旋转战斗部侵彻多层间隔靶的终点弹道的数值模拟*

赵海龙， 王 华

(北京航空航天大学 宇航学院， 北京 100191)

旋转战斗部侵彻多层间隔靶的终点弹道的数值模拟*

赵海龙， 王 华

(北京航空航天大学 宇航学院， 北京 100191)

针对旋转侵彻战斗部侵彻弹道性能问题， 利用非线性显式动力学有限元软件LS-DYNA对旋转战斗部侵彻多层带加强筋结构靶的过程进行了模拟仿真， 分析了旋转速度、 着靶速度等因素对旋转战斗部侵彻过程的过靶剩余速度和弹道偏移角等侵彻弹道性能的影响. 研究结果表明： 与无旋战斗部相比， 侵彻多层硬目标时， 旋转战斗部在一定的转速范围内具有较好的侵彻弹道稳定性； 旋转速度的大小和旋转方向影响侵彻弹道性能， 在一定的范围内弹道稳定性与转速呈正相关； 仿真结果表明着靶速度和转速之间存在某种合理的匹配关系， 需进一步探寻两者之间的关系进而达到最佳侵彻效果.

侵彻； 旋转战斗部； 弹道性能； 加筋靶

0 引 言

多层金属靶是对现代军事装备典型目标的一种抽象. 对多层金属目标的侵彻问题研究备受世界各国关注. 国内外研究人员对高速无旋侵彻战斗部侵彻多层钢靶板进行了大量的研究， 研究表明侵彻两层以上靶板后弹体的弹道偏移量很大， 几乎都会发生跳弹现象[1]； 也有对旋转弹头侵彻单层靶板的相关研究[2-5]， 如李晓杰等研究了不同弹头转速和速度对金属薄板侵彻过程中弹头最终速度、 翻转角度和弹道偏移的影响[2]. 但是， 鲜有对旋转战斗部侵彻多层带加强筋钢靶侵彻弹道规律的研究. 本文对侵彻战斗部以不同转速和着靶速度侵彻多层带加强筋钢靶目标的弹道性能展开研究， 以揭示旋转侵彻战斗部侵彻多层带加强筋钢靶目标的终点弹道规律， 为新型战斗部设计提供理论支撑.

由于进行全尺寸试验的成本很高， 模拟仿真试验方法目前成为研究侵彻问题最有效和简洁的手段. 随着计算机技术的高速发展， 尤其是现有的大型有限元显式动力学分析软件LS-DYNA对非线性结构撞击问题的求解与实际结果吻合的很好[6]， 求解结果被工程应用领域的专家和学者普遍认可， 因此， 本文利用非线性显式动力学软件对侵彻战斗部以不同转速和着靶速度侵彻多层带加强筋钢靶的弹道性能进行研究.

1 有限元模型的建立及材料参数的选取

1.1 有限元模型的建立

本研究将施加一定旋转速度的侵彻战斗部与无旋的高速侵彻战斗部分别侵彻多层靶体， 并对其弹道性能进行对比研究.

本文选取的战斗部头部为尖卵形， 弹形系数CRH为4， 长径比为7(一般为5～10)， 弹体直径为280 mm， 其它结构参数按照文献[7]设计. 建立5层相同间隔钢靶目标， 每层钢靶后部均带有加强筋结构， 每层靶体相隔3 000 mm， 为消除靶板边界效应的影响， 取靶板边长大于10倍弹径， 靶板正面尺寸为2 820 mm×2 820 mm， 根据舰艇结构将5层靶板厚度分别设为60， 20， 40， 20和20 mm； 横向加强筋为T型材， 横筋面板宽60 mm， 厚10 mm， 高50 mm； 纵向加强筋为板状结构， 厚10 mm， 高30 mm； 纵筋间距为 250 mm， 横筋间距为700 mm. 在建立模型过程中， 为了方便建模和定义参数， 让靶板倾斜， 弹体垂直， 并且使弹体轴线在Z轴上.

考虑到一般情况下使用映射网格比自由网格得到的计算结果更精确， 因此本文对几何模型进行映射网格划分. 弹体及装药网格划分情况如图 1 所示.

图 1 旋转侵彻战斗部有限元模型Fig.1 Finite element model of rotary penetration warhead

带加强筋结构的靶板网格划分情况如图 2 所示， 为了节省计算时间， 采用变单元网格， 在弹靶接触的地方网格划分密集， 靠近靶板边界的地方划分稀疏.

图 2 带加强筋靶板有限元模型Fig.2 Finite element model of stiffened targets

图 3 为弹靶作用过程的初始状态.

图 3 弹靶作用示意图Fig.3 Mechanism sketch map of penetrating process

1.2 材料的本构模型及算法

靶板材料选用舰船常用的921A钢[8]， 战斗部材料选用30CrMnSiNi2A钢[9]， 战斗部和靶板均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen状态方程来表征其力学性能， 该材料模型能很好地表征金属在大变形、 高应变率和温度热软化效应下的力学行为. 不考虑装药爆炸情况， 故装药属于配重， 可将其看作弹性体， 材料模型选用线弹性模型， 其密度为1.8 g/cm3， 弹性模量为6 GPa， 泊松比为0.3. 材料的失效模型均采用最大塑性应变失效. 靶板和弹体本构模型的主要材料参数见表 1.

