船体加筋板与均质板结构对反舰导弹战斗部穿甲性能影响的对比分析

于辉 徐峰

摘    要：提高反舰导弹对舰船打击效果的有效途径，是使反舰导弹侵彻多层甲板后在舰船内部重要舱室爆炸。船体结构为由板材及型材组成的加筋板结构，是一种典型的非均匀结构。本文从反舰导弹战斗部飞行姿态、剩余速度和加速度等方面，开展了船体加筋板和均质板结构对战斗部穿甲性能影响的对比分析。研究表明：船体结构加强筋的存在，使反舰导弹战斗部处于一个复杂的运动状态中，而均质板结构对战斗部的飞行姿态几乎没有影响;战斗部受到加强筋腹板侧向挤压力冲量的作用，产生侧向速度，而均质板结构几乎没有侧向速度;战斗部的冲击加速度脉宽基本相同，但均质板结构对战斗部的冲击加速度峰值明显小于加强板结构。因此，均质板结构不能真实反映船体加筋板结构对战斗部飞行姿态、剩余穿甲能力和冲击特性的影响。

关键词：加筋板;均质板;战斗部;攻角;层间距

中图分类号：U663.6                                文献标识码：A

Abstract： The effective way to improve the attack effect of anti-ship missiles on ships is to make anti-ship missiles explode in important cabins of ships after penetrating multi-deck. The hull structure is a stiffened plate structure composed of plates and profiles， which is a typical non-uniform structure. From the aspects of warhead flight attitude， residual velocity and acceleration， this paper carries out a comparative analysis on the performances of warhead armor piercing by ship hull stiffened plate structure and homogeneous plate structure. The results show that the existence of stiffeners in the hull structure makes the warhead in a complex state of motion， and the homogeneous plate structure has little effect on the flight attitude of the warhead; the warhead is affected by the lateral extrusion impulse of the stiffener web， and generates lateral velocity， while the homogeneous plate structure has almost no lateral velocity; the pulse width of the impact acceleration of the warhead is basically the same， but the impact acceleration peak value of homogeneous plate structure on warhead is obviously smaller than that of stiffened plate structure. Therefore， the homogeneous plate structure can not truly reflect the influence of ship hull stiffening structure on warhead flight attitude， residual armor piercing capability and impact characteristics.

Key words： Stiffened plate; Homogeneous plate; Warhead; Attack angle; Layer spacing

1   引言

反艦导弹对舰船的攻击模式，多为动能穿甲后在舱内爆炸。提高反舰导弹对目标打击效果的有效途径，是使反舰导弹侵彻多层甲板后在舰船内部重要舱室爆炸[1]。船体结构为由板材及型材组成的加筋板结构[2]，是一种典型的非均匀结构，一般通过弹道终点参数来建立加筋板与均质靶之间的等效关系[3]，而舰船的加筋板结构对战斗部的弹道特性有明显影响[4-6]，它会使弹体在穿靶过程中发生偏转和侧移[5]。因此，有必要开展船体加筋板结构对战斗部的影响研究，使反舰导弹战斗部对目标的毁伤达到最佳效果[7]。本文通过开展反舰导弹战斗部对加筋板和均质板结构的穿甲仿真分析，从战斗部飞行姿态、剩余速度和加速度等方面获得了船体加筋板结构和均质板结构对战斗部穿甲性能的对比结果，表明均质板结构不能真实反映加筋板结构对战斗部穿甲性能的影响。

2   计算方案及材料模型

2.1  计算方案

图1为弹靶穿甲系统结构图：共3层靶板，第1层和第2层靶板外形尺寸为2 000 mm×2 000 mm，第3层为4 000 mm×4 000 mm。靶板共考虑3种方案：（1）原型方案。各层靶板均为加筋板结构，包括靶板板、横梁和纵骨。各层靶板板厚均为14 mm;横梁布置在靶板中心线上，规格为              ;纵骨以中心线为界对称布置，间距为500 mm，规格为             ;（2）均质板结构方案。在原型方案基础上只保留靶板，不考虑加强筋，各层靶板的板厚均为14 mm;（3）均质板结构方案。将原型方案的加强筋按照质量等效的原则均摊到相应的各层靶板，均摊后第1和第2层靶板板厚为18 mm，第3层靶板板厚为17 mm。

