分段式穿甲弹侵彻效能分析

程 瑶，赵太勇，陈智刚，兰宇鹏，史俊青

(1.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；2.中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051；3.山东特种工业集团有限公司，山东 淄博 255201)

随着现代武器战斗部技术的不断发展，新一代反应装甲已经可以有效地降低杆式穿甲弹的侵彻威力，使得穿甲弹的穿甲威力降低16%～67%.1969年，Held在实验时发现用两块金属板中间夹一层炸药的“三明治”结构，能有效降低穿甲弹和聚能射流对其侵彻的能力，这也是最初的爆炸反应装甲。之后的各种新型爆炸反应装甲也是在其结构基础上的改进和发展。最典型的“三明治”结构的爆炸反应装甲，它一般将2～3 mm的钝感炸药层夹在1～3 mm的钢板中组成爆炸块。当穿甲弹击中反应装甲时会引爆炸药，产生的高压爆轰产物推动前后盖板向相反方向运动，使弹芯偏转或断裂，降低其侵彻能力。

国内外学者从理论和试验研究着手，研究如何对付反应装甲。李小笠等[1]利用爆炸式反应装甲和长杆体之间互相作用，以及分析了侵彻到主装甲的整个过程的作用机理,建立出长杆弹斜侵彻半无限靶的理论模型,计算得到最终行程以及侵彻深度等；戴泽等[2]提出用长杆弹、陶瓷复合装甲、爆炸反应装甲三部分研究其侵彻机理，得到各阶段的规律；李文彬等[3]对长杆体冲击起爆反应装甲中，分析了其对夹层炸药两端钢板的侵彻机理；李歌等[4]也在长杆弹与爆炸反应装甲上进行研究，研究了不同法线角侵彻下的不同穿深；马晓青等[5]研究了脱壳穿甲弹侵彻反应装甲时，弹杆的变形、断裂,研究了其速度变化；成乐乐等[6]对LEFP在切割杆式穿甲弹时的最佳角度进行了研究。

笔者从穿甲弹出发，研究具有新型结构的分段式穿甲弹在反应装甲的干扰作用下，对后效靶的侵彻过程进行仿真模拟分析，为新型穿甲弹的结构设计提供了理论依据。

1 数值模拟

1.1 有限元模型与算法

通过LS-DYNA软件对分段式穿甲弹受到反应装甲干扰侵彻后效靶的过程进行了三维模拟。数值建模上为节约计算时间，采用了1/2结构建立三维有限元模型，并且设置对称约束条件在1/2模型的对称面上。计算网格部分均采用Solid164八节点六面体单元，各部分均采用拉格朗日算法，且在模型的边界点上施加压力流出边界条件。采用拉格朗日算法时，为解决炸药网格变形问题，调整了模型网格的密度及比例，设置了最优时间步长和接触算法，保证了炸药网格变形对面板的驱动无影响。仿真模型由分段式穿甲弹、反应装甲和后效靶三部分组成，如图1所示。

穿甲弹入射速度均为1 500 m/s，入射方向与后效靶板法线夹角为45°，穿甲弹的基本结构参数为：弹径10 mm，长度100 mm，长径比为10；反应装甲面板的厚度为7 mm，背板的厚度为7 mm，装药层的厚度为7 mm，后效靶厚度为40 mm.整体模型简图如图2所示。

1.2 材料模型

本算例中，药型罩材料部分采用紫铜，后效靶板采用45#钢，杆弹采用钨合金材料，所有金属材料都采用JOHNSON-COOK材料模型[6]和GRUNEI-SEN状态方程，金属材料主要参数如表1所示。表1中C为应变率相关系数，n为应变硬化指数，m为温度相关系数，主装药用8701炸药，选用HIGH_EXPLOSIVE-BURN材料模型和JWL状态方程描述，材料参数如表2所示。空气采用空物质材料(NULL)来描述，对应的状态方程为多线性状态方程。

表1 药型罩、穿甲弹、靶板的材料参数

表2 8701炸药参数

2 数值模拟结果与分析

2.1 反应装甲对分段式穿甲弹的影响分析

在穿甲弹与反应装甲相互作用阶段，当穿甲弹穿过反应装甲前面板时引爆炸药，产生高压爆轰产物，驱动面板和背板运动，面板与穿甲弹接触，并且干扰穿甲弹使其产生一定偏角，导致侵彻路径发生偏转。

由于此阶段不同弹头比的穿甲弹仿真过程相似，这里采用弹头比例为15%的穿甲弹侵彻反应装甲应力云图过程进行介绍。如图3所示，t=23、43 μs时分别为穿甲弹瞬时引爆炸药和面板向相反方向运动过程，t=97 μs时穿甲弹已侵彻到后部面板，其头部弯曲变形严重。

