LEFP对杆式穿甲弹干扰的数值模拟

聂鹏松，刘天生，阮光光，周亚萍，刘金彪，于金升，吴　鹏，石军磊

(中北大学环境与安全工程学院，山西 太原 030051)

引　言

随着各种新型导弹在战场上的应用，装甲车辆采用被动的防护模式(如增加装甲厚度或增强装甲防护性能)已不能满足未来战争的需求，因此各种新型的主动防护系统开始被研制出来[1]。主动防护系统可以通过探测系统探测来袭的导弹信息，然后对数据信息进行处理，最后开启拦截系统中的战斗部摧毁来袭目标。

有关爆炸成型弹丸[2-3](EFP)的研究已经越来越成熟，而在EFP和线性聚能装药基础上发展起来的线性爆炸成型侵彻体(LEFP)[4-5]作为一种在爆轰产物和爆轰波作用下翻转形成的新型毁伤元，具有速度高、动能高、作用范围广和命中率高等优点，使LEFP在主动防护系统中成为其高效的反导毁伤元，在拦截杆式穿甲弹方面[6]发挥重要作用。李兵等[7]研究了LEFP作为拦截系统中反导毁伤元的可行性；沈磊等[8]采用模拟方法对LEFP在主动防护系统中的发射时刻和拦截概率问题进行了研究；李勇[9]对线性聚能装药干扰穿甲弹的过程进行了模拟。但目前还未见有关LEFP拦截杆式穿甲弹干扰效果影响因素方面的报道。

本研究采用ANSYS/LS-DYNA软件对LEFP以不同角度、不同锥角药型罩和不同药型罩壁厚对杆式穿甲弹的拦截过程以及拦截后穿甲弹对后效靶板的侵彻过程进行了数值模拟，通过控制变量法对后效靶板上的最大穿深分析LEFP的拦截效果，确定最佳拦截角度、最佳药型罩锥角和最佳药型罩壁厚，为新型反导毁伤元的研究提供参考。

1　数值模拟

1.1　数值模型的建立

杆式穿甲弹选取弹径为10mm，长度80mm，长径比为8；线性聚能装药口径为40mm，装药高度为40mm，药开型罩锥角分别为100°、120°、140°、160°，药型罩壁厚分别为1、2、3、4mm；靶板参数为120mm×120mm×40mm；起爆方式为中心棱起爆；穿甲弹入射速度为1400m/s，为了节省计算单元，建立1/2模型，其数值模拟基本模型见图1。

1.2　材料模型和参数的选择

聚能爆炸成型弹丸结构中的炸药、药型罩、壳体、空气均采用欧拉网格建模，单元使用多物质ALE算法，杆式穿甲弹和靶板均采用拉格朗日网格建模。杆式穿甲弹与空气和药型罩材料间采用流固耦合算法，杆式穿甲弹侵彻靶板选用面-面侵彻接触。对称面施加对称约束，空气柱四周添加边界无反射条件。聚能装药采用B炸药，用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和EOS_JWL状态方程来描述，具体参数见表1；药型罩采用紫铜，靶板和装药外壳采用603钢，均用Johnson-cook模型和Grüneison状态方程描述，具体参数见表2。空气介质采用MAT_NULL材料模型和线性多项式(LINEAR_POLYNOMIAL)状态方程进行模拟。

表1　聚能装药材料参数

表2　紫铜和603钢材料的模型参数

2　结果与讨论

通过数值模拟软件，利用三维有限元(LS-DYNA)程序模拟了不同拦截角度、不同药型罩形状和不同药型罩壁厚下LEFP对杆式穿甲弹的干扰过程，研究被干扰后穿甲弹对后效靶板的侵彻情况，确定LEFP对杆式穿甲弹干扰的最佳拦截角度、最佳药型罩形状和最佳药型罩壁厚。其中穿甲弹入射角为0°，在无干扰状态下对靶板的穿深效果见图2，穿深为112mm。

2.1　不同锥角药型罩干扰效果对比

不同锥角药型罩所形成的LEFP形状具有一定的差异，且对弹杆的干扰效果也不同，所以有必要对不同锥角的药型罩进行模拟研究。本研究选取锥角为100°、120°、140°、160°的线性药型罩进行数值模拟，其中弹杆入射角均为0°，药型罩壁厚均为3mm。图3为不同锥角药型罩形成的LEFP在27μs时的形态图。

由图3可看出，线性锥角药型罩所形成的LEFP形状类似于射流形状。从不同锥角的线性锥角药型罩所形成的LEFP形状来看，小锥角情况下所形成的侵彻体容易断裂，易形成射流，稳定性差，对炸高较为敏感。大锥角下所形成的LEFP头部扁平，尾部有突起，长径比较小。

