一種基于LS-DYNA的炮彈破片極限穿透速度仿真方法?

秦 杰 雷 鳴 安明東

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031）

1 引言

常規(guī)彈藥爆轟作用下破片對目標(biāo)侵徹毀傷問題，通常用流體力學(xué)和彈塑性動(dòng)力學(xué)描述，但通常只能在簡化條件下通過經(jīng)驗(yàn)公式得到一些解析解，無法滿足工程上的要求。在此需求和背景下，使用LS-DYNA仿真研究預(yù)制破片戰(zhàn)斗部爆轟作用下破片飛散和對目標(biāo)的侵徹過程，得到破片毀傷目標(biāo)的極限穿透速度［1］，為戰(zhàn)斗部破片侵徹目標(biāo)及毀傷效能評估提供支撐。

2 破片對靶板的侵徹仿真

全預(yù)制破片戰(zhàn)斗部［2］結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為研究其炸藥爆轟下破片的飛散狀態(tài)，此處進(jìn)行必要簡化如圖1，忽略引信及傳爆藥，只考慮其炸藥、內(nèi)襯、圓柱體預(yù)制破片。戰(zhàn)斗部采用380mm長B炸藥，切面徑長200mm，由單個(gè)圓柱體破片粘接在2mm厚硬鋁內(nèi)殼上，破片材質(zhì)選用鎢合金，并對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化提高真實(shí)性。

圖1 全預(yù)制破片戰(zhàn)斗部簡化模型圖

對該戰(zhàn)斗部簡化模型爆轟過程進(jìn)行數(shù)值仿真，其預(yù)制破片的飛散過程如圖2所示。

圖2 鎢柱預(yù)制破片飛散分布

由圖2所示的破片飛散情況可以看出，在整個(gè)戰(zhàn)斗部爆轟破片飛散過程中，中部位置的破片加速較快，速度較高，兩端位置的破片與中部位置的破片相比，速度較低［3］。

如圖3所示，在戰(zhàn)斗部簡化模型中選取比較典型的破片節(jié)點(diǎn)［4］，并可對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后處理繪制出典型節(jié)點(diǎn)速度變化曲線。

圖3 戰(zhàn)斗部起爆時(shí)選取的部分預(yù)制破片節(jié)點(diǎn)

由圖4可看出，鎢柱破片在t=63μs時(shí)，速度已經(jīng)穩(wěn)定下來，這些破片中，最高速度的破片為1420m/s，最低的破片為1043m/s。

圖4 典型節(jié)點(diǎn)速度-時(shí)間曲線

以上通過對戰(zhàn)斗部爆轟各節(jié)點(diǎn)鎢柱破片的速度進(jìn)行仿真，可以得到戰(zhàn)斗部起爆后破片所能達(dá)到的初速。運(yùn)用速度衰減公式，求出破片的著靶速度，可為以下破片侵徹靶板仿真試驗(yàn)提供數(shù)值依據(jù)［5］。

在下面的仿真中，預(yù)設(shè)破片經(jīng)過5m的距離著靶，此時(shí)鎢柱破片的速度經(jīng)過衰減后可求出為1053m/s，此衰減后的速度我們把它預(yù)設(shè)為破片侵徹靶板時(shí)的侵徹初速［6］。

下面使用h8.8mm×φ8mm鎢柱破片經(jīng)過5m的飛散過程，對厚度為10mm的均質(zhì)裝甲鋼板進(jìn)行侵徹仿真，鎢柱破片與靶板材料的主要參數(shù)［7］見表1。

表1 鎢柱破片與靶板材料參數(shù)

鎢柱破片對均質(zhì)裝甲鋼板［8］侵徹過程的應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 鎢柱破片對靶板的侵徹過程

通過應(yīng)力云圖［9］可以看出，鎢柱預(yù)制破片在侵徹裝甲鋼板的過程中，破片和靶板的應(yīng)力變化和形態(tài)變化。當(dāng)t=7.9μs時(shí)，圓柱體預(yù)制破片與靶板開始接觸，此時(shí)應(yīng)力非常大；在t=23.9μs時(shí)，破片完全侵入鋼板中，此時(shí)破片和鋼板變形都比較大，并形成了沖塞［10］；在53.9μs時(shí)，破片貫穿靶板，侵徹過程結(jié)束，開始分離。由圖6可知，h8.8mm×φ8mm預(yù)制破片對厚度為10mm均質(zhì)裝甲鋼靶板進(jìn)行侵徹，極限穿透速度為1053m/s。

圖6 圓柱體預(yù)制破片極限穿透速度曲線圖

當(dāng)通過仿真試驗(yàn)，可以得到不同大小鎢柱對靶板的極限穿透速度，見表2。

表2 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板的極限穿透速度

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用12.7mm彈道槍作為鎢柱破片的發(fā)射器［11］，并使用六通道計(jì)時(shí)儀［12］對破片速度進(jìn)行采集，型號為HJ202A-Ⅱ，進(jìn)行四種不同尺寸鎢柱對10mm厚均質(zhì)裝甲鋼板進(jìn)行侵徹試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖7。

圖7 試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)狀態(tài)及結(jié)果如圖8～9。

圖9 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板侵徹狀態(tài)圖

4 結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)中，不同尺寸破片對裝甲鋼板的侵徹結(jié)果如表3所示。

表3 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板侵徹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2試驗(yàn)結(jié)果可以判斷出：對10mm均質(zhì)裝甲鋼板的侵徹，8.2mm×8.4mm鎢柱破片對其極限穿透速度為1141m/s，8.0mm×8.8mm破片對其極限穿透速度為1063m/s，7.8mm×9.3mm破片對其極限穿透速度為1128m/s，7.6mm×9.7mm破片對其極限穿透速度為1106m/s。各型尺寸破片仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，其誤差見表4。

表4 極限穿透速度侵徹仿真值與試驗(yàn)值對比

分析表4可知：整個(gè)侵徹過程的極限穿透速度仿真值與實(shí)驗(yàn)值最大誤差為8.2%，這個(gè)誤差在工程計(jì)算的允許范圍內(nèi)，說明此方法結(jié)果是可行的。

5 結(jié)語

本文利用LS-DYNA有限元軟件對戰(zhàn)斗部殼體膨脹破裂與破片形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了在此過程中破片速度的衰減，對單個(gè)破片侵徹目標(biāo)靶板進(jìn)行了仿真，從而得到破片對目標(biāo)靶板的極限穿透速度，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，可用于計(jì)算不同參數(shù)戰(zhàn)斗部破片對目標(biāo)的侵徹毀傷能力，對破片式戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有參考意義。