LEFP對桿式穿甲彈干擾的數(shù)值模擬

聶鵬松，劉天生，阮光光，周亞萍，劉金彪，于金升，吳　鵬，石軍磊

(中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051)

引　言

隨著各種新型導(dǎo)彈在戰(zhàn)場上的應(yīng)用，裝甲車輛采用被動的防護模式(如增加裝甲厚度或增強裝甲防護性能)已不能滿足未來戰(zhàn)爭的需求，因此各種新型的主動防護系統(tǒng)開始被研制出來[1]。主動防護系統(tǒng)可以通過探測系統(tǒng)探測來襲的導(dǎo)彈信息，然后對數(shù)據(jù)信息進行處理，最后開啟攔截系統(tǒng)中的戰(zhàn)斗部摧毀來襲目標。

有關(guān)爆炸成型彈丸[2-3](EFP)的研究已經(jīng)越來越成熟，而在EFP和線性聚能裝藥基礎(chǔ)上發(fā)展起來的線性爆炸成型侵徹體(LEFP)[4-5]作為一種在爆轟產(chǎn)物和爆轟波作用下翻轉(zhuǎn)形成的新型毀傷元，具有速度高、動能高、作用范圍廣和命中率高等優(yōu)點，使LEFP在主動防護系統(tǒng)中成為其高效的反導(dǎo)毀傷元，在攔截桿式穿甲彈方面[6]發(fā)揮重要作用。李兵等[7]研究了LEFP作為攔截系統(tǒng)中反導(dǎo)毀傷元的可行性；沈磊等[8]采用模擬方法對LEFP在主動防護系統(tǒng)中的發(fā)射時刻和攔截概率問題進行了研究；李勇[9]對線性聚能裝藥干擾穿甲彈的過程進行了模擬。但目前還未見有關(guān)LEFP攔截桿式穿甲彈干擾效果影響因素方面的報道。

本研究采用ANSYS/LS-DYNA軟件對LEFP以不同角度、不同錐角藥型罩和不同藥型罩壁厚對桿式穿甲彈的攔截過程以及攔截后穿甲彈對后效靶板的侵徹過程進行了數(shù)值模擬，通過控制變量法對后效靶板上的最大穿深分析LEFP的攔截效果，確定最佳攔截角度、最佳藥型罩錐角和最佳藥型罩壁厚，為新型反導(dǎo)毀傷元的研究提供參考。

1　數(shù)值模擬

1.1　數(shù)值模型的建立

桿式穿甲彈選取彈徑為10mm，長度80mm，長徑比為8；線性聚能裝藥口徑為40mm，裝藥高度為40mm，藥開型罩錐角分別為100°、120°、140°、160°，藥型罩壁厚分別為1、2、3、4mm；靶板參數(shù)為120mm×120mm×40mm；起爆方式為中心棱起爆；穿甲彈入射速度為1400m/s，為了節(jié)省計算單元，建立1/2模型，其數(shù)值模擬基本模型見圖1。

1.2　材料模型和參數(shù)的選擇

聚能爆炸成型彈丸結(jié)構(gòu)中的炸藥、藥型罩、殼體、空氣均采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多物質(zhì)ALE算法，桿式穿甲彈和靶板均采用拉格朗日網(wǎng)格建模。桿式穿甲彈與空氣和藥型罩材料間采用流固耦合算法，桿式穿甲彈侵徹靶板選用面-面侵徹接觸。對稱面施加對稱約束，空氣柱四周添加邊界無反射條件。聚能裝藥采用B炸藥，用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL狀態(tài)方程來描述，具體參數(shù)見表1；藥型罩采用紫銅，靶板和裝藥外殼采用603鋼，均用Johnson-cook模型和Grüneison狀態(tài)方程描述，具體參數(shù)見表2。空氣介質(zhì)采用MAT_NULL材料模型和線性多項式(LINEAR_POLYNOMIAL)狀態(tài)方程進行模擬。

表1　聚能裝藥材料參數(shù)

表2　紫銅和603鋼材料的模型參數(shù)