图4为杆式穿甲弹被干扰后的形态图，图5为不同锥角下侵彻靶板效果图，表3为不同锥角下的干扰结果比较。

表3　不同锥角药型罩的干扰结果

注：v为LEFP稳定时速度；l为穿甲弹穿深；η为穿深降幅。

线性锥角药型罩形成的LEFP中心密实度好，长径比较大，在侵彻杆式穿甲弹时，造成杆式穿甲弹断面不齐，导致后段弹杆在飞行中失去重心，翻转程度大，后续侵彻能力弱。由图4和表3可知，锥角为100°的线性锥角药型罩形成的侵彻体稳定后速度最大，但未将弹杆侵彻断裂，而其余锥角下形成的LEFP均将弹杆截断。这是由于锥角为100°的线性锥角药型罩所形成的侵彻体速度梯度大，在飞行过程中被拉断成多节，造成质量减小，动能降低，侵彻能力差。由图5和表3可知，随着药型罩锥角的增大，穿甲弹对靶板的穿深是先减小后增大，锥角为120°时的线性聚能装药形成的LEFP对后效靶板穿深的降幅最大，说明药型罩锥角控制在120°左右效果最好。

2.2　不同药型罩壁厚下干扰效果对比

在LEFP成型和侵彻的过程中，药型罩壁厚对其有很大的影响。药型罩壁厚过薄容易导致形成的LEFP在成型过程中被拉断，壁厚过厚易导致形成的LEFP长径比较小，这都将影响其侵彻能力。对药型罩壁厚分别为1、2、3、4mm时形成的LEFP干扰杆式穿甲弹过程进行数值模拟，其中杆式穿甲弹入射角为0°，锥角为120°。图6为不同壁厚的药型罩形成的LEFP在稳定时的形态图。

由图6可以看出，随着药型罩壁厚的增加，所形成的LEFP长径比逐渐减小，而断面密实度逐渐增加。壁厚为1mm的药型罩由于形成LEFP的质量较小，长径比和断面密实度均不理想。其中壁厚为2mm的药型罩形成的LEFP虽然长径比较大，但中间有径缩出现；壁厚4mm的药型罩形成的LEFP虽然中心密实度高，但长径比较小；壁厚为3mm的药型罩所形成的LEFP长径比和断面密实度分配较为合理。

图7为杆式穿甲弹受干扰后的形态图，图8为不同壁厚下侵彻靶板效果图，表4为不同壁厚下干扰结果对比。

表4　不同壁厚药型罩干扰结果

由图8和表4可知，随着药型罩壁厚的增加，LEFP稳定后的速度逐渐增加，但弹杆受干扰后对后效靶板的穿深是先增加后降低，3mm厚度下形成的LEFP干扰效果最好。由图7可知，3mm壁厚下对穿甲弹的侵彻效果较好，穿甲弹破裂情况也更严重。因此药型罩壁厚选择3mm形成的LEFP能更好地干扰穿甲弹的侵彻。

2.3　不同拦截角度下干扰效果对比

由于LEFP基本上是在小法线角度下防御穿甲弹，所以选取入射方向与靶板法线夹角分别为-16°、-8°、0°、8°、16°，即LEFP与穿甲弹夹角分别为106°、98°、90°、82°、74°。为研究不同拦截角度对干扰效果的影响，线性聚能装药均采用锥角为120°和壁厚为3mm的药型罩。根据数值模拟结果，在整个侵彻过程中，LEFP由于受到杆式穿甲弹横向速度的影响，发生了严重的横向变形，但是其纵向仍具有较高的速度，并呈斜面状向下侵彻弹杆，对弹杆进行进一步的破坏。其中穿甲弹受干扰后的损伤图和靶板被侵彻情况见图9和图10。表5为不同入射角度下后效靶板被侵彻结果。

表5　不同入射角度下后效靶板被侵彻结果

注：ψ为入射角度；l为穿甲弹穿深；d为开坑直径。

从表5可以看出，弹杆在入射角为16°、8°、0°、-8°、-16°时的穿深分别为31、25、28、35、34mm，开坑直径基本相同。与无干扰的情况相比，穿深分别降低了72%、77%、74%、69%、69%，穿深降低幅度无明显变化趋势，入射角为8°时效果较好，穿深降低幅度大。由图9可知，入射角为8°时，LEFP和弹杆相遇时间较早，因此LEFP与弹杆发生激烈的交汇碰撞而发生毁伤断裂时间就会提前，造成穿甲弹与其他角度下相比破碎严重，质量减小幅度大，动能降低，阻碍了穿甲弹对后效靶板的进一步侵彻，且入射角度为正角度时的弹杆损伤情况要大于负角度时。因此为了降低杆式穿甲弹对主装甲的破坏，在设计主动防护系统中的反导毁伤元结构时，应尽量使其形成LEFP的飞行方向与弹杆的方向夹角接近82°。

3　结　论

(1)对不同拦截角度、不同药型罩锥角和不同药型罩壁厚下成型的LEFP对弹径10mm、长度80mm、入射速度为1400m/s的杆式穿甲弹的干扰过程进行了数值模拟，LEFP稳定时的速度随着药型罩锥角的增大而减小，穿深降幅却是先增加再减小，锥角控制在120°左右时干扰效果最佳。

(2)聚能装药口径40mm、装药高度40mm、药型罩壁厚为3mm时线性聚能装药形成的LEFP长径比和密实度较壁厚1、2和4mm形成的LEFP合理，对弹杆的侵彻效果最佳，对后效靶板的穿深降幅最大。

(3)当杆式穿甲弹入射方向与靶板法线方向夹角为正时，LEFP干扰杆式穿甲弹的效果要优于夹角为负时的情况；当入射角为8°时，被LEFP干扰后的杆式穿甲弹对后效靶板的穿深降幅最大为77%，防护效果最佳。

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