船體裝甲外板抗穿甲數(shù)值仿真研究

吳暉　徐峰

摘 要：水面艦艇是現(xiàn)代海戰(zhàn)中不可或缺的重要組成部分，通過開展典型反艦導彈戰(zhàn)斗部對船體裝甲外板抗穿甲數(shù)值仿真分析，用剩余速度和偏轉角來評價船體裝甲外板抗穿甲性能，得到了裝甲外板板厚、水平構件規(guī)格、球扁鋼間距等因素變化對裝甲外板抗穿甲性能的影響規(guī)律，以及戰(zhàn)斗部仰角、偏角的變化對裝甲外板抗穿甲性能的影響規(guī)律，為船體裝甲外板的防護設計提供一定的參考。研究表明：適當增加板厚，可以提高裝甲外板的整體抗穿甲性能；適當將裝甲外板設計成縱傾和橫傾，可以有效提高裝甲外板的防護效果。

關鍵詞：抗穿甲；剩余速度；裝甲外板

中圖分類號：U 674.13+1 文獻標識碼：A

Abstract： Surface ship is an indispensable part of modern naval warfare. Through anti penetrating simulation analysis of a typical anti-ship missile warhead of hull armored outer plate， using residual velocity and deflection angle to evaluate the anti penetration performance of the hull armored outer plate， obtaining the influence on anti penetrating performance of the armored outer plate due to the change of armored outer plate thickness， horizontal component specifications， the distance of bulb steel， elevation and declination of warhead. It concludes that increasing the thickness of plate properly can improve the overall anti penetrating performance of the armored outer plate； designing the armored outer plate into trim and heeling properly can effectively improve the protective effect of the armored outer plate.

Key words： Anti penetrating； Residual velocity； Armored outer plate

1 引言

水面艦艇是現(xiàn)代海戰(zhàn)中不可或缺的重要組成部分，其攻擊能力和抗打擊能力是衡量艦艇戰(zhàn)斗力的兩個重要方面。反艦導彈已逐漸成為現(xiàn)代海戰(zhàn)中水面艦艇的頭號殺手，任何一艘艦艇在戰(zhàn)時執(zhí)行任務的過程中不可避免地會遭到敵方反艦導彈的穿甲破壞，一旦被其擊沉將對戰(zhàn)爭格局產(chǎn)生重大影響。

船體裝甲外板作為水面艦艇的第一道防線，其作用是盡量阻止反艦導彈的動能穿甲，不讓戰(zhàn)斗部進入船體內部爆炸，因此裝甲防護設計越來越引起重視。對穿甲問題的研究主要有下列三種方法：（1）理論方法。它是基于能量原理，提出穿甲破壞模型[1]；（2）試驗方法。它是通過試驗，開展裝甲彈穿甲試驗研究，得到了終點彈道參數(shù)和裝甲外板毀傷破壞模式以及穿甲特性[2-3]；（3）數(shù)值仿真方法。它是利用大型通用有限元軟件，開展穿甲的數(shù)值仿真計算，一方面與試驗結果和理論計算進行對比，驗證仿真方法的正確性；另一方面，指導裝甲防護設計[4-5]。

本文通過典型反艦導彈戰(zhàn)斗部對船體裝甲外板進行穿甲數(shù)值仿真分析，通過戰(zhàn)斗部剩余速度和偏轉角來評價裝甲外板防護性能，獲得影響船體裝甲外板抗穿甲性能的規(guī)律，為裝甲外板的防護設計提供一定的參考。

2 穿甲過程在有限元方法中的實現(xiàn)過程

在建模能力比較強大的軟件（如Hypermesh）中建立有限元模型，進行適當?shù)奶幚砗笊蒶文件，k文件里面包含有所有節(jié)點和單元信息等。一般情況下，不能直接使用生成的k文件，否則會有錯誤提示，因此需要進行適當修改，添加必要的控制參數(shù)，然后將k文件提交到LS-DYNA求解器進行求解。計算結束后，使用LS-DYNA求解器自帶的后處理程序LS-PREPOST查看計算結果，如應力、應變、速度、加速度等。最后，分析計算結果。圖1所示為穿甲問題技術實現(xiàn)流程。

