí)攻角對(duì)剩余動(dòng)能的影響。從圖中可以看出:斜侵徹薄鋼板時(shí)尖頭彈與卵頭彈正向與負(fù)向攻角均使彈體剩余動(dòng)能減小，即攻角使彈體侵徹性能下降;鈍頭彈斜侵徹鋼薄靶板時(shí)，小角度負(fù)向攻角使其剩余動(dòng)能增大，正向攻角使其剩余動(dòng)能減小，可以說明斜侵徹時(shí)小角度的負(fù)向攻角有利于提高鈍頭彈侵徹性能。

圖5 三種彈體偏轉(zhuǎn)角時(shí)程曲線

圖6 彈體侵徹過程受力示意圖

圖7 彈體剩余動(dòng)能與攻角關(guān)系

表2為3種不同頭部形狀在以不同攻角45°斜侵徹薄鋼靶板時(shí)彈體的最終偏轉(zhuǎn)角，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:1)斜侵徹時(shí)攻角對(duì)卵頭彈彈道穩(wěn)定性影響最大，對(duì)尖頭彈影響最小。2)攻角對(duì)3種彈體侵徹過程中的偏轉(zhuǎn)均有一定的修正作用，正向攻角使彈體產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)，負(fù)向攻角使彈體產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)。

表2 不同攻角斜侵徹薄鋼靶板時(shí)彈體偏轉(zhuǎn)角(°)

3 結(jié)論

文中運(yùn)用有限元軟件對(duì)不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄鋼靶板進(jìn)行了數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了3種不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部垂直侵徹薄鋼靶板的全過程，并將仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為仿真結(jié)果是基本可行的。同時(shí)分析了著角與攻角對(duì)3種不同彈體侵徹性能與彈體偏轉(zhuǎn)的影響，得出了以下結(jié)論:

1)3種不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部垂直侵徹薄鋼靶板時(shí)，卵頭彈與尖頭彈為瓣裂穿孔，而鈍頭彈符合沖塞破壞，卵頭彈與尖頭彈侵徹能力相當(dāng)且明顯優(yōu)于鈍頭彈，但鈍頭彈使靶板變形的程度遠(yuǎn)大于卵頭彈與尖頭彈。

2)卵頭彈與尖頭彈擊穿靶板后的剩余動(dòng)能隨著角的增加而降低，鈍頭彈剩余動(dòng)能隨著角的增加呈先增加后減小趨勢(shì)，小著角下鈍頭彈的侵徹性能有所提高。當(dāng)著角大于45°時(shí)3種彈體侵徹性能明顯下降。3種彈體以大著角侵徹鋼薄靶板時(shí)，由于力矩的作用彈體均發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，隨著角的增加彈體偏轉(zhuǎn)角呈先正向增加后減小，最終產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)角。

3)斜侵徹時(shí)，正向與負(fù)向攻角使卵頭彈與尖頭彈侵徹性能下降，對(duì)于鈍頭彈正向攻角使彈體侵徹性能下降，而小的負(fù)向攻角對(duì)鈍頭彈的侵徹性能有所提高。攻角對(duì)彈體的偏轉(zhuǎn)有一定的修正作用，正向攻角使彈體產(chǎn)生負(fù)向偏轉(zhuǎn)，負(fù)向攻角使彈體產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)以上結(jié)論可得出:當(dāng)反艦導(dǎo)彈攻擊的目標(biāo)裝甲較厚時(shí)應(yīng)選擇尖形或卵形頭部形狀，提高戰(zhàn)斗部侵徹性能，當(dāng)目標(biāo)裝甲相對(duì)較薄時(shí)應(yīng)選擇鈍頭彈，提高彈體的彈道穩(wěn)定性避免產(chǎn)生跳彈，同時(shí)在戰(zhàn)斗部攻擊目標(biāo)時(shí)著角不應(yīng)大于45°，且可以利用攻角對(duì)彈道進(jìn)行修正。

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