裝備戰(zhàn)場(chǎng)損傷試驗(yàn)布局設(shè)計(jì)仿真研究*

陳 材，石 全，尤志鋒，郭馳名，戈洪宇

（1.陸軍工程大學(xué)裝備指揮與管理系，石家莊 050003；2.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001）

0 引言

隨著各種精確制導(dǎo)武器命中精度的不斷提高，裝備在戰(zhàn)時(shí)遭到打擊的概率越來(lái)越大，加深對(duì)裝備戰(zhàn)場(chǎng)損傷規(guī)律的研究，對(duì)于提高裝備戰(zhàn)時(shí)生存力具有十分重要的意義。而戰(zhàn)場(chǎng)損傷規(guī)律的研究必須基于大量的戰(zhàn)場(chǎng)損傷數(shù)據(jù)，目前的戰(zhàn)場(chǎng)損傷數(shù)據(jù)，一方面收集于真正的戰(zhàn)場(chǎng)，另一方面則是通過(guò)戰(zhàn)場(chǎng)損傷試驗(yàn)來(lái)獲取，前者能夠獲取的數(shù)據(jù)十分稀少，后者由于耗費(fèi)巨大，造成試驗(yàn)實(shí)施難度較大［1］。但相比戰(zhàn)場(chǎng)上獲得的數(shù)據(jù)，戰(zhàn)場(chǎng)損傷試驗(yàn)數(shù)據(jù)是目前獲取難度相對(duì)較低，且可信度最高的裝備損傷數(shù)據(jù)。因此，如何對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而最大程度地提高試驗(yàn)效能，成為裝備損傷試驗(yàn)面臨的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

文獻(xiàn)［2-4］以相似理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了利用相似模型對(duì)原模型進(jìn)行分析的試驗(yàn)方案，能夠有效解決試驗(yàn)技術(shù)、試驗(yàn)條件、研究經(jīng)費(fèi)受限等不利因素的影響，但其試驗(yàn)對(duì)象主要針對(duì)各類建筑工事，因此，對(duì)于裝備毀傷試驗(yàn)方案研究的借鑒具有一定的局限性。文獻(xiàn)［5］對(duì)部分毀傷試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行了規(guī)范，文獻(xiàn)［6］對(duì)彈藥毀傷模擬靶的試驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，二者研究重點(diǎn)在于對(duì)彈藥毀傷性能進(jìn)行分析，沒(méi)有考慮試驗(yàn)因素的變化對(duì)試驗(yàn)方案的影響。文獻(xiàn)［7-8］針對(duì)毀傷試驗(yàn)面臨的問(wèn)題，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了探索性的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并對(duì)試驗(yàn)的組織實(shí)施方法進(jìn)行了規(guī)范，但并未針對(duì)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中的具體問(wèn)題進(jìn)行分析。

本文以某型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部為威脅源，以某型裝備方艙為受攻擊對(duì)象，針對(duì)毀傷試驗(yàn)中裝備和彈藥的布局優(yōu)化問(wèn)題，建立彈藥仿真模型，分析預(yù)制破片運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)行實(shí)彈驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析破片在不同速度和不同飛散方向角下對(duì)裝備的侵徹規(guī)律，分析出在試驗(yàn)布局中威脅距離及威脅角度對(duì)裝備毀傷的影響規(guī)律，建立試驗(yàn)布局參考相圖，從而為試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)原理及流程

進(jìn)行戰(zhàn)損試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，需要考慮的因素很多，其中戰(zhàn)斗部同裝備間距離的設(shè)置和戰(zhàn)斗部同裝備間擺放角度的設(shè)置是非常重要的兩個(gè)因素，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)方案主要影響因素示意圖

其中，擺放距離指的是破片從形成到擊中目標(biāo)裝備的過(guò)程中所飛行的水平距離，由于破片飛行距離通常大大超過(guò)戰(zhàn)斗部及方艙尺寸，故本文只考慮一般情況，將其簡(jiǎn)化為戰(zhàn)斗部質(zhì)心到方艙質(zhì)心的距離。擺放角度指的是戰(zhàn)斗部赤道平面同方艙側(cè)面法線的夾角。

破片在侵徹目標(biāo)裝備時(shí)，入射速度和入射角度的改變都將影響到裝備最終的損傷模式，而入射速度是隨著破片飛行距離的變化而變化，入射角則是隨著戰(zhàn)斗部同裝備間擺放角度的變化而變化，同時(shí)也受到破片飛散方向角的影響，其值等于擺放角度同飛散方向角之和。因此，不同的距離和不同的擺放角度將直接影響破片打擊目標(biāo)裝備的入射速度和入射角度，結(jié)合破片在不同入射速度和入射角度下的侵徹規(guī)律分析，就可建立以擺放距離和擺放角度為影響因素的試驗(yàn)布局參考相圖。具體分析流程如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)布局設(shè)計(jì)流程圖

