ERA對長桿穿甲彈減速作用的數(shù)值模擬

陳 寧，段衛(wèi)東，陳 沛，余福進，徐華建

(1.武漢科技大學，武漢 430065；2.湖北省智能爆破技術(shù)研究中心，武漢 430065；3.中鐵四院集團 工程建設(shè)有限責任公司，武漢 430063；4.武漢爆破有限公司，武漢 430023)

戰(zhàn)爭的需要是推動科技進步的源動力之一，隨著火炸藥的使用，武器從冷兵器發(fā)展到熱兵器，攻擊方和防守方對于武器性能的要求促進了武器破壞力和防御力的提升。隨著坦克在陸戰(zhàn)中的投入使用，其強大的攻防能力很快確立了坦克在陸地戰(zhàn)爭中的統(tǒng)治地位，極大地促進了反坦克武器和裝甲防護的研發(fā)[1,2]。由于長桿式穿甲彈具有穿透能力強、精度高和毀傷后效好等優(yōu)良特點，目前已成為反坦克、反裝甲的有效打擊手段。長桿式穿甲彈一般選用鎢合金作為彈芯材料，國內(nèi)外均對其破壞機理進行了深入研究[3-5]。裝甲的防護能力是坦克賴以生存和保證持續(xù)作戰(zhàn)能力的主要指標之一，自坦克誕生以來各國從未停止過對坦克裝甲的研發(fā)，爆炸反應裝甲( Explosive Reactive Armor,ERA)是位于主裝甲外面，其基本結(jié)構(gòu)是上下兩層鋼靶板中間夾著鈍感炸藥，最先與攻擊武器接觸，依靠本身爆炸場和由其推動的靶板對來襲炮彈、金屬射流等進行削弱、破壞或干擾的一種半主動裝甲，其與主裝甲共同作用，最大程度提升防護效果[6,7]。爆炸反應裝甲自M Held 提出以來，由于其優(yōu)異的防護性能、較低的使用成本和較廣的使用場景，得到了廣泛關(guān)注。國內(nèi)外學者通過實驗和數(shù)值仿真等方式對其防護原理、性能及各項工藝參數(shù)進行了深入研究和改進[8,9]。如在普通“平板式”爆炸反應裝甲的基礎(chǔ)上研發(fā)出聚能型爆炸反應裝甲結(jié)構(gòu)、雙層平板裝藥ERA、雙層楔形裝藥結(jié)構(gòu)ERA等，進一步提高和優(yōu)化了爆炸反應裝甲對聚能射流、穿甲彈的防護性能。

以英國分裝式L23A1型號穿甲彈為現(xiàn)實參考，利用LS_DYNA 3D軟件建立長桿式鎢鋼穿甲彈侵徹爆炸反應裝甲的數(shù)值計算模型，穿甲彈以不同攻擊角度對ERA進行侵徹，通過對侵徹全過程的數(shù)值模擬，分析不同攻擊角度下長桿式穿甲彈攻擊能力和爆炸反應裝甲的的防護性能，并根據(jù)模擬結(jié)果對穿甲彈結(jié)構(gòu)提出可以行改進方案，為今后在爆炸反應裝甲和穿甲彈方面的研究提供參考。

1 建立模型及其材料參數(shù)

傾角為穿甲彈軸線與爆炸反應裝甲法線的夾角，為了研究爆炸反應裝甲對不同傾角下長桿穿甲彈侵徹過程的干擾作用，采用控制變量法設(shè)置四種工況，長桿穿甲彈保持相同軸向速度1550 m/s分別以0°、30°、45°、60°四種傾角侵徹爆炸反應裝甲。

1.1 數(shù)值模型

為研究單層平板裝藥ERA對長桿式鎢鋼穿甲彈的防護效果，利用LS-DYNA軟件，建立三維數(shù)值仿真模型。在長桿穿甲彈侵徹爆炸反應裝甲的數(shù)值仿真中，反應裝甲會產(chǎn)生大的變形運動，導致高應變和高應變率，采用ALE流固耦合算法可有效解決單元嚴重畸變引起的數(shù)值計算困難。穿甲彈和爆炸反應裝甲由空氣圍繞，其中炸藥和空氣采用ALE算法計算，長桿穿甲彈與反應裝甲上下飛板均采用Lagrange算法計算，上下飛板與夾層炸藥采用滑移接觸控制，為防止爆炸波運動到空氣邊界時發(fā)生反射，從而對數(shù)值模擬的精確性造成影響，故在建模過程中設(shè)置非反射邊界條件。

