航母甲板侵彻效应的数值仿真模型研究

董三强，王国亮，余文力

(第二炮兵工程大学，陕西 西安710025)

0 引 言

航空母舰以舰载机为主要作战武器，为海军飞机的起降提供浮动的海上机场，在现代战争中起到了海上霸主的作用。因此，作为对立的另一方，如何有效抵制敌方航母的作战效能对未来战争的胜负至关重要。半穿甲战斗部是目前普遍采用的反舰导弹战斗部。作为研究航母侵彻毁伤效能的主要手段之一，数值仿真计算方法已经得到重要的应用。然而在具体的实例中，材料模型的选取及模型参数的确定是影响数值仿真计算结果的关键因素之一。本文采用数值仿真方法，建立航母甲板侵彻的有限元模型，通过文献调研，确定材料模型及参数，并结合相关试验数据对模型进行验证，保证模型的有效性。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元网络模型

如图1 所示，以美国“尼米兹”级航母的具体结构为基本依据，以俄罗斯“库兹涅佐夫”航母的龙骨、肋骨等加强筋的分布情况为参考［1-4］，按几何相似、刚度等效的原则，建立弹丸及靶板的有限元网格模型。

弹丸由壳体、装药和引信3 部分组成，质量约16 kg，弹体长370 mm，弹径105 mm，弹丸头部为截卵形，截头直径20 mm，弹体弧部半径180 mm。靶板长1 400 mm，宽1 000 mm。底板厚15.2 mm;大筋高度68 mm，宽15.2 mm;小筋高度26 mm，宽7 mm。小筋间距125 mm，大筋间距600 mm。

模型中应用了过渡技术改变网格在靶板上的分布，使得靠近弹丸侵彻的区域网格的密度较大，远离弹丸侵彻的区域网格的密度较小。为了模拟实际的实验条件，对有限元模型中靶板的相应2 个侧面施加了固定边界条件，其他侧面及靶板的表面和背面为自由边界面。

1.2 材料模型

弹丸材料采用30 CrMnSi，靶板材料采用与美航母用材HY -80 力学性能相当的国产921 A 型钢。计算中，采用塑性动态硬化材料模型来描述弹丸及靶板材料的应力应变关系［5-6］。

如图2 所示，塑性动态硬化材料模型考虑应变率的效应，采用Cowper and Symonds 模型，即通过关于应变率的系数缩放屈服应力。

［2，7 -8］，弹丸及靶板的模型参数取值如表1 所示。

图2 弹丸及靶板材料弹塑性行为Fig.2 Materials behaviors of the warhead and the targets

表1 弹丸壳体材料模型参数Tab.1 Model parameters of the warhead and the target

弹丸中的炸药和引信均按弹性材料处理。其中，装药密度取1.7 g/cm3，引信密度取3.8 g/cm3。

2 有限元模型的验证

基于本文建立的有限元模型，应用LS -DYNA非线性有限元分析软件分别计算了弹丸正侵彻单层或多层间隔加筋靶的6 种工况及以不同角度、不同位置斜侵彻单层加筋靶的3 种工况，并与相关实验结果［2］进行对比。工况设置及计算结果分别见表2和表3。

表2 正侵彻靶板设置及剩余速度计算结果与实验结果对比Tab.2 Normal incidence cases and corresponding results

表3 斜侵彻靶板设置及剩余速度计算结果与实验结果对比Tab.3 Oblique incidence cases and corresponding results

从表2 和表3 中数据可看出，基于本文建立的有限元模型应用LS-DYNA 软件计算得到的弹丸穿靶后的剩余速度与文献中的相应实验测定值比较接近。正侵彻情况下，穿过第1 层靶后的剩余速度相对误差控制在0.42% ～3.51%之间，平均相对误差为2.43%。侵彻3 层间隔板时，穿透第2 层和第3 层靶后的剩余速度相对误差较大，分别达到了5.35%和6.81%，且相对于穿透第1 层后的剩余速度相对误差呈现逐级增大的趋势，分析认为是由于误差累积而被放大的缘故。其次，穿板后剩余速度的计算结果值普遍比实测值偏小，分析原因可能是系统误差导致的。斜侵彻情况下，3 个不同算例中，计算得到的弹丸穿过靶板后的剩余速度与相关参考文献中的相应实验测定值之间的相对误差控制分别为0.75%，0.70%和0.44%，从一定程度上验证了本文所建立的有限元模型的正确性。

图3 弹丸对加筋靶的侵彻破坏模式(算例3)Fig.3 Damage models of the warhead penetrating the target (Case 3)

从破坏模式上看，正侵彻情况下，弹丸对金属薄靶的破坏为综合破坏模式。如图3 所示受到弹丸的动能冲击作用，侵彻点区域的金属材料出现塑性变形及流动，在金属薄板的表面形成了碟状的变形区域。从靶板背面看，靶板的破坏以花瓣式破坏为主，兼有冲塞破坏效应，破坏模式与实验结果相一致。斜侵彻条件下，裂缝的扩展具有不对称性，从某种意义上抑制了冲塞式破坏模式的发生，主要表现为花瓣式破坏模式。

3 结 语

采用数值仿真方法，建立了半穿甲战斗部对航母甲板侵彻效应的数值仿真有限元模型，应用LS -DYNA 非线性有限元分析软件分别计算了弹丸正侵彻单层或多层间隔加筋靶的6 种工况以及弹丸以不同角度、不同侵彻点斜侵彻单层加筋靶的3 种工况。计算结果显示，由正侵彻的6 个不同算例计算得到的弹丸穿靶后的剩余速度与相关参考文献中的相应实验测定值比较接近，穿过第1 层靶后的剩余速度相对误差控制在0.42% ～3.51%之间;由斜侵彻的3 个不同算例计算得到的弹丸穿过靶板后的剩余速度相对误差控制分别为0.75%，0.70%和0.44%;半穿甲弹对921 A 金属薄靶的破坏为花瓣式破坏和冲塞破坏效应的综合破坏模式。数据模拟的计算结果与相关文献的实验数据基本一致，验证了该有限元模型及相关材料模型的正确性，可以用于半穿甲弹战斗部侵彻毁伤效应的研究。

参考文献:

［1］蓝岭.“尼米兹”级航母抗毁伤能力深化研究［J］. 鱼雷技术，2002，10(3):8 -13.

［2］段卓平.半穿甲弹丸对加筋靶板侵彻的终点弹道的实验和理论研究［J］.爆炸与冲击，2005，25(6):547 -552.

［3］段卓平，张中国，李金柱，等.半穿甲战斗部对加筋靶板和均质靶板垂直侵彻的实验研究［J］. 弹箭与制导学报，2005，25(2):148 -150.

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