2 預(yù)制破片飛散數(shù)值模擬及驗(yàn)證

2.1 數(shù)值仿真模型的建立

選取某型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部作為威脅源，其實(shí)體如圖3 所示。建立數(shù)值仿真模型時(shí)，在不影響戰(zhàn)斗部主體結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的戰(zhàn)斗部模型主要由TNT 裝藥、內(nèi)襯、球形預(yù)制破片、外襯和端蓋5 部分組成，如圖4 所示。

圖3 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部實(shí)體

圖4 簡(jiǎn)化后戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)示意圖

利用Autodyn 有限元仿真軟件對(duì)戰(zhàn)斗部爆炸過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。為了提高運(yùn)算效率，利用破片周向排列軸對(duì)稱的特征，只建立戰(zhàn)斗部1/4 數(shù)值模型。仿真模型中，外襯及端蓋為鋁合金，預(yù)制破片為鎢合金，內(nèi)襯為鋼，裝藥則為TNT 炸藥。材料模型參數(shù)見表1，均可從AUTODYN 的材料庫(kù)中進(jìn)行選取。

表1 數(shù)值模型中的材料模型參數(shù)

為提高運(yùn)算精度，在劃分網(wǎng)格時(shí)各部分網(wǎng)格最小值均設(shè)為1 mm，其中空氣、TNT 裝藥采用Euler網(wǎng)格，其余部件采用Lagrange 網(wǎng)格，兩種網(wǎng)格類型間通過(guò)流固耦合算法模擬爆轟產(chǎn)物對(duì)固體物質(zhì)的作用。構(gòu)建好的戰(zhàn)斗部模型和流固耦合計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 戰(zhàn)斗部數(shù)值和流固耦合計(jì)算模型

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

為了直觀地觀察預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸后破片的飛散規(guī)律和空間分布規(guī)律，只對(duì)破片單元單獨(dú)進(jìn)行顯示，對(duì)戰(zhàn)斗部其他單元進(jìn)行隱藏處理。不同時(shí)刻預(yù)制破片飛散情況如圖6 所示。

圖6 預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆炸破片飛散圖

從圖中可以看出，預(yù)制破片戰(zhàn)斗部裝藥起爆后，在爆轟波和爆轟產(chǎn)物的作用下，戰(zhàn)斗部逐漸開始膨脹變大，中間部位向外鼓起，同時(shí)預(yù)制破片逐漸開始飛散，且飛散比較均勻，整體呈橢圓形形態(tài)。從速度云圖可以看出，由于爆轟波和爆轟產(chǎn)物首先作用于戰(zhàn)斗部赤道平面處殼體，然后向兩側(cè)擴(kuò)展，因此，戰(zhàn)斗部中間部位破片速度大于兩側(cè)，此外在端蓋處，由于端蓋的側(cè)向膨脹，使得端蓋處的壓力迅速減小，導(dǎo)致此處破片受到的推動(dòng)力迅速下降，因此，獲得的速度也最小。

目前，戰(zhàn)斗部爆炸威力可通過(guò)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行表示，即飛散角和破片速度［9］。其中飛散角指的是戰(zhàn)斗部?jī)啥似破w散方向形成的張角，在實(shí)踐中則是以戰(zhàn)斗部裝藥質(zhì)心為頂點(diǎn)，將包含90%有效破片的張角定義為飛散角。通過(guò)仿真獲取的預(yù)制破片運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)參數(shù)，可計(jì)算得到破片飛散方向同戰(zhàn)斗部赤道平面YOZ 的夾角φ，并定義夾角φ 沿Y 軸順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，反之為?fù)，如圖7 所示。

圖7 破片飛散方向示意圖

統(tǒng)計(jì)不同夾角φ 內(nèi)的破片數(shù)量，如表2 所示。

表2 預(yù)制破片飛散方向統(tǒng)計(jì)表

由飛散角的定義可計(jì)算得到戰(zhàn)斗部預(yù)制破片飛散角為20°，飛散方向角φ 最大為10°。統(tǒng)計(jì)飛散角內(nèi)有效破片，可得破片速度分布在922 m/s 到1 270 m/s 之間，平均速度為1 158 m/s。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)預(yù)制破片戰(zhàn)斗部實(shí)彈爆炸試驗(yàn)，分別采集破片速度及飛散方向角相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

