半穿甲弹侵彻爆炸综合毁伤纯钢靶的数值仿真研究

贾振铎，赵 铮

(南京理工大学 能源与动力工程学院，南京 210094)

半穿甲弹包括穿甲爆破弹和穿甲燃烧弹，其中穿爆弹被广泛应用于军事打击中，典型的半穿甲弹战斗部有美国的“捕鲸叉”、法国的“飞鱼”、德国的“鸬鹚”以及挪威的“企鹅”等。穿爆弹依靠自身动能侵彻到目标中后由弹底引信起爆装药，通过爆炸产生的气体产物和壳体破片以及压缩周围气体介质产生的冲击波对目标进行毁伤。半穿甲弹经常被用来打击机场跑道、水面舰艇、导弹发射井防护结构等。其中，轧制钢板作为典型的防护结构，具有良好的承载能力、可加工性及价格低廉，被广泛的用于防护领域中，在复合防护结构中一般将钢板当做面板以及背板以增加防护结构抗侵爆及冲击的能力，故进行半穿甲弹对钢靶的抗侵彻爆炸作用分析对于装甲防护结构设计具有重要意义。

目前对半穿甲弹侵彻爆炸综合作用防护结构的研究进行的并不多，多是对侵彻过程分析的研究，而对爆炸过程进行研究分析的较少。Song.W等[1]对单层靶及多层靶进行了侵彻分析的数值模拟，得到了靶板的变形与破坏结果。Shokrieh.M.M等[2]使用LS-DYNA对弹丸斜侵彻陶瓷纤维复合装甲进行了数值模拟，得到了复合装甲的弹道极限速度。Ali.M.W等[3]对穿甲弹侵彻复合装甲进行了试验和仿真分析，研究了复合装甲的失效现象，通过仿真预测弹孔的形成以及穿透现象。Seifert.W等[4]对穿甲弹侵彻有间隙的陶瓷靶板进行了试验研究，随着间隙宽度的增加及粘合剂刚度的降低，装甲的防弹性能降低。朱建方等[5]对半穿甲弹不同入射角侵彻不同厚度及加筋靶板进行了研究，得到了侵彻规律与撞击速度的关系，同时运用ALE算法和流固耦合方式对舰艇舱室内爆流场及毁伤效应进行了动态描述。杜宏宝等[6]进行了侵爆子弹侵彻混凝土介质及对混凝土介质爆破效应的数值模拟研究。陈勇军等[7]运用ANSYS/LS-DYNA对穿爆弹以不同着角不同着速侵彻不同厚度均质钢靶板进行了仿真，表明改变弹体头部形状和尺寸可以提升半穿甲弹的穿甲性能。冯春等[8]基于一虚拟工况，分析了钻地弹侵彻及爆炸的双重效应对周边岩体及地下构筑物的影响规律。齐文龙[9]在模拟半穿甲弹战斗部侵彻过程中，对半穿甲弹建立了不同的头部结构模型，对比头部结构对穿甲效果的影响，结果表明尖顶型头部有更好的侵彻效果。宋万成[10]以靶板层数作为仿真变量，对半穿甲弹侵彻靶板过程进行了数值模拟，在靶板总厚度相同情况下，靶板层数越多，抗侵彻能力越弱。候旷怡等[11]对半穿甲弹着靶时不同攻角和着角对穿甲过程的影响进行了研究，结果证明着角、攻角都会对穿甲过程产生影响，攻角影响更大。苗润等[12]对半穿甲弹侵彻复合防护结构加筋靶板进行了数值计算，得到了弹体穿靶剩余速度和穿靶能量消耗等数据。

本文对半穿甲弹侵爆纯钢靶的侵彻毁伤过程及后续的爆炸毁伤过程进行数值模拟分析。通过二次建模还原钢靶穿孔形态，并进行半穿甲弹对钢靶的爆炸毁伤作用分析。拟选取美国的AN-M43半穿甲弹(图1)作为研究对象，为了便于分析，将弹形进行简化。同时，选取纯钢结构作为靶板，通过对侵彻爆炸综合过程的模拟，对不同着靶速度下，半穿甲弹对纯钢靶的侵爆毁伤结果展开分析，并进行了爆炸冲击波对靶后防护设备安全性分析。

1 模型及材料参数

半穿甲弹侵彻钢靶防护结构有限元模型见图2，侵彻过程仿真模型由半穿甲弹壳体、炸药、靶板组成，均采用拉格朗日网格。半穿甲弹弹长1.48 m，弹径0.273 m，弹重500 lb，装药量60 kg；靶板防护结构厚1 m，半径1.5 m。为节省运行时间，可将模型简化为1/2对称模型，并在对称面施加对称约束，靶板的周向设置为全约束，半穿甲弹与靶板之间的接触定义为侵蚀接触，炸药和壳体之间接触定义为自动面-面接触。

