船体装甲外板抗穿甲数值仿真研究

吴晖　徐峰

摘 要：水面舰艇是现代海战中不可或缺的重要组成部分，通过开展典型反舰导弹战斗部对船体装甲外板抗穿甲数值仿真分析，用剩余速度和偏转角来评价船体装甲外板抗穿甲性能，得到了装甲外板板厚、水平构件规格、球扁钢间距等因素变化对装甲外板抗穿甲性能的影响规律，以及战斗部仰角、偏角的变化对装甲外板抗穿甲性能的影响规律，为船体装甲外板的防护设计提供一定的参考。研究表明：适当增加板厚，可以提高装甲外板的整体抗穿甲性能；适当将装甲外板设计成纵倾和横倾，可以有效提高装甲外板的防护效果。

关键词：抗穿甲；剩余速度；装甲外板

中图分类号：U 674.13+1 文献标识码：A

Abstract： Surface ship is an indispensable part of modern naval warfare. Through anti penetrating simulation analysis of a typical anti-ship missile warhead of hull armored outer plate， using residual velocity and deflection angle to evaluate the anti penetration performance of the hull armored outer plate， obtaining the influence on anti penetrating performance of the armored outer plate due to the change of armored outer plate thickness， horizontal component specifications， the distance of bulb steel， elevation and declination of warhead. It concludes that increasing the thickness of plate properly can improve the overall anti penetrating performance of the armored outer plate； designing the armored outer plate into trim and heeling properly can effectively improve the protective effect of the armored outer plate.

Key words： Anti penetrating； Residual velocity； Armored outer plate

1 引言

水面舰艇是现代海战中不可或缺的重要组成部分，其攻击能力和抗打击能力是衡量舰艇战斗力的两个重要方面。反舰导弹已逐渐成为现代海战中水面舰艇的头号杀手，任何一艘舰艇在战时执行任务的过程中不可避免地会遭到敌方反舰导弹的穿甲破坏，一旦被其击沉将对战争格局产生重大影响。

船体装甲外板作为水面舰艇的第一道防线，其作用是尽量阻止反舰导弹的动能穿甲，不让战斗部进入船体内部爆炸，因此装甲防护设计越来越引起重视。对穿甲问题的研究主要有下列三种方法：（1）理论方法。它是基于能量原理，提出穿甲破壞模型[1]；（2）试验方法。它是通过试验，开展装甲弹穿甲试验研究，得到了终点弹道参数和装甲外板毁伤破坏模式以及穿甲特性[2-3]；（3）数值仿真方法。它是利用大型通用有限元软件，开展穿甲的数值仿真计算，一方面与试验结果和理论计算进行对比，验证仿真方法的正确性；另一方面，指导装甲防护设计[4-5]。

本文通过典型反舰导弹战斗部对船体装甲外板进行穿甲数值仿真分析，通过战斗部剩余速度和偏转角来评价装甲外板防护性能，获得影响船体装甲外板抗穿甲性能的规律，为装甲外板的防护设计提供一定的参考。

2 穿甲过程在有限元方法中的实现过程

在建模能力比较强大的软件（如Hypermesh）中建立有限元模型，进行适当的处理后生成k文件，k文件里面包含有所有节点和单元信息等。一般情况下，不能直接使用生成的k文件，否则会有错误提示，因此需要进行适当修改，添加必要的控制参数，然后将k文件提交到LS-DYNA求解器进行求解。计算结束后，使用LS-DYNA求解器自带的后处理程序LS-PREPOST查看计算结果，如应力、应变、速度、加速度等。最后，分析计算结果。图1所示为穿甲问题技术实现流程。

3 计算模型及材料

3.1 计算模型

图2为弹靶穿甲系统结构图：外形尺寸为2000 mm×2 000 mm、板厚为14 mm；竖向T型材布置在中间，规格为8×320/14×140；水平球扁钢间距L=500 mm，按照惯性矩等效原则简化为T型材，规格为6×140 /7.5×60，其数量根据装甲外板外形尺寸和球扁钢间距确定。

图3为假定的反舰导弹战斗部有限元模型：弹体长600 mm、弹径300 mm、弹速255 m/s；材料选用30CrMnSiNi2A钢，用实体单元建模，单元数为3904。

图4为装甲外板有限元模型：板和构件材料选用高强度钢，用壳单元模拟，单元数为7212，装甲外板四周采用固支约束。

图5为战斗部撞击装甲外板示意图，战斗部着靶点为装甲外板几何中心，即竖向T型材与中间水平球扁钢交点处。

3.2 材料模型

在低速冲击的数值分析中，材料参数如表1；材料模型采用塑性动态硬化模型，其Cowper-Symmonds方程为：

4 板厚对抗穿甲性能的影响

装甲外板厚度：8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，竖向T型材规格为8×320/14×140，水平球扁钢规格为6×140/7.5×60。图6为战斗部剩余速度随装甲外板厚度的变化，装甲外板板厚对战斗部剩余速度的影响较大，呈线性减小：装甲外板厚为8mm时，战斗部剩余速度为231.9 m/s，速度损失23.1 m/s；装甲外板厚为18 mm时，剩余速度为215.5 m/s，速度损失39.5 m/s。由此可见，适当增加板厚，对提高装甲外板的整体抗穿甲性能效果明显。endprint