有限元模型采用cm-g-μs单位制， 所有单元为8节点六面体单元， 计算网格使用Lagrange算法， 靶板边界定义为无反射边界条件[10]， 不考虑弹体运动过程的空气阻力.

表 1 弹体和靶板主要材料参数

2 理论分析

图 4 战斗部侵彻过程受力示意图Fig.4 Schematic diagram of force in penetration process

当弹体的旋转方向为右旋(从弹体侵彻速度方向看， 角速度方向沿速度方向为右旋)时， 侵彻过程会使弹轴向右(从弹体侵彻速度方向上看)偏离， 产生向右的横向力， 使弹体向正侵彻的方向偏离； 同理弹体的旋转方向为左旋时， 侵彻过程与右旋正好相反， 即左旋弹体会导致弹体背离正侵彻方向.

3 数值模拟

战斗部对多层靶体的侵彻弹道性能可用其侵彻过程中的速度、 弹道偏移角(战斗部轴线与靶体法线之间的夹角)以及战斗部在X轴(或Y轴)方向上的加速度来表征， 本文主要从这几个方面对其进行研究分析[11-12].

定义α0为战斗部初始侵彻角， 当偏移角大于α0时说明弹体背离正侵彻方向使侵彻角增大， 偏移角小于α0时说明弹体向正侵彻方向靠拢.

本文取攻角为0°、 初始侵彻角α0为20°， 仿真了不同旋转速度、 方向(转速方向是以侵彻速度方向为基准， 即向侵彻速度方向看去， 角速度方向沿速度方向为右旋)及不同着靶速度对多层加筋板的侵彻过程. 旋转速度分别选取0， 2 500， 5 000， 7 500， 10 000， 12 500和15 000 r/min， 着靶速度分别取700和1 000 m/s.

3.1 着靶速度为700 m/s时不同转速的仿真结果

3.1.1 战斗部旋转速度方向为左旋

本节仿真了在着靶速度为700 m/s时， 不同转速(0, 2 500, 5 000, 7 500, 10 000, 12 500和15 000 r/min)对战斗部侵彻弹道性能的影响.

图 5～图 7 分别是侵彻过程中战斗部Z方向的速度、 战斗部在X轴方向上的加速度和弹道偏移角变化曲线.

图 5 战斗部侵彻速度曲线图Fig.5 Penetrating velocity curves of warhead

图 6 X轴加速度随时间变化曲线图Fig.6 Acceleration curves of X-axis

图 7 弹道偏移角随时间变化曲线图Fig.7 Ballistic deviation angle change with time curve

从图 5 可以看出， 侵彻前两层靶板时旋转战斗部和无旋战斗部的速度降几乎相同， 但是随着侵彻的进行， 速度降的差异越来越明显， 说明旋转战斗部施加转速后会造成一定的能量损耗， 符合能量守恒定律； 侵彻每一层靶板前期速度降低比较缓慢， 这是由于开始时弹头部没有完全进入靶板内部， 弹靶接触面积小， 侵彻阻力也小， 随着侵彻不断进行， 弹靶接触面积逐渐增加， 侵彻阻力也在增加， 导致战斗部速度降低加快.

图 6 为战斗部侵彻过程中所受侧向加速度曲线， 侧向力会造成战斗部摆动， 使其受到翻转力矩， 导致偏转角发生变化.

图 7 为战斗部侵彻靶板过程中的弹道偏移角变化情况， 随着侵彻过程的进行， 对于左旋战斗部， 其侵彻每层靶板时， 由于弹体的旋转导致弹轴向左偏离， 致使旋转战斗部侵彻角加大， 背离正侵彻方向； 对于无旋战斗部， 由于没有陀螺力矩产生， 此时战斗部受到侧向力而产生一个翻转力矩， 导致战斗部发生偏转.

3.1.2 战斗部旋转速度方向为右旋

为了研究旋转方向对侵彻弹道稳定性能的影响， 本节仿真了着靶速度为700 m/s时， 不同转速大小对旋转速度方向为右旋的侵彻弹道性能影响.

图 8～图 10 分别为侵彻过程中战斗部Z方向的速度、 战斗部在X轴方向上的加速度和弹道偏移角变化曲线.

图 8 战斗部侵彻速度曲线图Fig.8 Penetrating velocity curves of warhead

图 9 X轴加速度随时间变化曲线图Fig.9 Acceleration curves of X-axis

通过与左旋情况进行对比及理论分析可知， 战斗部右旋能保持良好的弹道稳定性. 当旋转速度为5 000 r/min时， 弹道偏移角最小， 相应的剩余速度最小. 这说明旋转方向和速度对战斗部的弹道稳定性有影响， 并且旋转速度在一定的范围内有利于战斗部侵彻的弹道稳定.

