低碳金屬板對帶攻角侵徹彈體的動態(tài)響應(yīng)仿真分析

張昆 羅剛 謝偉

摘要：為提高水面艦船結(jié)構(gòu)抗半穿甲彈侵徹防護(hù)設(shè)計(jì)水平，采用LS-DYNA仿真分析45鋼Tayler桿撞擊效應(yīng)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證仿真分析方法的正確性。仿真分析圓柱形彈體斜侵徹和帶攻角侵徹低碳金屬靶板，認(rèn)為彈體斜侵徹低碳金屬板時(shí)的侵徹能力比帶攻角侵徹時(shí)的侵徹能力差，且隨著斜侵徹角度增加，彈體侵徹能力急劇下降。研究結(jié)果為水面艦船結(jié)構(gòu)抗半穿甲彈侵徹設(shè)計(jì)提供思路，改變彈體姿態(tài)比改變彈體的攻角更有效。

關(guān)鍵詞：低碳金屬板;半穿甲彈;侵徹;攻角;動態(tài)響應(yīng);彈體姿態(tài)

中圖分類號：O385;TG113.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0063-05

0?引?言

半穿甲彈（如反艦導(dǎo)彈）是水面艦船最大的威脅，其主要通過侵徹艦船結(jié)構(gòu)進(jìn)入艦船內(nèi)部爆炸，從而實(shí)現(xiàn)對艦船的毀傷。對該類型武器的防御主要有2種方法：（1）使半穿甲彈遠(yuǎn)離重要艙室降低其穿甲能力;（2）提高重要艙室抗內(nèi)爆的防護(hù)能力。其中，降低半穿甲彈的穿甲能力是最有效的方法，各國學(xué)者均從理論、實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等多方面開展大量研究。[1-5]熊飛等[6]研究不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄板的侵徹能力，提出針對不同裝甲板厚度選定不同彈頭形狀的建議;陳小偉等[7-8]分析平頭彈穿透金屬靶板模式，并據(jù)此給出穿甲的理論模型。對于水面艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，降低半穿甲彈穿甲能力有2種思路：增加彈體的斜侵徹角度或者增加彈體的攻角。到底哪種思路更有效，是至關(guān)重要的問題。

首先，本文采用LS-DYNA對陳剛等[9]的試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證仿真方法的正確性;然后，仿真分析圓柱形剛體彈斜侵徹和帶攻角侵徹某船用低碳金屬材料靶板后彈體的剩余速度，以此評估2種侵徹模式對彈體侵徹能力的影響;最后，提出水面艦船結(jié)構(gòu)抗半穿甲彈侵徹防護(hù)的設(shè)計(jì)思想。

1?圓柱形45鋼Tayler桿撞擊靶板試驗(yàn)仿真驗(yàn)證

1.1?材料模型

材料模型參數(shù)與文獻(xiàn)[9]完全一致，45鋼的本構(gòu)模型采用Johnson-Cook模型，即

1.2?有限元模型

在ANSYS中建立有限元模型，彈體材料為45鋼，形狀為直徑25 mm、長度100 mm的圓柱體，采用1 mm×1 mm×1 mm的SOLID164單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格;被撞擊鋼板為100 mm×100 mm×20mm的剛體，采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。Tayler桿撞擊鋼板有限元模型示意見圖1。

1.3?初始撞擊速度

為保證仿真計(jì)算與試驗(yàn)的一致性，Tayler桿采用與文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)相同的撞擊速度v，具體見表1。

1.4?仿真計(jì)算結(jié)果對比分析

45鋼Tayler桿以217 m/s的初速度撞擊鋼板，計(jì)算得到的Tayler桿塑性應(yīng)變云圖見圖2，文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)結(jié)果見圖3，可見兩者基本一致。

直徑25 mm的Tayler桿以217 m/s的速度撞擊鋼板后，頂部出現(xiàn)墩粗，直徑約38.2 mm。仿真得到的Tayler桿直徑D變化歷程見圖4，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

采用上述方法，分別計(jì)算表1所有初始撞擊速度下Tayler桿的最終墩粗直徑，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]試驗(yàn)結(jié)果的對比見表2。

