基于典型艦船結(jié)構(gòu)特征的陸地靶標(biāo)設(shè)計方案

吳子奇，徐振桓，王志凱，王治，姚熊亮

哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

0 引 言

水面艦船通常受到來自頂空攻擊和掠海飛行反艦導(dǎo)彈的威脅［1］。以往，是以侵徹鋼質(zhì)均厚板架的厚度來標(biāo)定反艦導(dǎo)彈的侵徹打擊能力［2］，然而，實際的艦船結(jié)構(gòu)均為布置有縱桁和橫梁的正交薄板板架結(jié)構(gòu)［3］，并無目標(biāo)厚度均厚的鋼板結(jié)構(gòu)，因此，目標(biāo)厚度均厚鋼板結(jié)構(gòu)靶板無法完全反應(yīng)出艦船結(jié)構(gòu)的實際毀傷特征以及導(dǎo)彈在多層板架間彈道偏轉(zhuǎn)和飛行的姿態(tài)特征［4］。

本文擬以典型設(shè)計參數(shù)和工況的反艦導(dǎo)彈為輸入條件，基于典型水面艦船板架結(jié)構(gòu)形式及材料機械力學(xué)性能［5］，依據(jù)彈道與空間各層靶板彈著點的位置關(guān)系，并適當(dāng)考慮靶標(biāo)固定端的邊界條件以及材料的影響［6］，初步設(shè)計符合艦船結(jié)構(gòu)特征的多層陸地靶標(biāo)，考慮試驗場地等客觀限制條件，提出可用于考核反艦導(dǎo)彈對典型水面艦船實際侵徹打擊能力的多層艦船陸地靶標(biāo)系統(tǒng)［7］設(shè)計方法。

1 艦船實際板架與等效均厚板架特性分析

1.1 反艦導(dǎo)彈輸入條件及侵徹能力分析

典型的彈—靶侵徹模型如圖1所示。其中，導(dǎo)彈速度v方向與板架法線的夾角α為導(dǎo)彈著角，主要影響導(dǎo)彈彈道；而導(dǎo)彈軸線與速度方向的夾角β為導(dǎo)彈攻角，主要影響導(dǎo)彈自身翻轉(zhuǎn)。本文選取典型反艦導(dǎo)彈重量為200 kg，長徑比為6，可侵徹穿透50 mm均厚鋼板，攻角3°，著角40°，以750 m/s的速度斜侵徹的典型工況為輸入條件進行研究。

通過LS-DYNA有限元軟件，采用拉格朗日算法，對上述彈—靶侵徹模型進行數(shù)值計算。如圖2所示，板架尺寸為8 m×8 m，選取剛性固定邊界條件，板架采用船用高強度鋼，其中材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011N/m2，泊松比μ=0.3，硬化模量Et=1.448×109N/m2，屈服應(yīng)力σst=440 MPa。依據(jù)以往文獻資料，侵徹板架時，導(dǎo)彈自身不發(fā)生明顯的變形及損失，因此將導(dǎo)彈材料進行理想化處理，設(shè)置為無限強。為了提高計算精度并盡量節(jié)約計算資源，將板架被彈體侵徹區(qū)域的網(wǎng)格進行細化，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸保持恒定。

圖3為導(dǎo)彈侵徹過程示意圖。由圖可知，該厚度板架除侵徹破口區(qū)域以外，板架塑性區(qū)域面積較小。

在上述工況下，導(dǎo)彈侵徹50 mm均厚鋼板，其速度、著角和攻角變化如圖4和圖5所示。導(dǎo)彈剩余速度約為728.6 m/s，且攻角和著角幾乎無變化，后續(xù)研究將以該剩余速度作為導(dǎo)彈侵徹能力的判定條件。

1.2 艦船實際板架與等效均厚板架毀傷模式分析

以導(dǎo)彈攻角為理想彈道，根據(jù)彈道幾何特征及板架毀傷范圍，初步確定各層板架尺寸（4.5 m×4.5 m）及其位置關(guān)系。由船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)可知，板架在強力構(gòu)件處的邊界條件可近似為剛性固定邊界，所以板架四周設(shè)置為剛性固定［8］。艦船板架為布置有橫向和縱向T型材及球扁鋼等加強筋結(jié)構(gòu)的正交各向異性板，依據(jù)質(zhì)量等效原則，將艦船實際板架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效均厚板，并和實際板架侵徹毀傷模式進行對比。板架材料和導(dǎo)彈參數(shù)與典型的彈—靶侵徹模型一致，每層板架的間距為2.5 m，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實際板架結(jié)構(gòu)與等效厚度板架參數(shù)Table 1 The parameters of actual panel structure and equivalent thickness plate