图2 侵彻过程有限元模型

仿真模型由弹体、炸药、空气、钢靶组成。根据在大应变及高应变率下的动力学研究对比得出，半穿甲弹弹体材料选用4340钢较为合理[9]，靶板材料选用603装甲钢，均使用Johnson-Cook模型进行描述，靶板材料的失效由最大失效塑性应变来决定是否删除失效单元。4340钢和603装甲钢的材料参数如表1。其中A为屈服应力常数，B为应变硬化常数，n为应变硬化指数，c为应变率相关系数，m为温度相关指数。

黑索金(RDX)材料参数如表2。其中:D为爆速，PCJ为爆压，A、B、R1、R2为JWL状态方程中的拟合参数。由于篇幅所限，文中仅给出主要参数。

表1 壳体及靶板材料参数

表2 炸药材料参数

2 侵彻过程分析

侵彻过程中将弹体视为刚体，弹的着靶速度分别为600 m/s、700 m/s、800 m/s以及 900 m/s，侵彻过程计算3 000 μs，使用LS-DYNA求解计算得到侵彻结果，采用LS-PREPOST软件进行后处理，得到不同着靶速度下的侵彻结果以及弹体的速度时间曲线图3所示。

由图3可以看出，半穿甲弹的穿深随着靶速度的增大而增大，侵彻扩孔也随着着靶速度的增大而增大，靶板的残余厚度随着靶速度的增大而减小，着靶速度600～900 m/s情况下靶板的残余厚度分别为39.60 cm、28.41cm、17.26 cm和0，可见着靶速度为900 m/s时，半穿甲弹刚好穿透钢靶防护结构，其后续爆炸毁伤会对防护结构中设备及人员造成致命打击，在靶板未穿透情况下，爆炸过程的作用使靶板形成扰动，爆炸过程只进行着靶速度600 m/s、700 m/s及800 m/s情况的仿真分析，用以得到靶后冲击波压力大小。

3 爆炸过程分析

由于计算侵彻过程的拉格朗日网格大变形导致运算终止，爆炸过程分析需要二次建模。基于侵彻结果重新建立靶板模型，还原穿孔形态。靶板、弹壳采用拉格朗日算法，炸药、空气域采用欧拉算法，使用流固耦合算法对侵彻爆炸过程进行数值模拟。有限元模型如图4所示，在对称面施加对称约束，靶板周向采用全约束，空气域周向采用透射边界。炸药起爆方式采用后置中心起爆。

选取着靶速度800 m/s情况给出爆炸过程中的压力云图如图5。由压力云图可以看到半穿甲弹由底部起爆，爆轰波开始向弹头方向传递，在159 μs炸药完全被起爆，在213 μs爆炸产生的爆轰波传递到靶板的底部，可以明显的观察到爆炸所产生的爆轰波传递过程。不同着靶速度下的爆炸过程完成后得到爆炸对钢靶的毁伤结果以及靶板后方20 cm处冲击波压力时间曲线分别如图6所示。

图3 侵彻结果及弹速时间曲线

图5 爆炸过程压力云图

图6 爆炸后靶板毁伤结果及靶板后方20 cm处冲击波压力时间曲线

由图6可以看出，随着半穿甲弹着速的增加，弹坑深度逐渐增加，炸药起爆后靶板的毁伤情况出现了增大的趋势，靶板背面发生了明显的形变，且弹坑再度出现扩孔，防护能力明显减弱。炸药爆炸产生的爆轰冲击波透过靶板产生透射波，由靶板后方20 cm处的冲击波压力曲线，可以看出着速600 m/s情况下，靶板后方20 cm处的冲击波压力峰值为1.707 MPa；着速700 m/s情况下，冲击波压力峰值为2.695 MPa，较弹速600 m/s情况峰值压力增大；着速800 m/s情况下，靶板防护结构被炸穿，且后方20 cm处冲击波峰值压力达到了273.783 MPa，较前两种着靶速度情况有了阶跃型的提升，可有效毁伤防护设备。

4 结论

1) 半穿甲弹着靶速度越高，侵彻穿深越深，形成弹坑的孔径越大，防护结构的残余厚度越小，防护结构背面形变越大，防护能力越低。

2) 600 m/s、700 m/s和800 m/s三种着靶速度下，由于爆炸作用使靶板形成扰动，得到防护结构后方20 cm处爆炸冲击波峰值压力分别为1.707 MPa、2.695 MPa和273.783 MPa，可以看出经过侵彻毁伤后，靶板的残余厚度越大，抗冲击波能力越强。600 m/s及700 m/s情况下，经爆炸毁伤后防护结构后方冲击波压力提升并不明显，说明纯钢靶防护结构在中低速半穿甲弹侵彻爆炸综合毁伤作用下有较好的防护能力。着靶速度800m/s情况下，经爆炸毁伤后，靶板防护结构被炸穿，后方冲击波压力阶跃性提升，表明当靶板被侵彻贯穿或被侵彻后续的爆炸效应炸穿后，将失去防护能力，对其中的设备造成致命打击。