仿真計(jì)算得到的墩粗直徑與試驗(yàn)值吻合很好，可知本文采用的仿真計(jì)算方法合理可行。

2?船用低碳金屬材料靶板侵徹響應(yīng)分析

2.1?有限元模型介紹

靶板材料采用45鋼，材料參數(shù)同第1.1節(jié)，靶板尺寸為200 mm×200 mm×10 mm，網(wǎng)格單元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元;彈體圓柱體直徑為20 mm，長為100 mm，網(wǎng)格單元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元，彈體視為剛體，密度ρ=7.85 mg/mm3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.33。圓柱彈體和靶板有限元模型見圖5。

2.2?計(jì)算工況

討論2種侵徹方式對侵徹性能的影響，從而對艦船抗穿甲防護(hù)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，因此主要研究斜侵徹角度和攻角對彈體侵徹靶板的影響。取彈體的合初速度為450 m/s，計(jì)算工況見表3。

斜侵徹角度，即令彈體速度方向與靶板法線相同，彈體中心線與靶板法線的角度;帶攻角侵徹角度，即令彈體速度方向與彈體中心線相同，彈體速度方向與彈體靶板法線的角度。侵徹角度示意見圖6。

2.3?不同工況下彈體侵徹靶板仿真分析

工況1為彈體正向侵徹船用低碳金屬材料靶板，其塑性應(yīng)變云圖見圖7，彈體的速度曲線見圖8。

采用同樣的計(jì)算方法，計(jì)算得到各工況下彈體的剩余速度，見表4。

彈體斜侵徹時(shí)，隨著侵徹角度的不斷增大，彈體剩余速度下降明顯，特別當(dāng)彈體斜侵徹攻擊角度達(dá)到30°時(shí)，彈體被金屬靶板完全防護(hù)，未能穿過靶板，此時(shí)彈體侵徹靶板的最終塑性應(yīng)變云圖見圖9，彈體的速度曲線見圖10。

彈體帶攻角侵徹時(shí)，攻角等于侵徹角度。隨著攻角的不斷增大，彈體的剩余速度也不斷下降，但下降的趨勢沒有斜侵徹時(shí)下降得快。當(dāng)攻角為30°時(shí)，彈體最終侵徹靶板的塑性應(yīng)變云圖見圖11，彈體的速度曲線見圖12。

2.4?2種侵徹模式對比分析

斜侵徹時(shí)，隨著侵徹角度的增大，彈體與靶板的接觸面積會顯著增加，是導(dǎo)致彈體侵徹能力下降的主要原因;帶攻角侵徹時(shí)，隨著攻角的增大，彈體侵徹靶板的有效面積也增加，是導(dǎo)致彈體侵徹能力下降的主要原因。隨著侵徹角度的增大，彈體侵徹能力均不斷下降，但斜侵徹侵徹角度增加對彈體侵徹能力下降的影響程度明顯高于帶攻角侵徹時(shí)攻角增大的影響程度。

由以上分析可知：彈體斜侵徹船用低碳鋼金屬靶板時(shí)，隨著侵徹角度的增大，彈體的侵徹能力不斷下降;在斜侵徹過程中，彈體與靶板的接觸時(shí)間和接觸面積明顯增加，彈體侵徹靶板能力大大降低;與正向侵徹相比，彈體帶攻角侵徹靶板時(shí)，彈體與靶板的有效接觸面積增加，因此隨著攻角的不斷增大彈體的侵徹能力不斷下降;與彈體帶攻角侵徹相比，彈體斜侵徹時(shí)侵徹能力更低。

3?結(jié)?論

（1）本文采用LS-DYNA仿真分析45鋼Tayler桿撞擊鋼板試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值吻合，證明本文采用的仿真方法合理可行。

（2）對于斜侵徹與帶攻角侵徹2種工況，斜侵徹時(shí)彈體的侵徹能力更低。

（3）對于水面艦船防彈體侵徹設(shè)計(jì)，應(yīng)著力改變彈體的侵徹角度而不是改變彈體的攻角，這樣既容易實(shí)現(xiàn)又更加有效。

采用LS-DYNA仿真分析彈體侵徹船用低碳鋼的侵徹過程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明斜侵徹時(shí)彈體的侵徹能力比帶攻角侵徹時(shí)更低，改變彈體侵徹角度能夠有效實(shí)現(xiàn)對彈體的高效防護(hù)，該結(jié)論對水面艦船結(jié)構(gòu)抗半穿甲彈侵徹防護(hù)設(shè)計(jì)大有裨益。

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（編輯?武曉英）