图2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。

图3为第1种方案第1层靶板结构图，靶板板和加强筋材料选用高强度钢，用壳单元模拟，靶板四周采用固支约束，第2和第3层靶板材料和边界条件与第1层靶板相同。

图4为反舰导弹战斗部垂直侵彻3层靶板结构的有限元模型，战斗部着靶角为0°，着靶点为第1层靶板中心，即横梁与纵骨的交点处。定义战斗部轴线方向上尾端节点为A点，首端节点为B点，战斗部重心为o。以战斗部轴线尾端节点为坐标原点o1。轴向为x轴，建立如图4所示的右手直角坐标系。

2.2  材料模型

在低速冲击的数值分析中，材料模型采用塑性动态硬化模型，该塑性动态硬化模型Cowper-Symmonds方程为[8]：

式中：σ0和σy分别为静态和动态屈服应力;C、P为Cowper-Symmonds应变率参数，表征材料敏感特征;E为弹性模量;ET为塑性硬化模量;ε·为材料应变率;εp为材料的等效塑性应变。材料参数如表1所示，表中fs为失效应变。

3   战斗部飞行姿态对比

图5为反舰导弹战斗部侵彻加筋板不同时刻飞行姿态。从图5可以看出：战斗部侵彻第1层靶板后，其弹道轨迹基本上为直线，略微偏移，导致第2层靶板着靶点略微偏离横梁与纵骨的交叉点;在侵彻第2层靶板的过程中，由于战斗部受到纵骨腹板和横梁腹板侧向挤压力的影响，其弹道轨迹开始向y轴负方向和z轴正方向偏移，弹体在xz平面内翻转;在侵彻第3层靶板后，由于战斗部头部先侧向着靶，第3层靶板对战斗部的作用力产生一个翻转力矩，使战斗部在xz平面内加速翻转。

图6为战斗部侵彻均质板不同时刻飞行姿态。从图6可以看出：战斗部在穿透3层靶板的过程中，其弹道轨迹基本上为直线。由此可见，船体结构加强筋的存在，使战斗部处于一个复杂的运动状态中，故均质板结构不能反映真实的船体结构对战斗部飞行姿态的影响。

定义战斗部轴线方向在xz平面的投影与x轴的夹角为战斗部的翻转角，图7为战斗部的翻转角θ随时间变化的对比曲线。

计算表明：对于第（1）种方案，战斗部撞击第1层靶板后，由于着靶点为横梁与纵骨的交叉点，靶板对战斗部的冲击力基本上沿战斗部轴线，翻转角很小（约2°）;战斗部在侵彻第2层靶板的的过程中，由于战斗部受到纵骨腹板侧向挤压力的影响，其弹道轨迹开始向y轴负方向偏移，同时战斗部受到横梁腹板侧向挤压力的影响，战斗部翻转加速，在侵彻第3层靶板前，战斗部翻转角为60°;由于战斗部头部先着靶，第3层靶板对战斗部头部的作用力产生一个正向翻转力矩，使战斗部翻转再加速，在计算时间内战斗部翻转角为266°。而对于第（2）和第（3）种方案，战斗部在xz平面内几乎不翻转。由此说明，船体结构的加强筋对战斗部的飞行姿态影响非常大，横梁和纵骨的存在将改变战斗部的飞行姿态，且横梁的存在将使战斗部产生垂直横梁腹板平面内的翻转，而均质板结构不会使战斗部产生翻转，战斗部弹道曲线几乎不改变。

