半穿甲战斗部侵彻运动加筋板数值模拟

熊飞，石全，朱艮春，张成，刘锋

（1.解放军78616部队，成都610213；2.军械工程学院，石家庄050003；3.解放军77538部队，拉萨850000）

半穿甲战斗部侵彻运动加筋板数值模拟

熊飞1，2，石全2，朱艮春3，张成2，刘锋2

（1.解放军78616部队，成都610213；2.军械工程学院，石家庄050003；3.解放军77538部队，拉萨850000）

为了研究加筋靶板的运动对半穿甲战斗部侵彻性能的影响，采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对截卵形半穿甲战斗部侵彻运动加筋靶板全过程进行了数值模拟，分析了在不同弹着点处加筋靶板的运动对弹体偏转、弹体剩余动能以及弹体过载的影响。研究结果表明：弹体侵彻运动加筋靶板时发生明显偏转，侵彻性能降低，加速度变化曲线出现新的峰值且该峰值随着靶板速度增大而增大。同时，不同弹着点处弹体偏转角的变化过程，加速度变化规律与峰值大小以及靶板抗弹性能都有显著区别。

加筋靶板，数值模拟，运动，侵彻

0　引言

在反舰导弹战斗部的研究中，半穿甲爆破型战斗部对加筋靶板的侵彻机理成为研究热点。目前国内外的研究大部分集中于侵彻静止加筋靶板机理的理论分析、试验研究与数值模拟。如文献［1］对截卵形动能弹侵彻加筋板架和均质靶板进行了数值模拟，分析了靶板材料参数与厚度对弹体侵彻性能的影响。文献［2］对半穿甲战斗部侵彻加筋靶板和均质靶板进行了实验研究，得到了终点弹道参数以及靶板毁伤形式等实验现象。文献［3-5］对弹体侵彻单层与多层加筋板的剩余速度进行了理论分析。但以上研究都是基于目标靶板静止条件下进行的，然而在真实的作战环境中目标往往是处于运动状态，同时，考虑到半穿甲战斗部入射速度小，导致侵彻舰船装甲的全过程历时相对较长，加筋靶板的运动对半穿甲战斗部侵彻性能和弹道稳定性的影响就显得尤为突出，因此，运动加筋靶板对战斗部侵彻性能的影响成为亟需解决的问题。

1　有限元模型的建立与材料参数的选取

1.1弹体与靶板有限元模型的建立

有限元模型建立如图1所示。其中弹体总长950 mm，弹体头部长350 mm，直径为344 mm，其弹头截顶直径为80 mm，弹体总质量为311 kg。靶板为典型舰船加筋靶架结构，其面板厚度为25 mm，全长6 000 mm，宽4 000 mm。大筋为T型加强筋形式，面板宽160 mm，厚16 mm，腹板高240 mm。小筋腹板高180 mm，厚8 m。弹体与靶板运动时，不考虑空气阻力的作用。弹体与靶板之间利用关键字*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE定义面-面侵蚀接触，保证了模型的外部单元失效被删除后，剩下的单元依然能考虑接触。所有单元采用8节点Solid164实体单元，计算模型的网格划分均采用Lagrange算法，单位制为cm-g-μs。

图1　弹体与加筋靶板有限元模型

1.2材料模型的选取与参数的确定

靶板材料为舰船常用装甲钢921A钢，弹体材料选用TC4合金，钢靶板与弹体均采用Johnson-cook材料模型与Gruneisen状态方程来描述其力学性能，该材料模型能很好地描述金属材料在加工硬化效应、应变率效应和热软化效应共同影响下的力学行为特性。

表1　921A钢［6］与TC4合金［7］材料参数

2　数值模拟结果分析

2.1靶板几何模型及弹体偏转角计算模型

为了描述方便将大筋中心点、大筋与小筋交点、无加强筋面板中心点、小筋中心点4个典型弹着点分别记为A、B、C、D点，靶板几何模型如图2所示。

2.2不同弹着点处靶板运动对弹体偏转角的影响

考虑到舰船实际运动方向，在仿真模型中使靶板沿x负方向运动，图3为弹体以250 m/s垂直侵彻速度为35 m/s的加筋靶板D点处，弹体偏转过程图。由图3可以看出，弹体垂直侵彻运动加筋靶板时，弹体发生明显偏转。即加筋靶板的运动会对弹体的弹道稳定性能产生显著影响。