對于長桿穿甲彈，以英國第一代尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈(Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot,APFSDS)L23A1為研究參考，其彈芯材料為鎢合金。利用 ANSYS/LS-DYNA 3D 軟件，設(shè)計得到三維對稱長桿式鎢鋼穿甲彈模型，穿甲彈長48 cm，彈體直徑2.4 cm，由于彈體為不規(guī)則實體模型，直接進行掃掠(Sweep)操作得到的網(wǎng)格較為粗糙，可能會導致計算過程中網(wǎng)格發(fā)生較大畸變從而產(chǎn)生較大計算誤差，為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，采用ICEM CFD網(wǎng)格劃分工具，通過創(chuàng)建塊的方式，提高穿甲彈的彈頭、彈體和尾翼等位置的網(wǎng)格質(zhì)量，有效避免了尾翼連接處網(wǎng)格不規(guī)則問題，從而避免了計算過程中的網(wǎng)格畸變。最終得到長桿穿甲彈模型單元數(shù)為6192，節(jié)點數(shù)為51845，L23A1型穿甲彈及穿甲彈網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖 1 長桿穿甲彈計算模型Fig. 1 Calculation Model of long rod armour piercing projectile

爆炸反應裝甲基本結(jié)構(gòu)為上下兩層鋼靶板中間夾著高能炸藥的“三明治”結(jié)構(gòu)，其中上下鋼靶板尺寸一致，鋼靶板厚度為0.5 cm，長30 cm、寬18 cm，中間炸藥厚度為2 cm，其余尺寸與鋼靶板相同。因為ERA模型較為規(guī)則，直接運用LS-DYNA中自帶的Mesh功能模塊通過掃掠(Sweep)操作對ERA的上下鋼靶板進行網(wǎng)格劃分，即可得到質(zhì)量較好的規(guī)則六面體網(wǎng)格。建立整體數(shù)值計算模型如圖2所示，采用cm-g-μs單位制，數(shù)值計算模型共生成節(jié)點608 740個，生成單元566 832個。

圖 2 整體三維計算模型Fig. 2 Overall 3D calculation model

1.2 材料參數(shù)

長桿穿甲彈所用材料為鎢合金，鎢合金密度大可達到鋼比重的2.3倍，并具有極好的熱穩(wěn)定性，為較好的模擬穿甲彈的侵徹過程，假設(shè)穿甲彈在塑性變形過程中,加載面的大小和形狀不變，僅整體地在應力空間中作平動，鎢鋼穿甲彈采用Plastic_Kinematic彈塑性隨動硬化材料模型[10,11]。本構(gòu)方程為

(1)

上下鋼靶板采用Johnson_Cook材料模型，狀態(tài)方程為Gruneisen方程；所夾炸藥為Comp_B高能炸藥，假定爆炸反應裝甲瞬間起爆，采用Elastic_Plastic_Hydro彈塑性模型，狀態(tài)方程為Ignition_and_Growth點火與增長狀態(tài)方程；穿甲彈和爆炸反應裝甲外圍包裹的空氣采用線性多項式(LINEAR_POLYNOMIAL)狀態(tài)方程進行描述。穿甲彈、炸藥及鋼靶板的材料模型參數(shù)如表1至表3所示。

表1 穿甲彈材料參數(shù)Table 1 Material parameters of armor piercing projectile

表2 爆炸反應裝甲上下靶板材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Materials and state equation parameters of upper and lower target plates of explosive reactive armor

表3 爆炸反應裝甲Comp_B炸藥參數(shù)Table 3 Explosive reaction armor comp_ B explosive parameters

2 數(shù)值模擬分析與計算

爆炸反應裝甲在長桿穿甲彈侵徹瞬間起爆，爆炸沖擊波推動上下鋼靶板沿法線方向運動并與穿甲彈作用，不同傾角下的穿甲彈在爆炸沖擊波和飛散的靶板作用下減速效果明顯，不同傾角(0°、30°、45°、60°)工況下的侵徹過程如圖3所示。對比發(fā)現(xiàn)，攻角越大，爆炸反應裝甲對穿甲彈的減速作用越好，爆炸反應裝甲的防護性能越強，同時穿甲彈飛行姿態(tài)更容易受到干擾，當攻角為60°時，穿甲彈在侵徹過程中飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生較為明顯的滑移和彎曲變形。

圖 3 不同傾角下穿甲彈侵徹爆炸反應裝甲效果Fig. 3 Penetration effect of penetrator into explosive reactive armor under different obliquity

對不同工況下爆炸反應裝甲作用始末穿甲彈彈頭尖端速度進行統(tǒng)計，如表4所示，同時為清楚的對比侵徹角度對穿甲彈侵徹的影響，將爆炸反應裝甲作用前后穿甲彈尖端始末速度V0、V1進行對比，得到爆炸反應裝甲對穿甲彈的減速效率P，即減速效率

表 4 4種傾角工況下穿甲彈尖端速度Table 4 Tip velocity of armour piercing projectile under four obliquity conditions