4   战斗部剩余速度对比

图8为战斗部速度随时间的变化曲线。对于加筋板方案1，由于加强筋的存在，战斗部受到加强筋腹板侧向挤压力冲量的作用，在y向和z向均具有一定的速度，但明显小于主撞击方向速度，侧向速度导致战斗部弹道轨迹发生改变;而对于均质板方案2，由于没有侧向力的冲量作用，y向和z向的速度几乎为0。因此，定义战斗部主撞击方向的剩余速度用于描述战斗部的剩余侵彻能力。

图9为战斗部的剩余速度随时间变化的对比曲线。计算表明：（1）对于方案1，战斗部以255 m/s的速度侵彻第1层靶板后，速度损失为32 m/s;侵彻第2层靶板后，速度损失为30 m/s;侵彻第3层靶板后，速度损失为36 m/s;（2）对于方案2，战斗部以255m/s的速度侵彻第1层靶板后，速度损失为11m/s;侵彻第2层靶板后，速度损失为14 m/s;侵彻第3层靶板后，速度损失为15 m/s;（3）对于方案3，战斗部以255 m/s的速度侵彻第1层靶板后，速度损失为18 m/s;侵彻第2层靶板后，速度损失为19 m/s;侵彻第3层靶板后，速度损失为20 m/s。由此说明，同等重量的均质板的抗穿甲能力明显弱于加筋板，均质板结构不能真实反映船体加筋板结构对战斗部剩余穿甲能力的影响。

5   战斗部加速度对比

图10为战斗部的加速度随时间变化的对比曲线。计算表明：（1）对于方案1，战斗部侵彻第1层靶板时，战斗部加速度峰值为19 537 m/s2、脉宽5 ms;侵彻第2层靶板时，加速度峰值为16 550 m/s2、脉宽7 ms;侵彻第3层靶板时，加速度峰值为20 680 m/s2、脉宽6 ms;（2）对于方案2，战斗部侵彻第1层靶板时，战斗部加速度峰值为7 148 m/s2、脉宽5 ms;侵彻第2层靶板时，加速度峰值为6 380 m/s2、脉宽7 ms;侵彻第3层靶板时，加速度峰值为5 947 m/s2、脉宽7 ms;（3）对于方案3，战斗部侵彻第1层靶板时，加速度峰值为9681m/s2、脉宽5 ms;侵彻第2层靶板时，加速度峰值为8649m/s2、脉宽7 ms;侵彻第3层靶板时，加速度峰值为8799m/s2、脉宽7 ms。

由此可知，对于3种方案战斗部加速度脉宽基本相同，但加速度峰值差异明显，均质板结构对战斗部的冲击能力远远弱于加筋板结构，均质板结构不能真实反映船体加筋板结构对战斗部的冲击特性的影响。

6   结论

本文利用LS-DYNA，从反舰导弹战斗部飞行姿态、剩余速度和加速度等方面开展了船体加筋板和均质板结构对战斗部穿甲性能的对比分析，主要结论如下：

（1）船体结构加强筋的存在，纵骨和横梁腹板对战斗部产生的侧向挤压力，对战斗部的飞行姿态产生严重影响，战斗部在垂直横梁腹板平面内翻转，处于一个复杂的运动状态中，其弹道轨迹发生明显改变;而均质板结构对战斗部的飞行姿态几乎没有影响;

（2）战斗部受到加强筋腹板侧向挤压力冲量的作用，在y向和z向均具有一定的速度，但明显小于主撞击方向速度，而均质板结构几乎没有侧向速度;均质板的抗穿甲能力明显弱于加筋板，均质板结构不能真实反映船体加筋板结构对战斗部剩余穿甲能力的影响;

（3）加筋板结构和均质板结构对战斗部的冲击加速度脉宽基本相同，但均质板结构对战斗部的冲击加速度峰值明显小于加筋板结构，均质板结构不能真实反映船体加筋板结构对战斗部的冲击特性的影响。

参考文献

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[2]张宁.均质靶板和加筋板抗弹性能的数值模拟研究[J].兵器装备工程学报，2016，37（2）.

[3] 周岩，唐平等.舰舷结构与均质靶板等效关系的基本方法[J].弹道学报，2008，20（1）.

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