5 水平球扁钢规格对抗穿甲性能的影响

水平球扁钢选取规格分别为：4×100/5.5×40、4×120/6×50、6×140/7.5×60、7×160 /8×75和8×180 /10×90（对应定义为10号、12号、14号、16号和18号），装甲外板板厚取14 mm，竖向T型材规格为8×320/14×140。图7为战斗部剩余速度随水平球扁钢规格的增加，略微减小，影响不大但导致重量增加；取10号构件时，战斗部剩余速度为228.3 m/s，速度损失26.7 m/s；取18號构件时，战斗部剩余速度为222.6 m/s，速度损失32.4 m/s。

6 水平球扁钢间距对抗穿甲性能影响

水平球扁钢间距取：200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm和900 mm，装甲外板板厚取14 mm，水平球扁钢规格为6 mm×140 mm/7.5 mm×60 mm，数量分别为9根、7根、5根、3根、3根、3根、3根、3根，竖向T型材规格为8 mm×320 mm/14 mm×140 mm。图8反映了战斗部剩余速度随水平球扁钢间距的变化：当水平球扁钢间距L为200 mm～500 mm时，战斗部剩余速度由220.8 m/s增加到223.8 m/s，装甲外板质量由688.4 kg减小到567.7 kg；当间距由500 mm增加到900 mm时，战斗部剩余速度几乎不变。由此可知，水平球扁钢间距对装甲外板的防护性能影响较小，但是减重效果明显。

7 穿甲角度对抗穿甲性能的影响

战斗部在飞行过程中由2种角度控制（如图9所示）：AO为战斗部轴线，AO′为AO在xz平面的投影，AO与AO′的夹角α定义为飞行仰角，AO′与x轴的夹角β定义为飞行偏角，装甲外板平面与y-A-z平面平行。

7.1 仰角对抗穿甲性能的影响

取仰角α=0o、10o、20o、30o、40o、50o、60o和70o，偏角β=0o。

图12和图13所示分别为战斗部在=60o、70o时装甲外板的抗穿甲损伤图。由图可见：装甲外板主要损伤特征是T型材产生倾斜破口，面板翻边。此外，随着仰角的增加，战斗部飞行姿势也会发生改变，甚至是发生翻转。

图14为战斗部偏转角随仰角α的变化曲线：当α≤50o时，战斗部会在原入射方向上发生不同程度的偏转。从图14可以看出，当仰角α=0o～ 20o时，战斗部偏转角增加；当α=20o～ 40o时，偏转角几乎不变；当α= 40o～ 50o时，战斗部偏转角继续增加。当α≥60o时，战斗部发生跳飞，即改变入射方向。

图15为战斗部剩余速度随仰角的变化曲线：当α=0o～ 30o时，仰角对战斗部剩余速度影响较小；当α=30o～ 60o时，战斗部剩余速度由222.2 m/s减小到192.4 m/s，装甲外板的防护效果非常明显；当α=60o～ 70o时，出现了反常，这可能是由于边界的影响所致。

综上分析：仰角α=30o～ 60o时，战斗部剩余速度明显减小，且方向发生偏转，可以有效保护重点舱室；超过60o后，战斗部发生跳飞，对重点舱室几乎不会产生威胁。因此在进行船体装甲外板设计时，适当将装甲外板设计成纵倾可以提高装甲外板的防护效果。

7.2 偏角对抗穿甲性能的影响

取偏角β=0o、10o、20o、30o、40o、50o、60o和70o，仰角α=0o。

图16和图17分别为战斗部在偏角β=60o、70o下的穿甲损伤图。由图可见：装甲外板主要损伤特征为背面有花瓣形突起，朝碰撞方向伸张，T型材连接处保存完好；偏角β较小时，T型材受到强烈的挤压，腹板扭曲严重，随着角度的增加扭曲程度减弱；随着偏角的增加，战斗部飞行姿势会发生改变，甚至是发生翻转。

图18为战斗部偏转角随偏角β的变化曲线：当β=0o～ 30o时，战斗部偏转角随β的增加而增大；当β=40o～ 50o时，战斗部偏转角基本不变；当60o时，战斗部发生跳飞，即改变原入射方向。

图19为偏角β对战斗部剩余速度的影响曲线：当β=0o～ 20o时，战斗部剩余速度略微增加，其原因可能是由于随着角度的增加，碰撞点附近T型材的影响减弱所致；当β=30o～ 70o时，战斗部剩余速度由227.8 m/s减小到202.1 m/s，在此种角度下装甲外板的防护效果非常明显。

综上分析，当β=30o～ 70o时，战斗部剩余速度明显减小，且方向发生了偏转，可以有效保护重点舱室；当β>60o时，战斗部发生跳飞，对重点舱室几乎不会产生威胁。因此在设计装甲外板时，适当将装甲外板设计成横倾，可以提高装甲外板的防护效果。

8 结语

本文利用LS-DYNA分析了装甲外板板厚、水平球扁钢规格、水平球扁钢间距、穿甲角度等因素变化对装甲外板抗穿甲性能的影响得出：适当增（下转第页）（上接第页）

加板厚，可以提高装甲外板的整体抗穿甲性能；水平球扁钢规格以及间距对装甲外板的防护性能影响不明显；仰角和偏角对战斗部飞行姿势的影响较明显，一般情况下在角度超过60°后战斗部将发生跳飞现象，可以有效保护重点舱室。因此在进行船体装甲外板设计时，适当将装甲外板设计成纵倾和横倾、适当增加装甲外板板厚，可以提高装甲外板的防护效果。

参考文献

[1] Goldsmith， B.L.a.W.， Petaling of thin， metallic plates during penetration by

cylinder-conical projectiles. Int. J. Solids Struct， 1985. 21（3）.

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工程大学学报， 2002.14（2）.

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[6]刘晓明. 防护结构在穿甲与爆炸作用下的机理与仿真研究[D]. 上海交

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