图2　靶板几何模型示意图

图3　D弹着点处弹体偏转示意图

为了更清楚地了解在不同弹着点处，加筋靶板的运动对弹体偏转的影响，根据舰船实际运动速度范围，在有限元模型中分别改变靶板运动速度为10 m/s、20 m/s、35 m/s，对弹体以250 m/s垂直侵彻不同运动速度下的加筋靶板各弹着点进行数值模拟。图4～图7为弹体侵彻不同运动速度下的加筋靶板时，不同弹着点处弹体偏转角（弹体轴线与靶板法线之间的夹角）随时间变化曲线。

图4　A弹着点处弹体偏转示意图

图5　B弹着点处弹体偏转示意图

图6　C弹着点处弹体偏转示意图

图7　D弹着点处弹体偏转示意图

根据图4～图7可以看出，弹体侵彻运动加筋靶板时，不同弹着点处弹体偏转角大小及其变化规律是不同的，且当弹体击穿相同运动速度的加筋靶板后，C、D两弹着点处弹体最终偏转角度明显大于A、B两弹着点。由图4、图5可以得到，在A、B两弹着点处，弹体偏转角呈先增大后减小趋势，在侵彻中间过程中弹体会发生明显偏转，弹体击穿靶板后最终偏转角几乎为0°，这是由于靶板加筋结构形式，侵彻过程中弹体头部变形与侵彻后期弹体尾部受力综合作用的结果。同时，靶板运动速度越大在侵彻过程中弹体产生的最大偏转角越大。由图6、图7可以看出，在C、D两弹着点处，弹体偏转角随时间呈先增大后小幅度减小趋势，弹体击穿靶板后仍具有较大的偏转角，且靶板运动速度越大弹体最终偏转角越大。当靶板运动速度分别为10 m/s、20 m/s、30 m/s时，弹体击穿靶板C弹着点后弹体最终偏转角分别为7.4°、6.2°、10.8°，弹体击穿D弹着点后弹体最终偏转角分别为5.1°、5.7°、12.7°。根据以上分析可以说明，加筋靶板的运动对弹体弹道稳定性的影响非常显著，且随着靶板运动速度的增加，弹体偏转角越大弹道稳定性越差，同时不同弹着点处，靶板的运动对弹体的偏转角的影响是不同的［8］。

2.3不同弹着点处靶板的运动对弹体剩余动能的影响

为了分析加筋靶板运动对弹体侵彻性能的影响，对弹体击穿不同运动速度下的加筋靶板剩余动能进行详细分析。表2为弹体以340 m/s垂直侵彻运动速度分别为0 m/s、20 m/s、35 m/s的加筋靶板后，不同弹着点处弹体剩余动能。

表2　不同工况下弹体剩余动能

根据表中数据可以看出当靶板运动速度相同时，B点处弹体剩余动能最小，C点处弹体剩余动能最大，靶板运动速度为0 m/s时，B点处弹体动能减小量为C点处弹体动能减小量的2.29倍。A点与B点、C点与D点处弹体剩余动能相当，且A点与B点处弹体剩余动能远小于C点与D点处弹体剩余动能，这是由于加筋的结构形式与尺寸造成的，在A、B两弹着点处靶板有“T”型大筋的存在，C点无加强筋，D点加强筋为“一”字型。同时，随着靶板运动速度的增加各弹着点处弹体剩余动能均减小，这是因为靶板运动使弹体发生偏转，弹体与靶板接触面积变大，从而导致靶板变形增大吸收弹体动能增大。根据以上分析可以说明，加筋结构形式与尺寸对靶板抗弹性能影响非常显著，同时靶板的运动对弹体的侵彻性能也有一定的影响。

采用文献［5］中方法，对弹体以340 m/s垂直侵彻静止加筋靶板，小筋D点处的剩余速度进行理论求解，得到弹体剩余速度为301.2 m/s，数值模拟得出弹体剩余速度为291.9 m/s，理论计算值与仿真结果误差为3.1%，这增加了仿真模型的可信性，基本可以说明仿真模型中参数的设置以及算法的选取等是合理的。

2.4不同弹着点处靶板运动对弹体过载特性的影响

为了研究加筋靶板运动对弹体过载特性的影响，对弹体以340 m/s垂直侵彻不同运动速度下的加筋靶板数值模拟结果进行分析。图8～图11为靶板运动速度分别为0 m/s、20 m/s、35 m/s时不同弹着点处弹体加速度变化曲线。

