榴弹破片对坦克火炮身管毁伤效应的数值仿真

郭尚生，李 帆，吴晓颖，李 响

（1.辽沈工业集团有限公司，沈阳110045；2.北京装甲兵工程学院，北京100072；3.驻七二四厂军事代表室，沈阳110045）

进行实际弹药毁伤实验时，实验耗费大、周期长，因此迫切需要寻找到合适的方法来替代实弹实验。数值仿真不仅可以大大降低靶场试验中所耗费的大量人力，而且有效地考虑到了经济问题，提高了效率，降低了成本。随着计算机计算及数值仿真技术的快速发展，现在可以利用AUTODYN等有限元软件进行数值仿真计算，分析总结出更加接近实际的毁伤规律，为坦克关键部件战损规律研究提供参考。本文将以125mm滑膛炮身管侵彻为例，在进行大量的数值仿真的基础上，获得破片毁伤效应规律。

1 静爆模拟试验分析

为获取数值仿真的基础数据，验证数值仿真的可靠性，进行了榴弹破片对火炮身管侵彻毁伤的模拟试验。试验方法采用静态引爆榴弹，毁伤坦克火炮身管。榴弹水平置于托架上，距离坦克身管2m处，侵彻入射角为90°。试验场具体布置如图1所示。

图1 试验方案

图2 为破片毁伤火炮身管的效果。由试验测量与统计分析可知，身管侵彻孔径在30～40mm之间，平均孔径为34.8mm，侵彻深度在11.8～12.2mm之间，平均深度为12mm。

图3为榴弹爆炸形成的典型破片，平均质量为10g。

图2 火炮身管毁伤

图3 榴弹破片

2 仿真模型的建立

采取典型的破片进行数值仿真。破片的形状包括圆形、正方形、长方形和菱形［4］；身管的材质为PcrNi3MOV钢，身管的壁厚30mm。为简化情况，设计破片对身管的侵彻角为90°，破片建立一比一模型，建立身管1／4模型，如图4所示。

图4 身管的数值仿真模型

破片的材质为STEEL－4340（4340钢），数值仿真主要考虑破片侵彻速度、破片形状等主要因素。对速度77～1 272m／s的圆形、正方形、长方形、菱形破片侵彻30mm厚度的身管进行数值仿真，并用软件自带的工具采集仿真数据，如图5所示。

图5 破片毁伤身管的数值仿真结果

3 数值仿真正确性的验证

用统计的方法整理数值仿真数据，可以得到不同质量、不同形状、不同速度的破片对火炮身管的侵彻效果。质量为10g的破片以不同速度v侵彻身管，得到侵彻深度H和侵彻孔径D，如表1所示。

表1 质量为10g的破片毁伤身管数值仿真数据

为验证数值仿真的正确性，取实际破片的平均质量为10g，破片撞击前的速度为980m／s。将模拟试验与数值仿真数据进行对比，如表2所示。可得H的试验平均值为12.7mm，仿真平均值为13.8mm，误差为8.6%；D的试验平均值为31.8mm，仿真平均值为30.4mm，误差为4%。模拟试验结果与数值仿真结果较为接近，且误差均小于10%，可以认为仿真结果正确。

4 破片形状对侵彻结果的影响

验证了数值仿真的正确性，在相同数值仿真条件下可以对数值仿真的结果进行分析，获取榴弹破片对火炮身管的毁伤规律［5］。选取质量和速度相同的长条形、圆形、方形、菱形破片对目标进行侵彻数值毁伤仿真，观察分析其毁伤效果，如图6和图7所示。

图6 长方形和圆形破片毁伤目标效果

图7 正方形和菱形破片毁伤目标效果

表3所示，长方形、圆形、正方形、菱形破片的质量均为10g，速度为1 270m／s，身管壁厚均为45mm，其中长方形、圆形、正方形、菱形的长径比η依次为1.85，1.25，1.25，1.00。

由毁伤效果分析得到，相同条件下破片的侵彻能力为长方形＞圆形＞正方形＞菱形。这是因为在破片质量不变的情况下，长细比增大、破片单位横截面积上的动能变大，在贯穿过程中头部最大应力值（即瞬时加速度）增大，破片的侵彻能力增强。

5 破片速度对侵彻结果的影响

用相同的圆形破片分别以77m／s、156m／s、632m／s和1 270m／s的速度对目标进行侵彻，观察分析其毁伤效果，如图8和图9所示。

图8 速度为77m／s和156m／s的破片毁伤目标效果

图9 速度为632m／s和1 270m／s的破片毁伤目标效果

在破片形状、破片质量和身管壁厚相同的条件下［6］，随着破片侵彻速度的增加，侵彻深度与孔径呈增加趋势。77m／s侵彻时破片出现跳飞现象，不能形成侵彻；速度在156m／s时，保护玻璃裂开；速度阻碍314m／s，当速度超过632m／s，侵彻深度为13.2～21.3mm，运用多元回归分析方法将表1中的数据整合，如图10所示。

图10 速度与侵彻深度关系图

6 结束语

本文利用数值仿真的方法，对破片毁伤坦克炮身管进行建模和数值分析，得出破片对火炮身管毁伤的大致规律，结论如下：

①破片在形状和身管壁厚相同的情况下，破片质量越大侵彻能力越强，深度越深，孔径越大；

②破片在形状和质量相同的情况下，身管壁厚越厚，侵彻深度越浅，孔径越大；

③破片在相同质量、同种目标和同一侵彻速度的条件下，破片形状长细比越大侵彻深度越深，孔径越大；

④破片在相同质量、同种目标和相同形状的条件下，破片侵彻速度越大侵彻能力越强［8］。

在实际情况中，影响破片对身管的毁伤效果的因素还有很多，例如破片材料、身管材料、身管自紧技术、破片着角变化等众多因素，有待进一步分析。

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