不同材料破片侵彻空中目标仿真研究
2021-10-11贾晓玲
贾晓玲
(武警工程大学 装备管理与保障学院，陕西 西安 710086)
0 引言
巡航导弹是一种无人驾驶、携带战斗部、用气动力支撑其重量、靠吸气式发动机推动克服前进阻力的有翼自控飞行器。它的出现不仅使战争变得非常复杂，而且也成为威胁人类社会最大的武器之一。为了提高拦截巡航导弹的成功率，设计高杀伤效率的战斗部，尤其是破片杀伤战斗部，在当今的反导系统研制过程中就显得尤为重要。
ANSYS/AUTODYN软件是一个功能强大的用来解决固体、流体、气体以及相互作用的高度非线性动力学问题的显式分析模块，本文使用该软件对不同材料破片侵彻巡航导弹等效靶的侵彻能力进行仿真模拟，以期能对预制破片战斗部的材料选用提供帮助。
1 计算模型的建立
1.1 有限元模型
侵彻模型选择密度高、衰减系数小、直径为7 mm的球形破片，材料分别为钨合金和4340钢，且假设球形破片侵彻目标时破片不具有转速，目标静止。等效靶模型的建立如图1所示，首先将不同于等效靶的材料等效为等效靶材，然后将同一种材料的间隔靶等效成最终的等效靶。
图1 等效靶模型的建立
等效靶的厚度h可根据原部件本体材料与等效靶材的强度极限比进行折算得到，即：
(1)
其中：h0为原部件的平均抗弹厚度，h0=15.3 mm；σ0为原部件材料的强度极限，σ0=260 MPa；σ为等效靶的强度极限，σ=265 MPa。
根据公式(1)可以将巡航导弹等效为厚度为15 mm的2024硬铝。
钨合金和4340钢球形破片正侵彻等效靶的仿真模型如图2所示。
图2 球形破片正侵彻等效靶的仿真模型
1.2 John-cook本构模型
(2)
2 仿真结果与分析
2.1 破片极限穿透速度分析
仿真分析得到的不同材料不同入射角度对破片极限穿透速度的影响如表1所示。
表1 不同材料不同入射角度下的破片极限穿透速度 m/s
由表1可知：对于钨合金破片，当入射角度由0°～60°变化时，破片极限穿透速度增加量分别为45 m/s、80 m/s、270 m/s、850 m/s；对于4340钢破片，当入射角度由0°～45°变化时，破片极限穿透速度增加量分别为110 m/s、290 m/s、390 m/s。由此可知，相同材料下，当破片的入射角度越大时，侵彻所经历的时间越长，破片极限穿透速度呈非线性增加。
2.2 破片形变量分析
首先选择塑性应变小于靶板的4340钢球形破片进行仿真，得到的入射角度为90°不同初速下破片正侵彻靶板的形变量如图3所示。
图3 4340钢破片正侵彻时的形变量
再选择钨合金球形破片进行仿真，得到的入射角度为90°不同初速下破片正侵彻靶板的形变量如图4所示。
图4 钨合金破片正侵彻时的形变量
由图3和图4可知：随着速度的增大，相同材料破片形变量逐渐增大；4340钢破片的形变量明显大于钨合金破片，随着初速的增加，4340 钢破片的剩余质量越来越小，而钨合金破片的剩余质量几乎没有变化。仿真结果表明：4340钢破片的侵蚀率要大于钨合金破片，所以，钨合金破片能够更好地完成穿透任务。
2.3 撞击温度分析
首先选择穿透性能更好的钨合金破片进行仿真，入射角度为90°正侵彻时破片以不同初速度侵彻靶板的温度如图5所示。
图5 钨合金破片以不同初速度撞击靶板的温度
再选择4340钢破片进行仿真，入射角度为90°正侵彻时以不同初速撞击靶板的温度如图6所示。
图6 4340钢破片以不同初速度撞击靶板的温度
由图5和图6可知：相同材料破片以不同初速正侵彻靶板时，初速度越高，靶板的温度也越高；两种不同材料破片，即使初速度相差很多，但靶板的最高撞击温度也相差不多。
2.4 等效靶的形貌变化
首先选择塑性应变大于靶板材料的钨合金破片进行仿真，破片以相同初速度(1 500 m/s)不同入射角度侵彻靶板时所造成的弹坑形状如图7所示。
图7 钨合金破片侵彻靶板时的弹坑形状
再选择塑性应变小于靶板材料的4340钢破片进行仿真，破片以相同初速度(1 500 m/s)不同入射角度侵彻靶板时所造成的弹坑形状如图8所示。
图8 4340钢破片侵彻靶板时的弹坑形状
由图7和图8可知：在相同初速度下，随着入射角度的增大，破片贯穿靶板时弹口直径越来越大，钨合金破片以75°入射角侵彻时已不能贯穿靶板，并且会发生跳弹现象；4340钢破片以60°入射角侵彻时已经很难穿透目标而达到作战目的。因此在破片战斗部的设计中建议选用钨合金破片而非钢破片。
3 结论
通过分析钨合金破片和4340钢破片侵彻等效靶时的弹道极限速度、撞击温度、形变量和侵彻时的弹坑形貌特征，得出了强度和密度都大于4340钢破片的钨合金破片更适合作为破片战斗部，也能更好地完成作战任务。故对于破片战斗部来讲，高密度材料的穿透性能要高于相对低密度的材料，高密度材料更能达到作战目的，从而完成作战任务。