(2)

對表4數(shù)據(jù)進行分析可知，爆炸反應裝甲對長桿穿甲彈Y方向的減速效果明顯高于X方向，且對長桿穿甲彈Y方向的減速效率P隨著傾角的增大而提升，在傾角為60°時Y方向減速效率達到最大97.0%，此時Y方向剩余速度僅為23 m/s，且穿甲彈傾角進一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)，幾乎失去了對主裝甲的侵徹能力。主要是由于反應裝甲上下靶板在爆炸沖擊波的作用下沿豎直(Y)方向運動并與穿甲彈作用，且隨著穿甲彈傾角的增大，穿甲彈彈體與裝甲靶板的接觸面積不斷增加，從而導致爆炸反應裝甲對穿甲彈Y方向速度削弱效果增強。

為了進一步分析爆炸反應裝甲對穿甲彈的減速作用，在穿甲彈彈體上軸線上成型設(shè)置四個觀測點(A、B、C、D)如圖4所示。

圖 4 穿甲彈速度觀測點Fig. 4 Velocity observation points of armor piercing projectile

分別對0°、30°、45°、60°四種工況下穿甲彈彈體各觀測點速度進行統(tǒng)計分析，并繪制不同工況下的速度分布圖如圖5所示。

圖 5 四種工況下穿甲彈體軸線上的速度分布Fig. 5 Velocity distribution along the axis of armor piercing projectile under four working conditions

對穿甲彈彈體軸線上的速度分布圖進行分析可知，各工況下彈體在侵徹過程中受到爆炸反應裝甲的減速作用具有滯后性，距離彈頭越遠減速開始的時間越滯后。彈體各部位速度均經(jīng)歷先急劇下降后波動回升的過程，越靠近彈頭部位這種過程越劇烈，對于整個彈體來說，該過程不是間斷孤立的，而是微觀連續(xù)且迅速的。主要由于穿甲彈在侵徹爆炸反應裝甲過程中，以觀測點A為例，首先受到裝甲靶板的干擾作用，A位置速度急劇下降，隨后由于慣性作用，彈體動能傳遞，該位置速度回升，最終在侵徹過程完成后彈體各部位速度趨近一致。

在上述研究的基礎(chǔ)上改變穿甲彈初始速度作為對比工況，通過多次數(shù)值模擬，觀察爆炸反應裝甲對穿甲彈的減速作用與穿甲彈攻擊速度的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，隨著長桿穿甲彈速度的提升反應裝甲的干擾作用不斷減弱，穿甲彈飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。

根據(jù)彈體在侵徹過程中受減速作用的滯后性，距離彈頭越遠減速開始的時間越滯后，由此可考慮設(shè)計一種新型對爆炸反應裝甲穿甲彈，如下圖6所示。該穿甲彈設(shè)有兩級彈頭，一級彈頭將反應裝甲引爆，對反應裝甲靶板進行開坑處理，并在極短時間內(nèi)主動脫落；再由二級彈頭及長桿穿甲彈主體對目標繼續(xù)侵徹。在穿甲彈體失去因反應裝甲爆炸阻擋的一級彈頭后，由于速度滯后，二級彈體可繼續(xù)以較高初速度侵徹目標物普通裝甲，保留了較高的動能；同時由于一級彈頭的保護，穿甲彈能保持較為穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，降低了彈體的滑移趨勢，從而可能提高穿甲彈對目標的打擊能力。

圖 6 新型主動斷裂穿甲彈Fig. 6 New active fracture armor piercing projectile

3 結(jié)論

(1)爆炸反應裝甲對長桿型穿甲彈具有明顯的減速作用，且與穿甲彈軸線和反應裝甲法線所夾攻角有關(guān)，攻角越大，減速作用越好，爆炸反應裝甲的防護性能越強。當攻角大于60°時，在爆炸反應裝甲的作用下，長桿穿甲彈喪失對主裝裝甲的進一步侵徹能力。適當提高穿甲彈速度可以有效減少爆炸反應裝甲對其的干擾作用。

(2)穿甲彈體軸線上的速度分布表明，彈體在侵徹過程中所受減速作用具有滯后性，距離彈頭越遠減速開始的時間越滯后，由此可考慮設(shè)計一種新型對爆炸反應裝甲穿甲彈，該穿甲彈設(shè)有兩級彈頭，一級彈頭在受到爆炸反應裝甲作用后主動脫落。在穿甲彈體失去因反應裝甲爆炸阻擋的一級彈頭后，由于速度滯后，二級彈體將以較高初速度和較為穩(wěn)定的飛行姿態(tài)繼續(xù)侵徹目標物普通裝甲，從而可能提高穿甲彈對目標的打擊能力。為彈體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了較為可行的參考依據(jù)。