图 10 弹道偏移角随时间变化曲线图Fig.10 Ballistic deviation angle change with time curve

3.2 着靶速度为1 000 m/s时不同转速的仿真结果

3.2.1 战斗部旋转速度方向为左旋

本节仿真了在着靶速度为1 000 m/s时， 不同转速(0， 2 500， 5 000， 7 500， 10 000， 12 500和15 000 r/min)对战斗部侵彻弹道性能的影响.

图 11～图 13 分别是侵彻过程中战斗部Z方向的速度、 战斗部在X轴方向上的加速度和弹道偏移角变化曲线.

图 11 战斗部侵彻速度曲线图Fig.11 Penetrating velocity curves of warhead

图 12 X轴加速度随时间变化曲线图Fig.12 Acceleration curves of X-axis

从图11速度曲线图可以看出， 战斗部侵彻前三层靶板后的剩余速度几乎相同， 但是在侵彻最后两层靶板后的剩余速度出现了差异， 说明旋转速度影响了战斗部的过靶剩余速度.

由图13可知， 战斗部旋转方向为左旋时， 旋转战斗部的侵彻弹道稳定性不如无旋战斗部的稳定性好， 主要原因与速度为700 m/s时的分析相似.

图 13 弹道偏移角随时间变化曲线图Fig.13 Ballistic deviation angle change with time curve

3.2.2 战斗部旋转速度方向为右旋

为了研究旋转方向对侵彻弹道稳定性能的影响， 本节仿真了着靶速度为1 000 m/s时， 不同转速大小对旋转速度方向为右旋的侵彻弹道性能影响.

图 14～图 16 为右旋战斗部侵彻弹道性能参数变化曲线图. 通过与左旋战斗部的侵彻弹道性能参数进行对比可知， 旋转方向对侵彻弹道性能有影响， 与速度为700 m/s时的规律相似.

图 14 战斗部侵彻速度曲线图Fig.14 Penetrating velocity curves of warhead

结合图10和图16可知， 在一定的转速范围内旋转战斗部对侵彻弹道稳定性有利， 即在转速和侵彻速度之间存在一定的关系， 而不是单纯的旋转速度影响着侵彻弹道稳定性， 速度和转速两者之间存在一定的匹配关系； 对于图中侵彻角出现峰值和峰谷的现象， 主要是由于战斗部侵彻过程受力不对称导致的. 由于侵彻速度较大， 可能会削弱旋转速度对侵彻弹道稳定性的影响， 故两种工况下偏移角的趋势有所不同， 具体原因需要进行更深入的理论分析和实验研究.

图 15 X轴加速度随时间变化曲线图Fig.15 Acceleration curves of X-axis

图 16 弹道偏移角随时间变化曲线图Fig.16 Ballistic deviation angle change with time curve

通过以上4种不同工况的仿真结果对比可知， 旋转战斗部和无旋战斗部的侵彻弹道稳定性有一定的差异， 速度和转速需要一个合理的匹配关系， 这样才能使侵彻效果达到最佳， 但是需要进一步对两者的关系进行研究， 合理确定两者之间的匹配关系. 此外战斗部的旋转方向也影响侵彻弹道稳定性.

4 结 论

本文利用数值仿真方法研究了无旋战斗部和旋转战斗部侵彻弹道的稳定性， 仿真结果表明在一定的侵彻速度和旋转速度范围内， 赋予侵彻战斗部一定的旋转速度对侵彻过程中的弹道稳定性有利， 其侵彻复杂结构目标时不易发生跳飞现象， 该结论为进一步试验验证和结构设计提供了参考价值， 对研究新型侵彻战斗部具有一定的指导作用. 仿真结果也显示速度和转速之间存在某种合理的匹配关系， 需要对两者之间的关系进一步研究探索， 从而达到最佳的侵彻效果和弹道稳定性.

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NumericalSimulationofTerminalBallisticofRotatingWarheadPenetratingintoMulti-LayerSpacedTarget

ZHAO Hai-long， WANG Hua

(School of Astronautics， Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijng 100191, China)

Aimed to the ballistic performance problems of rotary penetration warhead, simulated the process of rotating missile warhead penetration into multilayer structure target with the stiffened targets by the means of the nonlinear explicit dynamic finite element software LS-DYNA. The influences of the different rotating speed and the impact speed on the performance of penetration ballistic were analyzed. The results show that compared with the warhead without the rotating speed, the rotating warheads have the advantage of the stability of penetration ballistic within a certain rotating speed range. The range of the rotation speed and the direction of rotation of the warhead affect the performance of penetration ballistic. Ballistic stability and rotation speed are positively correlated in a certain range. The simulation results show that there is a reasonable matching relationship between the target speed and rotational speed to achieve the best effect of penetration.

penetration; rotating warhead; ballistic performance; stiffened target

1673-3193(2017)03-0295-07

2016-11-15

赵海龙(1989-)， 男， 硕士生， 主要从事反舰战斗部结构技术， 深侵彻战斗部结构技术的研究.

O385； TJ414

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.009