前后段不同比例的穿甲弹受到的干扰作用和变形扰动有一定差别，如图4所示。

当弹头比例为9%时，前段较短的弹体向上偏转程度最大，在随后与后效靶接触的过程中继续向上翻转直至脱落，前段弹体在穿甲弹开坑阶段较早的翻转偏离脱落有利于后段弹体的侵彻；穿甲弹前段占比为17%的弹体中，前段弹体头部产生翘曲，在随后侵彻后效靶的过程中，前段弹体轴向与靶接触面积较大，在弹体的开坑阶段，不利于后段弹体的进一步侵彻。未分段的穿甲弹在侵彻反应装甲的过程中，面板对弹头的干扰影响比较大，导致弹体轴线偏转较大，在随后侵彻后效靶的过程中，弹体头部斜向上的侵彻开坑削弱了整个弹体的侵彻效能。

图5中给出了穿甲弹侵彻后效靶的变形对比。

总体上分段式穿甲弹在穿透反应装甲后，前段较短的弹体能有效地穿透反应装甲，减小整个弹体的扰动和偏转，更有利于后段弹体的持续侵彻。

2.2 分段式穿甲弹的毁伤效能分析

图6为分段穿甲弹剩余速度随侵彻时间的变化曲线。仿真模拟中不同比例的分段穿甲弹，在初始侵彻速度相同的情况下，穿透后效靶时的剩余速度呈现一定的差异。

在不同的工况时，分段式弹体前后比例为9%时，穿甲弹的剩余速度最大，残余弹体的速度达102 m/s；前后段比例为21%时，穿甲弹的剩余速度最小，为0 m/s.按照残余弹体的剩余速度大小对穿甲弹的排列顺序为：9%>11%>13%>整体>7%>15%>17%>19%>21%.总体上，前后段比例小于9%或大于13%时，分段式穿甲弹的剩余速度小于普通穿甲弹；前后段比例为9%～13%时，分段式穿甲弹的剩余速度大于普通穿甲弹, 残余弹体的侵彻能力更强。

图7为后段弹体在侵彻过程中径向(z方向)速度随时间的变化曲线。对于穿甲弹的侵彻效能来说，此过程中径向速度越小越有利于穿甲弹沿轴向的侵彻作用。

由图7中50～250 μs的部分可知，从穿甲弹与反应装甲接触到稳定侵彻的过程中，当分段式穿甲弹的前后比例越小，径向速度越大，且这种现象持续整个侵彻阶段。出现这种现象是因为分段式穿甲弹前后比例越小，其前段弹体在侵彻过程中销蚀越早，故后段弹体较早的受到反应装甲面板和背板的切割干扰影响，因而呈现出分段式穿甲弹的前后比例越小，径向速度越大的规律。

图8为不同比例的分段式穿甲弹侵彻前后动能变化曲线图。由图可以明显看到：当穿甲弹前后段比例为9%～13%时，穿甲弹的剩余动能最大，说明此比例范围时穿甲弹在侵彻过程中的能量损失最小，侵彻能力最强。总体上，随穿甲弹前后段比例的不断增大，弹体的剩余动能呈现先增大再减小最后趋于稳定的变化趋势。

图9为不同比例的分段式穿甲弹剩余质量的曲线图。总体上，随穿甲弹前后段比例的不断增大，弹体的剩余质量呈现先增大后减小的变化趋势。当穿甲弹前后段比例为9%～13%时，穿甲弹的剩余动能最大，说明此范围时穿甲弹在侵彻过程中的能量损失最小，剩余弹体的侵彻效能最强。

图10为穿甲弹贯穿后效靶时的速度云图。当前段长度为整个弹体的9%时，后段弹体的剩余量最大；随着前段弹体不断增大，后段弹体的剩余量逐渐减小。当前段为21%时，后段弹体达到其穿透的临界状态。

图11为不同比例时后段弹体在侵彻过程中偏转角与时间的关系曲线，统计了不同时刻弹轴与水平线之间的夹角。随着侵彻的进行，受反应装甲的干扰影响，弹体的偏转角逐渐增大，弹体在入射方向上的投影面积也逐渐增大，从而带来侵彻阻力的增加，进一步降低了侵彻效果。由图11可知，当前后段比例为9%～13%时，弹体的偏转角最小，对侵彻更有利；同时解释说明了比例为9%～13%时，弹体的剩余速度和剩余动能最高，剩余侵彻能力最大。

3 结论

笔者对新型分段式结构穿甲弹在反应装甲的干扰作用下，侵彻后效靶的过程进行仿真模拟，通过分析不同比例的分段式结构穿甲弹对后效靶的侵彻效能，得出以下结论：

1)分段式穿甲弹能够有效地削弱反应装甲对其侵彻效能的影响，提升穿甲弹的侵彻威力。

2)分段式穿甲弹的前段弹体长度为9%～13%时，分段式结构对穿甲弹的侵彻效能有较大的增益效应，穿甲弹的剩余速度、剩余质量和残余侵彻能力均为最大；当前段弹体长度小于9%或者大于13%时，分段式结构对穿甲弹的增益效益较差，与普通穿甲弹的区别较小。仿真结果具有一定的理论意义，能够为穿甲弹的结构设计和反应装甲的结构优化提供一定的参考价值。