導(dǎo)彈侵徹全部板架的情況如圖6所示。

導(dǎo)彈侵徹多層艦船板架的速度變化如圖7所示。在侵徹過程中，導(dǎo)彈速度呈階梯式下降，各層平臺速度即為穿透板架后在抵達下一層板架前的飛行速度。導(dǎo)彈侵徹艦船等效均厚板架時，其速度損失相近，速度呈線性下降規(guī)律。導(dǎo)彈侵徹艦船實際板架時，前3層艦船實際板架的速度損失量相近，而侵徹第4層實際板架的速度損失量明顯大于其他板架。以50 mm均厚鋼板侵徹剩余速度為判定條件，導(dǎo)彈可侵徹穿透7層等效均厚板架，但僅可侵徹穿透4層實際板架，因此，單獨以導(dǎo)彈剩余速度作為導(dǎo)彈侵徹能力的判據(jù)不夠充分。

導(dǎo)彈侵徹多層艦船板架的著角與攻角變化如圖8所示。由圖可見，導(dǎo)彈侵徹艦船實際板架的著角略大于侵徹等效均厚板架的著角，由此導(dǎo)致一定程度的彈道偏移。如圖9所示，導(dǎo)彈侵徹艦船實際板架和等效均厚板架時，較理想彈道均產(chǎn)生一定的偏移；而與侵徹實際板架產(chǎn)生的彈道偏移相比，侵徹等效均厚板架產(chǎn)生的彈道偏移幾乎可以忽略，由此說明板架加強筋結(jié)構(gòu)對導(dǎo)彈彈道有一定的影響。

隨著導(dǎo)彈侵徹過程的不斷深入，攻角不斷增大，即導(dǎo)彈自身發(fā)生翻轉(zhuǎn)。研究表明，當(dāng)導(dǎo)彈自身與板架的法向夾角大于60°時，可能會發(fā)生跳彈現(xiàn)象，或者導(dǎo)彈自身發(fā)生折斷［9］。當(dāng)侵徹至對應(yīng)板架時，導(dǎo)彈侵徹艦船實際板架的攻角明顯大于侵徹等效均厚板架的攻角，即板架加強筋結(jié)構(gòu)加劇了導(dǎo)彈自身的旋轉(zhuǎn)程度。以極限侵徹角度作為判定條件，導(dǎo)彈可侵徹穿透6層等效均厚板架，而對于實際板架，僅可侵徹穿透4層。

經(jīng)綜合比較，板架加強筋結(jié)構(gòu)對導(dǎo)彈侵徹后剩余速度和侵徹角度有顯著影響，在研究導(dǎo)彈侵徹的過程中，不能將艦船加筋板結(jié)構(gòu)等效為均質(zhì)板架。因此，用于考核反艦導(dǎo)彈侵徹打擊能力的靶標(biāo)需要設(shè)計為多層結(jié)構(gòu)，并且每層靶板均為正交異性薄板結(jié)構(gòu)。

2 基于艦船結(jié)構(gòu)特征的陸地靶標(biāo)設(shè)計

由于彈靶系統(tǒng)的復(fù)雜性，在設(shè)計靶標(biāo)的過程中，需要對其結(jié)構(gòu)進行模型化處理，以使靶標(biāo)模型的材料屬性、結(jié)構(gòu)形式、動力學(xué)性能與艦船實際相近，同時還要具備可加工性、安裝性以及經(jīng)濟性，因此提出如下假設(shè)。假設(shè)各層靶板侵徹破口附近的塑性變形區(qū)域在彈徑的3倍以內(nèi)，據(jù)此確定各層靶板的最小尺寸特征［10］。當(dāng)導(dǎo)彈質(zhì)量遠遠小于靶標(biāo)質(zhì)量時，可以忽略侵徹過程中靶標(biāo)的整體運動。由于材料的溫度不敏感性及侵徹過程的瞬時性，忽略靶標(biāo)系統(tǒng)的一切熱效應(yīng)［11］。