首先采用金屬絲網(wǎng)靶法對(duì)破片速度進(jìn)行測(cè)算。在戰(zhàn)斗部一側(cè)布設(shè)3 組測(cè)速靶，3 組測(cè)速靶靶間間隔相同，設(shè)戰(zhàn)斗部同1 靶之間間距為x1，靶間間距分別為x2，x3，x4。通過(guò)記錄破片切斷金屬絲產(chǎn)生的電壓脈沖信號(hào)，就可測(cè)得破片通過(guò)距離xi（i=1，2，3，4）時(shí)的時(shí)間ti（i=1，2，3，4）。試驗(yàn)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8所示。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖8 測(cè)速靶布設(shè)圖

其中，xi為靶間距離，vi為破片穿過(guò)靶間距離的平均速度，其計(jì)算公式如下，

表3 破片測(cè)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

式中：ri為第i 塊斷靶到爆心的距離，ti為破片到達(dá)第i 塊斷靶的時(shí)間，n 為靶標(biāo)數(shù)量。

根據(jù)以上計(jì)算模型，可得破片平均初速為1 093 m/s。破片衰減系數(shù)為0.06。而通過(guò)數(shù)值仿真得到的破片平均初速為1 158 m/s，同實(shí)測(cè)初速誤差為5.9%，在允許的誤差范圍之內(nèi)，因此，可以證明數(shù)值仿真模型的破片飛散速度是可信的。

同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，利用數(shù)值仿真確定的飛散角數(shù)據(jù)，分別在飛散區(qū)和相鄰飛散區(qū)設(shè)置目標(biāo)靶板，通過(guò)分析擊中不同飛散區(qū)靶板破片的數(shù)量關(guān)系，達(dá)到驗(yàn)證數(shù)值仿真模型飛散角可信性的目的。試驗(yàn)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9 所示。最終收集到的破片數(shù)據(jù)如表4 所示。

圖9 破片飛散角驗(yàn)證試驗(yàn)布置圖

由表4 可知，破片主要集中在飛散區(qū)，可以證明通過(guò)數(shù)值仿真模型獲取的飛散角是可信的。

表4 破片飛散角驗(yàn)證結(jié)果

3 破片侵徹靶板損傷相圖分析

通常情況下，具有方艙結(jié)構(gòu)的裝備防護(hù)性較弱，且靠近方艙內(nèi)壁處多為由精密電子元器件組成的機(jī)柜等結(jié)構(gòu)，一旦破片穿透方艙壁擊中某個(gè)元器件，都將對(duì)裝備性能造成影響，因此，對(duì)于此類裝備而言，可認(rèn)為破片一旦穿透方艙壁，就會(huì)對(duì)裝備造成損傷。本文以入射速度和入射角度為坐標(biāo)軸，建立破片侵徹方艙的損傷相圖。

以某型具有方艙結(jié)構(gòu)的裝備為例，設(shè)定方艙壁模擬靶板厚度為6 mm，長(zhǎng)和寬尺寸均為50 mm，材料為鋁合金板。預(yù)制破片半徑為2 mm，其材料參數(shù)保持不變。建立好的破片侵徹方艙靶板模型如圖10所示。

圖10 破片侵徹靶板模型

通過(guò)賦予球形破片不同速度、不同飛行角度，反復(fù)進(jìn)行撞擊靶板試驗(yàn)，可得到球形破片對(duì)靶板造成不同毀傷效果時(shí)的打擊參數(shù)，其中主要包括破片垂直入射時(shí)穿透靶板的最小速度和垂直入射時(shí)發(fā)生反彈的最大速度，以及破片在不同速度下穿透靶板和產(chǎn)生跳飛現(xiàn)象的入射角度，利用這些數(shù)據(jù)就可分析出方艙的穿透曲線和跳飛曲線，并以此建立破片侵徹方艙的損傷相圖。如圖11 所示，為當(dāng)入射角為0°時(shí)破片剛好穿透靶板和產(chǎn)生反彈的損傷模式，此時(shí)入射速度分別為345 m/s 和150 m/s。

圖11 入射角0°時(shí)破片打擊靶板不同損傷模式

此外，分別分析破片在入射速度為300 m/s、375 m/s、450 m/s、525 m/s 和600 m/s 時(shí)，產(chǎn)生穿透和跳飛現(xiàn)象的入射角。統(tǒng)計(jì)以上試驗(yàn)結(jié)果，可得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

