雙層柱殼和單層柱殼戰斗部侵徹性能對比分析

吳世永，王偉力，黃雪峰

（海軍航空工程學院a.基礎部；b.兵器科學與技術系；c.研究生管理大隊，山東煙臺264001）

半穿甲爆破型戰斗部利用導彈自身動能來穿透艦船艙壁，在艦船內部引爆主裝藥，利用爆炸產生的沖擊波和殼體破碎形成的破片來摧毀艦船[1]。為了提高戰斗部的侵徹能力，半穿甲爆破型戰斗部的殼體通常采用硬度大、強度高的金屬材料，外殼由卵形頭部和單層圓柱殼體組成。目前，國外部分反艦導彈的戰斗部開始采用雙層柱殼結構。戰斗部采用雙層柱殼可以有效地增加戰斗部破片數量，提高戰斗部的殺傷力，還可以防止戰斗部穿甲過程中在外層殼體產生的裂紋擴展到內層殼體從而影響戰斗部的結構完整。但是在侵徹過程中，采用雙層柱殼是否會對戰斗部的強度產生影響，這是需要認真研究的。國內對單層柱殼的半穿甲爆破型戰斗部的侵徹特性進行了一系列的實驗、理論和數值模擬研究[2-7]，但是對于雙層柱殼戰斗部的研究還很少。

本文使用LS-DYNA動力學有限元軟件對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部在不同工況下的侵徹過程進行了數值模擬，對比分析了2類戰斗部殼體的形變、破壞和應力分布情況及2類戰斗部的侵徹性能。

1 計算模型

戰斗部殼體由卵形頭部、圓柱外殼和底蓋組成，材料為30CrMNsiA，中間裝藥是TNT 炸藥，總質量為93 kg，靶板是907#船用鋼。圓柱外殼和頭部及后蓋均為焊接結構，在建模時，采用共節點方式處理，即認為焊接強度與殼體材料強度一樣。圓柱外殼分別考慮雙層柱殼和單層柱殼，雙層柱殼的內外殼體之間處于貼合狀態，兩層殼體之間、殼體與裝藥之間、戰斗部與靶板之間的計算采用帶失效的侵蝕接觸算法。計算采用二分之一模型，如圖1所示，在對稱面上施加對稱約束。為了節省計算時間，在不影響計算精度的前提下，在靶板的戰斗部侵徹區域采用加密網格，而在其余區域則采用大尺寸網格。

圖1 有限元計算模型Fig.1 Finite element models used in simulations

計算中，戰斗部殼體和靶板均采用帶失效應變，且與應變率相關的隨動塑性材料模型[8]。應變率用Cowper-Symonds模型來考慮，屈服應力與應變率的關系為：

式（1）、（2）中：σY為屈服應力；ε˙為應變率；C、P為Cowper-Symonds應變率參數；σ0為初始屈服應力；β為硬化參數，在0 和1 之間取值，取0時表示僅隨動硬化，取1時表示僅各向同性硬化；是有效塑性應變；EP是材料的塑性硬化模量；E是材料彈性模量；Etan是切線模量。

不考慮內部炸藥的沖擊起爆性質，故采用Null流體動力模型與GRUNEISEN狀態方程來描述其行為。

2 數值計算結果及分析

為全面分析雙層柱殼戰斗部的侵徹性能，分別對雙層柱殼與單層柱殼戰斗部以0°、30°、45°和60°侵徹角，對厚度為20 mm 和25 mm的靶板的侵徹過程進行數值模擬。戰斗部的初始侵徹速度均為800 m/s。

2.1 侵徹角度對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部的侵徹性能影響

對雙層柱殼和單層柱殼這2類戰斗部以0°、30°、45°和60°角侵徹20 mm 厚的靶板進行了數值計算。穿透靶板后，靶板呈現出花瓣型破壞[9-10]，而戰斗部殼體的變形情況如圖2所示，為了便于觀察，圖中沒有顯示裝藥部分。

從計算結果可以看出，垂直侵徹時，2類戰斗部的殼體形變均不大，當有角度侵徹時，與靶板最先接觸的戰斗部頭部右側被壓縮變形，隨著侵徹的進行，該處靶板產生失效破壞，戰斗部頭部左側殼體繼續與靶板作用，引起不同程度的變形，在接近卵形頭部與圓柱外殼連接處的形變最嚴重，最終戰斗部穿透靶板。各種角度侵徹時，2類殼體戰斗部的卵形頭部變形情況類似，而在圓柱外殼靠近卵形頭部連接處附近，雙層柱殼戰斗部的殼體變形比單層柱殼的變形要略為嚴重，嚴重的程度隨著侵徹角度的增大略有增加。當侵徹角為60°時，2類戰斗部最先破壞位置均出現在卵形頭部同一位置。

因此，影響半穿甲爆破型戰斗部侵徹性能的主要因素是戰斗部卵形頭部的強度，而采用雙層柱殼不會對戰斗部整體的侵徹能力產生顯著影響。

圖2 戰斗部殼體的變形與破壞情況Fig.2 Distortion and damage of the warhead shell

圖3給出了2類戰斗部以30°角侵徹靶板時，在t=0.2 ms時刻戰斗部殼體上的應力分布情況。可以看出，2類戰斗部的卵形頭部的應力分布幾乎相同，而在圓柱殼體部分，應力在雙層柱殼的內外殼體傳播不是同時的，造成內外殼體的應力傳播略有不同，導致應力在殼體的分布相比單層柱殼戰斗部更為復雜。對其他角度的侵徹過程，存在同樣的現象。