2.1 艦船靶標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計方案

基于第1節(jié)的研究，初步確定各層靶板層數(shù)、尺寸及破壞形式。依據(jù)典型的輸入條件和工況，確定彈道與彈著點位置關(guān)系，由此確定靶標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計方案與艦船結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)，即各層靶板均為布置橫梁、縱桁（縱骨）的正交異性板，且板與板之間不相互獨立，而是由型材圍合而成，由此設(shè)計的艦船靶標(biāo)應(yīng)該為一個完整、統(tǒng)一且形成閉環(huán)的系統(tǒng)。選取水面艦船的船中位置，考核最嚴(yán)酷條件，即使彈著點落在各層靶板中心縱骨與橫梁交會處附近，適當(dāng)調(diào)整各層靶板高度，靶板上布置有不同型號的T型材。具體參數(shù)如表2所示，每層靶板的大小為3.5 m×3.5 m，靶板材料采用上述特種鋼，靶板間距為2.5 m。

表2 靶標(biāo)系統(tǒng)各層板架參數(shù)Table 2 The frame parameters of target system

各層靶板均固定在框架結(jié)構(gòu)上，各層框架結(jié)構(gòu)頂端與底端采用T型材構(gòu)件連接，兩側(cè)采用與框架垂直的扁鋼連接，扁鋼通過與框架平行的縱骨固定，以確保扁鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過這種連結(jié)形式，使靶標(biāo)的每一部分形成一個整體，從而與實際艦船結(jié)構(gòu)更接近。根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)，板架在強力構(gòu)件處的邊界條件可以近似等效為固定邊界條件。將靶標(biāo)系統(tǒng)與地面固定，后端支架對靶標(biāo)系統(tǒng)固定，形成一個強框架系統(tǒng)，以此模擬各層靶板邊界條件。整個靶標(biāo)系統(tǒng)如圖10所示。

2.2 艦船靶標(biāo)系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報

以上述典型工況為輸入條件，基于典型艦船結(jié)構(gòu)特征的靶標(biāo)系統(tǒng)侵徹毀傷模式如圖11所示。由圖可知，導(dǎo)彈穿透了4層。

計算得到導(dǎo)彈侵徹各層靶板的速度、角度及彈道偏移如表3所示。

表3 導(dǎo)彈侵徹各層靶板的速度、角度及彈道偏移Table 3 Velocity，angle and trajectory deviation for missile penetration through target plates

設(shè)計之初，由于導(dǎo)彈自身的偏轉(zhuǎn)，彈道會發(fā)生偏移。通過調(diào)整每層靶板在垂直方向上的高度，使得戰(zhàn)斗部均打擊在靶板的中心處、著彈點位于強橫梁處，特別是第1，3，4層這3塊靶板的著彈點位于橫梁和縱桁交會處。通過數(shù)值預(yù)報，靶標(biāo)毀傷模式以及導(dǎo)彈運動規(guī)律與實際情況相近（圖12）。

各層靶板破口尺寸隨侵徹角度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。第1層靶板破口位于靶板中心橫梁與縱桁交會處，由于侵徹第1層靶板時戰(zhàn)斗部速度最快，侵徹角最小，所以破口較小，對橫梁和縱桁的撕裂較??；隨著侵徹角度的增大以及導(dǎo)彈自身的翻轉(zhuǎn)，第2層靶板的破口明顯大于第1層，并且加強筋有明顯的撕裂現(xiàn)象；第3層和第4層靶板破口位于靶板中心橫梁與縱桁交會處，破口附近有碟形彎曲塑性變形，同時伴隨有加強筋拉伸斷裂破壞現(xiàn)象。受導(dǎo)彈輸入條件及板架結(jié)構(gòu)的限制，破口形狀呈葫蘆型。各層靶板破口尺寸對比結(jié)果如圖13所示。

3 結(jié) 論

本文通過導(dǎo)彈侵徹艦船板架結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真，得出導(dǎo)彈侵徹正交加筋板與等效均厚板的差異，基于仿真結(jié)果初步設(shè)計了符合艦船實際結(jié)構(gòu)特征的陸地靶標(biāo)系統(tǒng)，并對陸地靶標(biāo)系統(tǒng)進行數(shù)值預(yù)報，得出如下結(jié)論：

1）板架加強筋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響導(dǎo)彈侵徹的剩余速度、彈道特性以及導(dǎo)彈姿態(tài)。

2）多層等效均厚薄靶均不足以反應(yīng)導(dǎo)彈實際侵徹打擊能力以及對艦船結(jié)構(gòu)的實際毀傷效果。

3）本文靶標(biāo)設(shè)計方案中，靶標(biāo)毀傷模式以及導(dǎo)彈運動規(guī)律與實際情況相近，因此陸地靶標(biāo)可用于評估艦船結(jié)構(gòu)毀傷模式和導(dǎo)彈運動規(guī)律，從而反映導(dǎo)彈對水面艦船的實際打擊能力以及毀傷效果。

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