不同头部形状半穿甲战斗部侵彻薄钢板数值模拟*

熊 飞，石 全，张 成，刘 锋

(解放军军械工程学院，石家庄 050003)

0 引言

半穿甲战斗部作为反舰导弹的主要战斗部，对其侵彻性能的研究一直是人们关注的热点。文献［1-2］分别对截卵形与锥形战斗部正侵彻薄板与加强筋结构靶进行了理论分析。朱建方［3-4］等分析了倾角与攻角对半穿甲战斗部侵彻性能的影响。以上分析均是基于战斗部头部形状一定的条件下进行的，然而，头部形状作为影响半穿甲战斗部侵彻性能的重要因素，直接关系到其终点效应，目前研究头部形状对弹体侵彻性能的影响还主要集中在长杆弹、钻地弹垂直侵彻半无限靶与中厚靶上［5-7］。因此，有必要深入研究头部形状对半穿甲战斗部侵彻薄钢板的影响，从而为半穿甲战斗部设计以及弹体姿态控制等提供参考。

1 有限元模型的建立与材料参数的选取

1.1 有限元模型的建立

建立3种典型头部形状半穿甲战斗部弹体如图1所示。3种弹体直径均为344 mm，为保证初始动能相等，通过改变弹体长度使其质量均为346 kg。考虑到模型的对称性同时为了节约计算时间，弹体与靶板建为1/2模型，在X-Y对称面上施加对称约束。靶板尺寸为2 600 mm×2 600 mm×40 mm，为了减小边界条件对靶板应力的影响，四边采用非反射边界条件，且不考虑空气阻力的作用。弹体与靶板之间采用面-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 弹体与靶板有限元模型

1.2 材料模型的选取与参数的确定

弹体材料选用 TC4合金，目标靶板为 Weldox460E钢，在半穿甲战斗部侵彻过程中弹体与靶板均会产生高应变高温变，因此，弹体与靶板采用Johnson-cook［8］材料模型与Gruneisen状态方程来描述其力学性能。半穿甲弹体与靶板具体的材料参数如表1所示。

表1 TC4 合金［9］与 Weldox460E 钢［10］材料参数

2 数值仿真结果及分析

2.1 垂直侵彻过程对比分析

图2为3种不同头部形状弹体侵彻薄钢靶板全过程。根据对侵彻过程的分析可以得到:卵头弹与尖头弹侵彻薄靶板的全过程较为相似，与钝头弹侵彻过程有明显区别，卵头弹与尖头弹为瓣裂穿孔破坏，钝头弹为冲塞破坏。卵头弹与尖头弹头部接触靶板后随着弹体向前运动靶板背面出现小范围的隆起，在480 μs与576 μs时由于靶板隆起部分材料应变超过最大塑性应变，卵头弹与尖头弹头部击穿靶板产生小破孔。随着弹体头部的继续前进，不断挤压破孔，使破孔径向扩大，当弹体头部完全击穿靶板后，靶板破孔与变形区域不再增大，破孔大小与弹体直径几乎相同。卵头弹与尖头弹使靶板产生变形区域为以弹着点为圆心的直径分别为114.532 cm与135.788 cm的圆面积，靶板沿着弹体入射方向最大的变形(轴向位移)分别为29.87 cm与30.90 cm。钝头弹接触靶板后，靶板背部也出现隆起，随着弹体的前进靶板变形范围不断扩大，轴向位移也不断增大，虽然靶板整体变形较严重，但由于单个材料单元的最大应变均未超过靶板材料的断裂应变，所以，在1 540 μs时在冲击区域周边靶板材料才发生剪切破坏，从靶板上冲下一块圆形靶块，形成冲塞破坏。当弹体头部击穿靶后，靶板破孔直径迅速增大到弹体直径。钝头弹击穿靶板后靶板产生变形区域为以弹着点为圆心直径为170.295 cm的圆面积，靶板最大轴向位移为41.05 cm。钝头弹对薄钢靶板造成的变形面积明显大于尖头弹与卵头弹。