如圖12 所示，為速度375 m/s 時(shí)，破片打擊靶板過(guò)程中所產(chǎn)生的不同損傷模式。

圖12 破片打擊靶板不同損傷模式

根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)，利用3 次樣條插值函數(shù)，可得球形破片對(duì)方艙模擬靶板的撞擊相圖，如圖13所示。

由圖13 可知，在不同的速度和入射角度下，球形破片打擊靶板可出現(xiàn)穿透、嵌入和跳飛3 種損傷模式。當(dāng)入射角度一定時(shí)，隨著入射速度的增大，破片打擊靶板將依次產(chǎn)生跳飛、嵌入和穿透的損傷模式；當(dāng)入射速度小于150 m/s 時(shí)，無(wú)論入射角度如何變化，破片都只將產(chǎn)生跳飛的損傷模式，當(dāng)速度處于150 m/s 和350 m/s 之間時(shí)，隨著入射角度的增大，破片打擊靶板將依次出現(xiàn)嵌入和跳飛的損傷模式，而當(dāng)速度大于350 m/s 時(shí)，隨著入射角度的增大，破片打擊靶板將依次出現(xiàn)穿透、嵌入和跳飛的損傷模式。

圖13 球形破片撞擊靶板損傷相圖

4 試驗(yàn)布局參考相圖的建立

圖14 預(yù)制破片速度衰減曲線

由速度衰減曲線可得到當(dāng)破片速度為不同值時(shí)所飛行的距離，如表6 所示。

表6 破片不同速度時(shí)的飛散距離

結(jié)合表5、表6 數(shù)據(jù)可知破片打擊靶板產(chǎn)生不同損傷模式時(shí)所對(duì)應(yīng)的飛散距離及入射角度，同時(shí)由圖1 可知，裝備擺放角度β、破片飛散方向角φ 和破片入射角度之間的關(guān)系為：

其中，破片飛散方向角取值范圍為［-10°，10°］。由此可得破片打擊靶板產(chǎn)生不同損傷模式時(shí)所對(duì)應(yīng)的破片飛散距離及裝備擺放角度，從而建立以裝備擺放角度和擺放距離為影響因素的試驗(yàn)布局參考相同，如圖15 所示。

圖15 戰(zhàn)損試驗(yàn)試驗(yàn)布局參考相圖

由圖可知，當(dāng)裝備相對(duì)戰(zhàn)斗部的擺放距離和擺放角度不同時(shí)，其損傷模式主要有穿透和跳飛，其中過(guò)渡區(qū)內(nèi)的損傷模式既有穿透和跳飛，也有嵌入。因此，在進(jìn)行試驗(yàn)布局時(shí)，若試驗(yàn)?zāi)康闹饕且圆杉囟葥p傷和中度損傷數(shù)據(jù)為主，則擺放角度和擺放距離可在穿透區(qū)和過(guò)渡區(qū)內(nèi)進(jìn)行選擇；若試驗(yàn)?zāi)康闹饕且圆杉p度損傷和中度損傷數(shù)據(jù)為主，則擺放角度和擺放距離可在跳飛區(qū)和過(guò)渡區(qū)內(nèi)進(jìn)行選擇。

5 結(jié)論

1）通過(guò)AUTODYN 建立的某型預(yù)制破片戰(zhàn)斗部仿真模型，爆炸后破片速度仿真值同實(shí)測(cè)值誤差為5.9%，破片飛散角仿真結(jié)果同實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合，證明了此型號(hào)戰(zhàn)斗部的仿真模型和仿真數(shù)據(jù)的可信性；

2）預(yù)制破片對(duì)方艙模擬靶板進(jìn)行侵徹，產(chǎn)生的損傷模式主要有穿透、跳飛和嵌入，而入射速度和入射角度的不同組合，最終對(duì)靶板造成的損傷模式各不相同，通過(guò)建立破片撞擊靶板損傷相圖，能夠迅速直觀地看出二者之間的關(guān)系以及對(duì)最終損傷模式的影響規(guī)律。

3）通過(guò)建立戰(zhàn)損試驗(yàn)布局參考相圖，能夠準(zhǔn)確迅速地確定裝備擺放角度同擺放距離之間的關(guān)系，從而在進(jìn)行試驗(yàn)方案制定時(shí)，能夠幫助試驗(yàn)人員根據(jù)試驗(yàn)需求合理地選擇裝備的擺放角度和擺放距離，從而達(dá)到降低試驗(yàn)成本，提高試驗(yàn)效率的目的。