图8　A弹着点处弹体加速度时程曲线

图9　B弹着点处弹体加速度时程曲线

当靶板静止时，根据图8～图11中靶板速度为0 m/s的加速度变化曲线可以得出，不同弹着点处弹体加速度变化规律与峰值大小都有显著区别。当弹体入射速度为340 m/s时A、B、C、D 4个弹着点处弹体加速度峰值分别为1.053×104m/s2、1.286×104m/s2、5.679×103m/s2、7.748×103m/s2，B弹着点处弹体加速度峰值是C弹着点处弹体加速度峰值的2.27倍。由图8、图9可得，在A、B两弹着点处，弹体加速曲线出现两个峰值，第1个峰值是在侵彻初期，随着侵彻深度的增加弹体与靶板接触面积增大，导致弹体受力增大而产生的，第2个峰值由于弹体头部接触“T”形加强筋的面板时，弹体头部受力面积增大而产生的，且第2个峰值大于小于第1个峰值。由图10、图11可得，在C、D两弹着点处，弹体加速曲线仅在侵彻初期出现一个峰值。这说明加筋的存在与加强筋的结构形式会对弹体过载产生显著的影响。

图10　C弹着点处弹体加速度时程曲线

图11　D弹着点处弹体加速度时程曲线

根据图8～图11可以看出，当靶板运动时，弹体加速度曲线会增加一个新的峰值，且靶板的运动速度越大，新增加的峰值越大。且靶板运动速度大小仅会对新增加的加速度峰值大小产生影响，这是由于靶板运动使弹体受到靶板水平方向上的力，从而导致弹体产生x方向的加速度。因此，在研究反舰导弹过载阀值的设定，以及弹体侵彻多层加筋靶板计层起爆时防止误判侵彻层数，必须考虑舰船防护装甲的加筋结构形式与靶板运动对弹体过载的影响。

3　结束语

本文通过数值仿真的方法对半穿甲战斗部侵彻运动加筋靶板进行了数值模拟，分析了不同弹着点处靶板的运动对弹体偏转、剩余动能以及过载的影响。得出了以下结论：

1）侵彻运动加筋靶板时弹体发生明显偏转，且在侵彻过程中，不同弹着点弹体偏转角变化大小以及变化规律是不同的，A、B两弹着点处弹体偏转角呈先增加后减小趋势，最终弹体偏转角几乎为0，C、D两弹着点处弹体偏转角呈先增加后小幅减小趋势，当弹体击穿C、D两弹着点后，弹体仍存在较大偏转角。同时，随着靶板运动速度增加，弹体偏转角越大弹道稳定性越差。

2）加筋的结构与形式对靶板抗弹性能影响非常显著，加筋靶板B点处抗弹性能远大于A点。靶板运动速度会对弹体侵彻性能产生一定影响，靶板运动速度越大弹体剩余动能越小。

3）弹体侵彻静止加筋靶板时，在A、B两弹着点处过加速度曲线出现两个峰值，C、D两弹着点处加速度曲线数仅有一个峰值，且B弹着点处弹体加速度峰值远大于C弹着点。当弹体侵彻运动加筋靶板时加速度曲线会增加一个新的峰值，且随着靶板运动速度的增大，新增加的加速度峰值越大。

通过以上分析可以说明，半穿甲弹侵彻静止加筋靶板与侵彻运动加筋靶板有明显区别。靶板的运动会对弹体弹道稳定性、弹体侵彻性能以及弹体过载均会产生显著影响，且不同弹着点处的影响规律是不同的。因此，在考核弹体侵彻性能、炸药安定性以及引信设计时加筋的结构形式与靶板运动的影响是不容忽视的。

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［8］张骥.高速侵彻战斗部壳体材料动态力学性能研究［J］.四川兵工学报，2014，33（8）：11-14.

Numerical Simulation on Semi-Armor-Piercing Warheads Penetrate into Moving Stiffened Plate

XIONG Fei1，2，SHI Quan2，ZHU Gen-chun3，ZHANG Cheng2，LIU Feng2
（1.78616 Troops of PLA，Chengdu 610213，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；3.77538 Troops of PLA，Lasa 850000，China）

In order to research the effect of target movement on the penetration performance of the Semi-Armor-Piercing Warhead，the process that truncated Oval-Nosed Semi-Armor-Piercing Warheads penetrate into moving stiffened plate are analyzed with the ANSYS/LS-DYNA software.And the effect of stiffened plate movement on projectile's deflection，remaining kinetic energy and overload are studied in detail.It is demonstrated thattheprojectile deflects sharply，penetration performance degrades，besides projectile acceleration curve produces a new peak，and the new peak value increases with the target velocity.Theprojectile deflection angle，acceleration variation process and stiffened plate anti-penetration performance are different at each impact point.

stiffened plate，numerical simulation，movement，penetration

O347；TJ414+.2

A

1002-0640（2015）08-0074-04

2014-07-05

2014-08-10

熊飞（1989-），男，四川乐山人，在读硕士研究生。研究方向：装备战场抢修。