图2 3种弹体垂直侵彻薄钢板全过程

3种弹体侵彻过程中弹体速度时程曲线如图3所示。根据曲线可以看出:当3种弹体击穿靶薄钢板后钝头弹剩余速度最小，即侵彻性能最差。尖头弹与卵头弹剩余速度几乎相等，但卵头弹速度变化更为平稳，在侵彻初始阶段卵头弹速度损失要快于尖头弹。

图3 不同头部形状弹体速度时程曲线

利用文献［11］中瓣裂动量理论，对该模型中卵头弹以垂直侵彻薄钢靶剩余速度进行理论求解，得弹体剩余速度为 311.62 m/s，数值解为 301.40 m/s，相对误差为3.28%，可以说明仿真模型较为可信，为下一步的研究奠定了基础。

2.2 着角对不同头部形状弹体侵彻性能的影响

为了研究着角对不同头部形状半穿甲弹侵彻性能的影响，改变3种弹体入射角度，对弹体以0°、5°、15°、45°、60°侵彻薄钢靶板进行数值模拟。图4为3种不同头部形状弹体侵彻薄钢靶板后剩余动能与着角的关系。根据图中曲线可以看出:1)卵头弹剩余动能最大，钝头弹剩余动能最小，卵头弹与尖头弹剩余动能随着角的增大而减少，且尖头弹动能衰减速率明显快于卵头弹。2)当着角大于45°时，随着着角的增大3种弹体侵彻性能显著降低。3)钝头弹剩余动能随着角的增大呈先增加后减少趋势，这说明小着角有利于提高钝头弹的侵彻能力。

图4 不同弹体剩余动能与着角之间的关系

根据对侵彻全过程的分析发现，当弹体大着角侵彻薄钢板时弹体会发生明显偏转，产生一定的偏转角θ(弹体轴线与初速度方向的夹角，顺时针为正)。以3种弹体45°斜侵彻薄钢靶板为研究对象，分析着角对不同弹体偏转规律的影响。图5为3种弹体45°侵彻薄钢板时弹体偏转角θ随时间变化图。根据图中曲线可以得到:3种弹体斜侵彻薄钢板时弹体均产生一定的偏转角，其中卵头弹在击穿靶板后弹体产生的偏转角最大，钝头弹产生偏转角最小。侵彻过程中3种弹体的偏转角均呈先正向增加后减小，最终产生负向偏转角。这是由于在初始侵彻阶段，靶板发生变形对弹体产生反作用力，使弹体头部向左偏转产生正向偏转角，如图6(a)所示。当弹体头部击穿靶板后弹体在靶板中运动时受力如图6(b)所示，在此过程中靶板对弹体产生一定力矩使弹体向右偏转，从而使弹体正向偏角不断减小，最终产生负向偏角。

2.3 攻角对不同头部形状弹体侵彻性能的影响

图7反映了3种弹体45°斜侵彻薄钢靶板时攻角对剩余动能的影响。从图中可以看出:斜侵彻薄钢板时尖头弹与卵头弹正向与负向攻角均使弹体剩余动能减小，即攻角使弹体侵彻性能下降;钝头弹斜侵彻钢薄靶板时，小角度负向攻角使其剩余动能增大，正向攻角使其剩余动能减小，可以说明斜侵彻时小角度的负向攻角有利于提高钝头弹侵彻性能。

图5 三种弹体偏转角时程曲线

图6 弹体侵彻过程受力示意图

图7 弹体剩余动能与攻角关系

表2为3种不同头部形状在以不同攻角45°斜侵彻薄钢靶板时弹体的最终偏转角，根据表中数据可以得到以下结论:1)斜侵彻时攻角对卵头弹弹道稳定性影响最大，对尖头弹影响最小。2)攻角对3种弹体侵彻过程中的偏转均有一定的修正作用，正向攻角使弹体产生负向偏转，负向攻角使弹体产生正向偏转。