2　結(jié)果與討論

通過數(shù)值模擬軟件，利用三維有限元(LS-DYNA)程序模擬了不同攔截角度、不同藥型罩形狀和不同藥型罩壁厚下LEFP對桿式穿甲彈的干擾過程，研究被干擾后穿甲彈對后效靶板的侵徹情況，確定LEFP對桿式穿甲彈干擾的最佳攔截角度、最佳藥型罩形狀和最佳藥型罩壁厚。其中穿甲彈入射角為0°，在無干擾狀態(tài)下對靶板的穿深效果見圖2，穿深為112mm。

2.1　不同錐角藥型罩干擾效果對比

不同錐角藥型罩所形成的LEFP形狀具有一定的差異，且對彈桿的干擾效果也不同，所以有必要對不同錐角的藥型罩進行模擬研究。本研究選取錐角為100°、120°、140°、160°的線性藥型罩進行數(shù)值模擬，其中彈桿入射角均為0°，藥型罩壁厚均為3mm。圖3為不同錐角藥型罩形成的LEFP在27μs時的形態(tài)圖。

由圖3可看出，線性錐角藥型罩所形成的LEFP形狀類似于射流形狀。從不同錐角的線性錐角藥型罩所形成的LEFP形狀來看，小錐角情況下所形成的侵徹體容易斷裂，易形成射流，穩(wěn)定性差，對炸高較為敏感。大錐角下所形成的LEFP頭部扁平，尾部有突起，長徑比較小。

圖4為桿式穿甲彈被干擾后的形態(tài)圖，圖5為不同錐角下侵徹靶板效果圖，表3為不同錐角下的干擾結(jié)果比較。

表3　不同錐角藥型罩的干擾結(jié)果

注：v為LEFP穩(wěn)定時速度；l為穿甲彈穿深；η為穿深降幅。

線性錐角藥型罩形成的LEFP中心密實度好，長徑比較大，在侵徹桿式穿甲彈時，造成桿式穿甲彈斷面不齊，導(dǎo)致后段彈桿在飛行中失去重心，翻轉(zhuǎn)程度大，后續(xù)侵徹能力弱。由圖4和表3可知，錐角為100°的線性錐角藥型罩形成的侵徹體穩(wěn)定后速度最大，但未將彈桿侵徹斷裂，而其余錐角下形成的LEFP均將彈桿截斷。這是由于錐角為100°的線性錐角藥型罩所形成的侵徹體速度梯度大，在飛行過程中被拉斷成多節(jié)，造成質(zhì)量減小，動能降低，侵徹能力差。由圖5和表3可知，隨著藥型罩錐角的增大，穿甲彈對靶板的穿深是先減小后增大，錐角為120°時的線性聚能裝藥形成的LEFP對后效靶板穿深的降幅最大，說明藥型罩錐角控制在120°左右效果最好。

2.2　不同藥型罩壁厚下干擾效果對比

在LEFP成型和侵徹的過程中，藥型罩壁厚對其有很大的影響。藥型罩壁厚過薄容易導(dǎo)致形成的LEFP在成型過程中被拉斷，壁厚過厚易導(dǎo)致形成的LEFP長徑比較小，這都將影響其侵徹能力。對藥型罩壁厚分別為1、2、3、4mm時形成的LEFP干擾桿式穿甲彈過程進行數(shù)值模擬，其中桿式穿甲彈入射角為0°，錐角為120°。圖6為不同壁厚的藥型罩形成的LEFP在穩(wěn)定時的形態(tài)圖。

由圖6可以看出，隨著藥型罩壁厚的增加，所形成的LEFP長徑比逐漸減小，而斷面密實度逐漸增加。壁厚為1mm的藥型罩由于形成LEFP的質(zhì)量較小，長徑比和斷面密實度均不理想。其中壁厚為2mm的藥型罩形成的LEFP雖然長徑比較大，但中間有徑縮出現(xiàn)；壁厚4mm的藥型罩形成的LEFP雖然中心密實度高，但長徑比較?。槐诤駷?mm的藥型罩所形成的LEFP長徑比和斷面密實度分配較為合理。