3 計算模型及材料

3.1 計算模型

圖2為彈靶穿甲系統(tǒng)結構圖：外形尺寸為2000 mm×2 000 mm、板厚為14 mm；豎向T型材布置在中間，規(guī)格為8×320/14×140；水平球扁鋼間距L=500 mm，按照慣性矩等效原則簡化為T型材，規(guī)格為6×140 /7.5×60，其數(shù)量根據(jù)裝甲外板外形尺寸和球扁鋼間距確定。

圖3為假定的反艦導彈戰(zhàn)斗部有限元模型：彈體長600 mm、彈徑300 mm、彈速255 m/s；材料選用30CrMnSiNi2A鋼，用實體單元建模，單元數(shù)為3904。

圖4為裝甲外板有限元模型：板和構件材料選用高強度鋼，用殼單元模擬，單元數(shù)為7212，裝甲外板四周采用固支約束。

圖5為戰(zhàn)斗部撞擊裝甲外板示意圖，戰(zhàn)斗部著靶點為裝甲外板幾何中心，即豎向T型材與中間水平球扁鋼交點處。

3.2 材料模型

在低速沖擊的數(shù)值分析中，材料參數(shù)如表1；材料模型采用塑性動態(tài)硬化模型，其Cowper-Symmonds方程為：

4 板厚對抗穿甲性能的影響

裝甲外板厚度：8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，豎向T型材規(guī)格為8×320/14×140，水平球扁鋼規(guī)格為6×140/7.5×60。圖6為戰(zhàn)斗部剩余速度隨裝甲外板厚度的變化，裝甲外板板厚對戰(zhàn)斗部剩余速度的影響較大，呈線性減?。貉b甲外板厚為8mm時，戰(zhàn)斗部剩余速度為231.9 m/s，速度損失23.1 m/s；裝甲外板厚為18 mm時，剩余速度為215.5 m/s，速度損失39.5 m/s。由此可見，適當增加板厚，對提高裝甲外板的整體抗穿甲性能效果明顯。endprint

5 水平球扁鋼規(guī)格對抗穿甲性能的影響

水平球扁鋼選取規(guī)格分別為：4×100/5.5×40、4×120/6×50、6×140/7.5×60、7×160 /8×75和8×180 /10×90（對應定義為10號、12號、14號、16號和18號），裝甲外板板厚取14 mm，豎向T型材規(guī)格為8×320/14×140。圖7為戰(zhàn)斗部剩余速度隨水平球扁鋼規(guī)格的增加，略微減小，影響不大但導致重量增加；取10號構件時，戰(zhàn)斗部剩余速度為228.3 m/s，速度損失26.7 m/s；取18號構件時，戰(zhàn)斗部剩余速度為222.6 m/s，速度損失32.4 m/s。

6 水平球扁鋼間距對抗穿甲性能影響

水平球扁鋼間距?。?00 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm和900 mm，裝甲外板板厚取14 mm，水平球扁鋼規(guī)格為6 mm×140 mm/7.5 mm×60 mm，數(shù)量分別為9根、7根、5根、3根、3根、3根、3根、3根，豎向T型材規(guī)格為8 mm×320 mm/14 mm×140 mm。圖8反映了戰(zhàn)斗部剩余速度隨水平球扁鋼間距的變化：當水平球扁鋼間距L為200 mm～500 mm時，戰(zhàn)斗部剩余速度由220.8 m/s增加到223.8 m/s，裝甲外板質量由688.4 kg減小到567.7 kg；當間距由500 mm增加到900 mm時，戰(zhàn)斗部剩余速度幾乎不變。由此可知，水平球扁鋼間距對裝甲外板的防護性能影響較小，但是減重效果明顯。

7 穿甲角度對抗穿甲性能的影響

戰(zhàn)斗部在飛行過程中由2種角度控制（如圖9所示）：AO為戰(zhàn)斗部軸線，AO′為AO在xz平面的投影，AO與AO′的夾角α定義為飛行仰角，AO′與x軸的夾角β定義為飛行偏角，裝甲外板平面與y-A-z平面平行。

7.1 仰角對抗穿甲性能的影響

取仰角α=0o、10o、20o、30o、40o、50o、60o和70o，偏角β=0o。

圖12和圖13所示分別為戰(zhàn)斗部在=60o、70o時裝甲外板的抗穿甲損傷圖。由圖可見：裝甲外板主要損傷特征是T型材產(chǎn)生傾斜破口，面板翻邊。此外，隨著仰角的增加，戰(zhàn)斗部飛行姿勢也會發(fā)生改變，甚至是發(fā)生翻轉。