表2 不同攻角斜侵彻薄钢靶板时弹体偏转角(°)

3 结论

文中运用有限元软件对不同头部形状半穿甲战斗部侵彻薄钢靶板进行了数值模拟，详细分析了3种不同头部形状半穿甲战斗部垂直侵彻薄钢靶板的全过程，并将仿真结果与理论计算结果进行比较，认为仿真结果是基本可行的。同时分析了着角与攻角对3种不同弹体侵彻性能与弹体偏转的影响，得出了以下结论:

1)3种不同头部形状半穿甲战斗部垂直侵彻薄钢靶板时，卵头弹与尖头弹为瓣裂穿孔，而钝头弹符合冲塞破坏，卵头弹与尖头弹侵彻能力相当且明显优于钝头弹，但钝头弹使靶板变形的程度远大于卵头弹与尖头弹。

2)卵头弹与尖头弹击穿靶板后的剩余动能随着角的增加而降低，钝头弹剩余动能随着角的增加呈先增加后减小趋势，小着角下钝头弹的侵彻性能有所提高。当着角大于45°时3种弹体侵彻性能明显下降。3种弹体以大着角侵彻钢薄靶板时，由于力矩的作用弹体均发生一定的偏转，随着角的增加弹体偏转角呈先正向增加后减小，最终产生负向偏转角。

3)斜侵彻时，正向与负向攻角使卵头弹与尖头弹侵彻性能下降，对于钝头弹正向攻角使弹体侵彻性能下降，而小的负向攻角对钝头弹的侵彻性能有所提高。攻角对弹体的偏转有一定的修正作用，正向攻角使弹体产生负向偏转，负向攻角使弹体产生正向偏转。

根据以上结论可得出:当反舰导弹攻击的目标装甲较厚时应选择尖形或卵形头部形状，提高战斗部侵彻性能，当目标装甲相对较薄时应选择钝头弹，提高弹体的弹道稳定性避免产生跳弹，同时在战斗部攻击目标时着角不应大于45°，且可以利用攻角对弹道进行修正。

［1］展婷变，吕淑芳，黄德雨.截卵形弹体正侵彻加强筋结构靶的理论分析［J］.弹道学报，2012，24(1):53－56.

［2］徐双喜，吴卫国，李晓彬，等.锥头弹小斜角侵彻薄板剩余速度理论分析［J］.弹道学报，2010，22(3):58－62.

［3］朱建方，王伟力，曾亮.反舰导弹动能穿甲效应中倾角的影响［J］.弹箭与制导学报，2009，29(5):129－132.

［4］朱建方，王伟力，曾亮.半穿甲导弹性能的攻角效应数值分析［J］.军械工程学院学报，2009，21(2):28－31.

［5］程兴旺，王富耻，李树奎，等.不同头部形状长杆弹侵彻过程的数值模拟［J］.兵工学报，2007，28(8):930－933.

［6］徐英，时家明，林志丹.弹丸头部形状和长径比对侵彻过程的影响研究［J］.弹箭与制导学报，2009，29(5):135－138.

［7］温万治，寿榕，恽江松.弹头部形状对侵彻影响的数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2003，23(2):140－143.

［8］Johnson G R，Cook W H.A constitutive model and data for metals subjected to large strains high rates and high temperatures［C］∥7th International Symposium on Ballistics.The Nethedands:The Hague.1983:541－547.

［9］黄涛.大型水面舰艇舷侧板架结构穿甲过程数值计算研究［D］.武汉:武汉理工大学，2009.

［10］朱建方，王伟力，曾亮.反舰导弹战斗部的侵彻爆炸毁伤效应研究［J］.兵工学报，2010，31(1):190－194.

［11］张国伟，徐立新，张秀艳.终点效应及靶场试验［M］.北京:北京理工大学出版社，2008.