圖7為桿式穿甲彈受干擾后的形態(tài)圖，圖8為不同壁厚下侵徹靶板效果圖，表4為不同壁厚下干擾結(jié)果對比。

表4　不同壁厚藥型罩干擾結(jié)果

由圖8和表4可知，隨著藥型罩壁厚的增加，LEFP穩(wěn)定后的速度逐漸增加，但彈桿受干擾后對后效靶板的穿深是先增加后降低，3mm厚度下形成的LEFP干擾效果最好。由圖7可知，3mm壁厚下對穿甲彈的侵徹效果較好，穿甲彈破裂情況也更嚴重。因此藥型罩壁厚選擇3mm形成的LEFP能更好地干擾穿甲彈的侵徹。

2.3　不同攔截角度下干擾效果對比

由于LEFP基本上是在小法線角度下防御穿甲彈，所以選取入射方向與靶板法線夾角分別為-16°、-8°、0°、8°、16°，即LEFP與穿甲彈夾角分別為106°、98°、90°、82°、74°。為研究不同攔截角度對干擾效果的影響，線性聚能裝藥均采用錐角為120°和壁厚為3mm的藥型罩。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在整個侵徹過程中，LEFP由于受到桿式穿甲彈橫向速度的影響，發(fā)生了嚴重的橫向變形，但是其縱向仍具有較高的速度，并呈斜面狀向下侵徹彈桿，對彈桿進行進一步的破壞。其中穿甲彈受干擾后的損傷圖和靶板被侵徹情況見圖9和圖10。表5為不同入射角度下后效靶板被侵徹結(jié)果。

表5　不同入射角度下后效靶板被侵徹結(jié)果

注：ψ為入射角度；l為穿甲彈穿深；d為開坑直徑。

從表5可以看出，彈桿在入射角為16°、8°、0°、-8°、-16°時的穿深分別為31、25、28、35、34mm，開坑直徑基本相同。與無干擾的情況相比，穿深分別降低了72%、77%、74%、69%、69%，穿深降低幅度無明顯變化趨勢，入射角為8°時效果較好，穿深降低幅度大。由圖9可知，入射角為8°時，LEFP和彈桿相遇時間較早，因此LEFP與彈桿發(fā)生激烈的交匯碰撞而發(fā)生毀傷斷裂時間就會提前，造成穿甲彈與其他角度下相比破碎嚴重，質(zhì)量減小幅度大，動能降低，阻礙了穿甲彈對后效靶板的進一步侵徹，且入射角度為正角度時的彈桿損傷情況要大于負角度時。因此為了降低桿式穿甲彈對主裝甲的破壞，在設(shè)計主動防護系統(tǒng)中的反導(dǎo)毀傷元結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量使其形成LEFP的飛行方向與彈桿的方向夾角接近82°。

3　結(jié)　論

(1)對不同攔截角度、不同藥型罩錐角和不同藥型罩壁厚下成型的LEFP對彈徑10mm、長度80mm、入射速度為1400m/s的桿式穿甲彈的干擾過程進行了數(shù)值模擬，LEFP穩(wěn)定時的速度隨著藥型罩錐角的增大而減小，穿深降幅卻是先增加再減小，錐角控制在120°左右時干擾效果最佳。

(2)聚能裝藥口徑40mm、裝藥高度40mm、藥型罩壁厚為3mm時線性聚能裝藥形成的LEFP長徑比和密實度較壁厚1、2和4mm形成的LEFP合理，對彈桿的侵徹效果最佳，對后效靶板的穿深降幅最大。

(3)當(dāng)桿式穿甲彈入射方向與靶板法線方向夾角為正時，LEFP干擾桿式穿甲彈的效果要優(yōu)于夾角為負時的情況；當(dāng)入射角為8°時，被LEFP干擾后的桿式穿甲彈對后效靶板的穿深降幅最大為77%，防護效果最佳。

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