圖14為戰(zhàn)斗部偏轉角隨仰角α的變化曲線：當α≤50o時，戰(zhàn)斗部會在原入射方向上發(fā)生不同程度的偏轉。從圖14可以看出，當仰角α=0o～ 20o時，戰(zhàn)斗部偏轉角增加；當α=20o～ 40o時，偏轉角幾乎不變；當α= 40o～ 50o時，戰(zhàn)斗部偏轉角繼續(xù)增加。當α≥60o時，戰(zhàn)斗部發(fā)生跳飛，即改變入射方向。

圖15為戰(zhàn)斗部剩余速度隨仰角的變化曲線：當α=0o～ 30o時，仰角對戰(zhàn)斗部剩余速度影響較?。划敠?30o～ 60o時，戰(zhàn)斗部剩余速度由222.2 m/s減小到192.4 m/s，裝甲外板的防護效果非常明顯；當α=60o～ 70o時，出現(xiàn)了反常，這可能是由于邊界的影響所致。

綜上分析：仰角α=30o～ 60o時，戰(zhàn)斗部剩余速度明顯減小，且方向發(fā)生偏轉，可以有效保護重點艙室；超過60o后，戰(zhàn)斗部發(fā)生跳飛，對重點艙室?guī)缀醪粫a(chǎn)生威脅。因此在進行船體裝甲外板設計時，適當將裝甲外板設計成縱傾可以提高裝甲外板的防護效果。

7.2 偏角對抗穿甲性能的影響

取偏角β=0o、10o、20o、30o、40o、50o、60o和70o，仰角α=0o。

圖16和圖17分別為戰(zhàn)斗部在偏角β=60o、70o下的穿甲損傷圖。由圖可見：裝甲外板主要損傷特征為背面有花瓣形突起，朝碰撞方向伸張，T型材連接處保存完好；偏角β較小時，T型材受到強烈的擠壓，腹板扭曲嚴重，隨著角度的增加扭曲程度減弱；隨著偏角的增加，戰(zhàn)斗部飛行姿勢會發(fā)生改變，甚至是發(fā)生翻轉。

圖18為戰(zhàn)斗部偏轉角隨偏角β的變化曲線：當β=0o～ 30o時，戰(zhàn)斗部偏轉角隨β的增加而增大；當β=40o～ 50o時，戰(zhàn)斗部偏轉角基本不變；當60o時，戰(zhàn)斗部發(fā)生跳飛，即改變原入射方向。

圖19為偏角β對戰(zhàn)斗部剩余速度的影響曲線：當β=0o～ 20o時，戰(zhàn)斗部剩余速度略微增加，其原因可能是由于隨著角度的增加，碰撞點附近T型材的影響減弱所致；當β=30o～ 70o時，戰(zhàn)斗部剩余速度由227.8 m/s減小到202.1 m/s，在此種角度下裝甲外板的防護效果非常明顯。

綜上分析，當β=30o～ 70o時，戰(zhàn)斗部剩余速度明顯減小，且方向發(fā)生了偏轉，可以有效保護重點艙室；當β>60o時，戰(zhàn)斗部發(fā)生跳飛，對重點艙室?guī)缀醪粫a(chǎn)生威脅。因此在設計裝甲外板時，適當將裝甲外板設計成橫傾，可以提高裝甲外板的防護效果。

8 結語

本文利用LS-DYNA分析了裝甲外板板厚、水平球扁鋼規(guī)格、水平球扁鋼間距、穿甲角度等因素變化對裝甲外板抗穿甲性能的影響得出：適當增（下轉第頁）（上接第頁）

加板厚，可以提高裝甲外板的整體抗穿甲性能；水平球扁鋼規(guī)格以及間距對裝甲外板的防護性能影響不明顯；仰角和偏角對戰(zhàn)斗部飛行姿勢的影響較明顯，一般情況下在角度超過60°后戰(zhàn)斗部將發(fā)生跳飛現(xiàn)象，可以有效保護重點艙室。因此在進行船體裝甲外板設計時，適當將裝甲外板設計成縱傾和橫傾、適當增加裝甲外板板厚，可以提高裝甲外板的防護效果。

參考文獻

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