钨破片侵彻舰艇装甲薄弱部位毁伤效能评估

许俊祥，田晓丽，陈　宇，王　超，杨　东

(1.中北大学 机电工程学院,太原　030051； 2.晋西工业集团有限公司,太原　030027;3.豫西工业集团有限公司,河南 南阳　473000)



钨破片侵彻舰艇装甲薄弱部位毁伤效能评估

许俊祥1，田晓丽1，陈宇2，王超1，杨东3

(1.中北大学 机电工程学院,太原030051； 2.晋西工业集团有限公司,太原030027;3.豫西工业集团有限公司,河南 南阳473000)

摘要：模拟了末端制导反舰导弹在侵彻舰艇装甲时末制导弹爆炸模型，得出破片飞行的初速度，再通过ANSYS/LS-DYNA进行不同速度和质量及形状的钨合金破片侵彻装甲薄弱部位的数值模拟，得出高速自锻破片能够对装甲毁坏，但会使装甲出现反弹，侵彻深度不及中等速度破片；尖头破片出现较大应力集中，未到侵彻深度会使破片破坏；得到毁坏薄装甲的最小破片质量，为薄弱装甲防护提供了参考。

关键词：爆炸模型；钨合金；自锻破片；薄弱装甲；数值模拟

本文引用格式：许俊祥，田晓丽，陈宇，等.钨破片侵彻舰艇装甲薄弱部位毁伤效能评估[J].兵器装备工程学报，2016(7):33-36.

Citation format:XU Jun-xiang, TIAN Xiao-li, CHEN Yu,et al.Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):33-36.

反舰导弹成为现代海战中的主要武器，战斗部既是它的唯一有效载荷,又是直接执行战斗任务的部件。在一定条件下,反舰导弹战斗部的威力和对舰船的毁伤效果与其结构、类型关系很大。随着制导精度的提高，舰艇防护能力的增强，反舰导弹一般会在接近舰艇或者舰艇上空进行爆炸，所以有必要分析自锻破片和随机破片对舰艇薄装甲的侵彻效果。文献[1]通过理论公式对不同钨合金破片对靶板穿透极限速度进行了计算，但没有通过数值模拟方式来论证破片侵彻靶板的效果。文献[2]说明破片形状对破片侵彻靶板过程中速度的影响，对靶板的侵彻效果没有提及，所以有必要从破片的速度、质量、形状多方面分析破片对薄装甲的侵彻效果。为装甲防护提供参考。

1弹丸爆炸有限元模型的建立与材料参数的选取

1.1爆炸原理

炸药爆炸产生大量的碎片和冲击波破坏装甲目标。虽然这些破片很难穿透舰艇上方装甲，但可以攻击弱顶部装甲，并有大量碎片被镶嵌在舰艇顶部。因此，有必要研究末制导的攻击效果对舰艇顶端装甲和外载舰艇炮结构的损伤效应。

1.2弹丸爆炸的有限元模型的建立

采用ANSYS/LS-DYNA对弹丸爆炸进行模拟仿真，建立弹丸爆炸的有限元模型如图1所示。弹体的直径为155 mm，长度为960 mm。考虑模型的对称性同时为了节约计算时间，建立弹体和装药的1/4模型。在X-Y对称面上施加对称约束，战斗部壳体采用钨合金，单位制为cm-g-us，其材料参数如表1所示，炸药采用TNT装药，材料参数如表2所示。

图1　炸药爆炸有限元模型

表1　钨合金材料参数

表2　TNT的材料参数

空气以1.293E-3 g/cm3的密度，并以关键字*MAT_NULL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIA来定义，爆炸后取中间两个节点分别是560和879查看初始爆炸速度，其时间历程曲线如图2所示。

图2　破片不同节点处的初始速度

图2速度都在1 000 m/s以上，根据文献[3]可知，此速度在合理速度范围之内，说明数值模拟可靠。

2破片侵彻靶板有限元模型的建立和材料参数的选择

2.1破片侵彻靶板的有限元模型的建立

由于碎片相对于装甲目标非常小，装甲目标的薄弱环节可以视为被分析的损伤效应均质钢板片段与薄弱部位。弹丸的材料模型外壳的碎片和装甲部分可以采用圆的一部分和正方形靶板显式实体单元SOLID164，单位统一为cm-g-us。建立该片段的薄弱部位的渗透简化1/4 模型，破片建立成直径为25 mm圆的一部分，薄装甲板选择的模型如图3所示，靶板为30 cm×30 cm×30 cm的正方形模型。

2.2材料参数的选择

破片的材料选择钨合金材料，同时定义为弹塑性材料模型。靶板材料选择为45CrNiMoA合金钢，同时采用John-cook材料模型和Gruneisen状态方程描述其力学性能，该材料模型能够很好的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特性。

2.3不同速度破片侵彻薄靶板

破片分别以不同的入射速度侵彻靶板，不同速度侵彻数值如图4所示，5种不同速度为1 000 m/s,1 200 m/s,1 400 m/s,1 600 m/s,2 000 m/s，分别以5种不同速度侵彻靶板的侵彻最大深度分别是3.5 cm，3.3 cm，3.1 cm，2.8 cm，2.6 cm。由数值模拟分析可知，破片的侵彻深度随着速度的增加递增。但是，在小速度和中等速度侵彻时，靶板的位移较为平缓，当速度超过1 400 m/s时，靶板出现回弹现象，速度越高，靶板的回弹现象越严重。

2.4不同形状破片侵彻薄靶板

分别建立了不同形状的破片侵彻薄靶板的有限元模型如图5所示，让两种不同形状破片以相同的速度和质量对相同靶板进行侵彻，初始速度为1 000 m/s。两种破片侵彻时所受到的应力如图6所示，由图6可知钝头破片侵彻时的最大应力比尖头破片较小，同时尖头破片侵彻过程中由于破损严重，会出现多个应力集中峰值，钝头侵彻时较为平缓，应力集中峰值较尖头破片较少。进一步说明了破片的破碎程度能够增加毁伤效果。

图5　不同形状破片侵彻靶板的有限元模型

2.5不同质量破片侵彻薄靶板

破片在战斗部爆炸过程中会形成不同质量破片，有必要分析不同质量破片的损伤效应，碎片对顶端装甲和薄弱部位的损伤效果显而易见。破片的质量越重，对装甲的损坏效果越严重。只要最大的自然破片损害装甲的目标清楚了解，最严重的损坏可以估计。文献[4]提出，最大破片的质量可以在一致的半径和均匀壁的圆柱壳条件下计算出来，可计算出弹体碎片的最大质量为0.174 3 kg。分别取质量为0.008 kg，0.01 kg，0.032 kg，计算不同质量的破片侵彻薄靶板为5 cm×5 cm×5 cm时的侵彻深度如表4所示。

不同破片的侵彻深度随着质量的升高而增大，当破片的质量低于0.005 kg时破片对装甲的损坏效果不足1 cm，不足以考虑破片对装甲的毁伤程度。

3结论

1) 研究发现弹丸在发生爆炸时破片的速度范围为1 000～2 200 m/s。

2) 通过模拟不同速度破片侵彻试验，得出了中等速度的侵彻深度比高速侵彻过程深度更深，因为速度过大会造成靶板的反弹，造成高速破片侵彻时受到应力集中现象严重导致破片碎裂，速度过低侵彻深度不够，所以中等速度会造成适当侵彻深度，靶板破坏比较均匀。

3) 当破片质量低于0.005 kg时可以忽略破片对薄装甲的破坏作用，将破片速度和破片质量的影响有效结合起来，找到最佳速度和最小破片质量能够有效的减少外载舰炮和薄弱装甲的损坏，有利于为装甲的防护提供参考。

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(责任编辑周江川)

收稿日期：2016-01-15；修回日期：2016-02-20

基金项目：国家自然科学基金 (11572291)

作者简介：许俊祥(1990—)，男，硕士，主要从事智能弹药与系统仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.008

中图分类号：TJ410

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0033-04

Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor

XU Jun-xiang1, TIAN Xiao-li1, CHEN Yu2, WANG Chao1, YANG Dong3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Jin West Machine Industry Group Co., LTD, Taiyuan 030027, China;3.Yuxi Industries Group Co., Ltd, Nanyang 473000, China)

Abstract:The terminally guided anti-ship missile during the naval armor penetration simulated the explosion model of end missile system to get the initial velocity of fragments flying, and we simulated different speeds and quality and shape of Tungsten Fragments to penetrate the weak parts armor by ANSYS / LS-DYNA, and then we obtained the conclusion that high speed fragments are capable of forging armor destroy, but it will rebound in a armor, and penetration depth is less than medium speed fragments; and the pointed fragments have greater stress concentration, and if it has not come to penetration depth it will get wrecked; and we got the smallest fragment thin quality of destroyed armored, which provides a reference for thin armor protection.

Key words:explosion model; tungsten alloy; self-forging fragment; weak armor; numerical simulation

【装备理论与装备技术】