圖3 戰斗部30°侵徹時殼體的應力分布情況Fig.3 Stress distribution in the warhead shell penetrating with 30° angle

圖4給出了2類戰斗部不同工況下侵徹靶板的速度時程曲線。從曲線看出，侵徹開始階段，侵徹角為45°時，戰斗部速度下降得最快，0°和30°次之，60°下降得最慢。隨著侵徹的進行，0°角侵徹最先穿透靶板，剩余速度最大。而在斜侵徹時，由于戰斗部與靶板的作用時間變長，戰斗部的剩余速度隨著侵徹角度的增加而減小。雖然2類戰斗部在同角度侵徹過程中速度數值大小略有差異，此差異隨著侵徹角度的增加而增大，但是戰斗部的速度變化趨勢相同。

圖4 戰斗部侵徹過程中的速度時程曲線Fig.4 Velocity-time curves of the warhead in the process of penetration

2.2 靶板厚度對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部侵徹性能的影響

從圖2可以看出，雙層柱殼與單層柱殼戰斗部以45°角侵徹20 mm 靶板時，在圓柱外殼靠近卵形頭部連接處會出現比較大的形變，如果增大靶板的厚度，2類戰斗部就有可能在連接處出現不同的破壞。

從圖5給出了雙層柱殼與單層柱殼戰斗部以45°角侵徹25 mm 靶板時不同時刻的形變。

侵徹0.6 ms時，在2類戰斗部的位置A 處開始出現單元破壞，隨著侵徹的進行，A 處殼體破壞增大，B處殼體的變形越來越嚴重，逐漸在連接處出現破壞，而且雙層柱殼戰斗部的變形明顯比單層柱殼要嚴重，出現了褶曲現象。

侵徹完成后，雙層柱殼戰斗部連接處完全斷開，而單層柱殼戰斗部的雖然有部分破壞，但是殼體還是連接在一起。

這說明雙層柱殼戰斗部的卵形頭部和圓柱殼體連接處的強度相比單層柱殼戰斗部稍弱，但只有在戰斗部大角度侵徹較厚靶板時，單層柱殼戰斗部才會體現出明顯較好的侵徹性能。

2.3 焊接強度對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部侵徹性能的影響

通過前面的計算發現，戰斗部的卵形頭部和底蓋與圓柱殼體之間采用共節點方式連接，此時認為焊接強度達到或者超過戰斗部殼體的強度，在侵徹一般厚度靶板時，雙層柱殼不會明顯降低戰斗部侵徹性能。但是在實際應用中，由于焊渣、氣孔、殘余應力的影響，在焊接區域結構強度可能會降低。為了分析焊接強度對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部的侵徹性能的影響，用固連失效接觸代替共節點方式來模擬焊接面。固連失效接觸通過定義拉伸失效應力σn,fail和剪切失效應力σs,fail作為固連接觸失效的判據[11]，即當接觸面的拉伸應力σn和剪切應力σs滿足

時，就判定固連接觸失效，焊接處斷開。通過調整拉伸失效應力σn,fail和剪切失效應力σs,fail可以模擬不同焊接強度對戰斗部殼體侵徹性能的影響。

圖5 戰斗部侵徹25 mm 靶板后殼體的變形和破壞情況Fig.5 Distortion and damage of the warhead shell after penetrating the target with 25 mm thickness

取焊接強度略小于戰斗部殼體材料強度，對雙層柱殼和單層柱殼戰斗部侵徹20 mm 靶板的過程進行數值模擬計算。通過計算發現，當0°角和30°角侵徹時，2類戰斗部的殼體變形相似，焊接處均不會出現斷裂。但是當侵徹角度增加到45°時，雙層柱殼戰斗部左側的連接處出現斷裂，卵形頭部與圓柱殼體出現分離，而單層柱殼戰斗部的殼體連接沒有失效，如圖6所示。而當侵徹角度增加到60°時，雙層柱殼戰斗部的卵形頭部遭到破壞，與圓柱殼體完全分離，而單層柱殼戰斗部僅在卵形頭部出現破壞，連接處沒有失效。這說明當焊接強度較小的戰斗部大角度侵徹靶板時，雙層柱殼戰斗部的焊接處相對單層柱殼戰斗部來說更容易失效，而在小角度侵徹時，2類戰斗部的侵徹性能沒有明顯區別。因此，采用較好的焊接工藝來提高焊接區域的強度和沖擊韌性，對提高雙層柱殼戰斗部的侵徹性能具有重要作用。

圖6 焊接結構戰斗部侵徹靶板后殼體的變形與破壞情況Fig.6 Distortion and damage of the welded warhead shell after penetrating the target

3 結論

1）戰斗部對20 mm 靶板進行斜侵徹時，雙層柱殼和單層柱殼戰斗部的變形相似，沒有明顯區別。當侵徹角為60°時，2類戰斗部最先破壞的位置均為其卵形頭部。

2）戰斗部對25 mm 靶板進行大角度斜侵徹時，在圓柱外殼與卵形頭部連接處附近，雙層柱殼戰斗部殼體的變形比單層柱殼的變形更嚴重，出現嚴重破壞。

3）焊接強度較小的戰斗部對20 mm 靶板進行斜侵徹時，若侵徹角度較小，2類戰斗部的侵徹性能沒有明顯不同；但是大角度侵徹時，雙層柱殼戰斗部的焊接處相對單層柱殼戰斗部來說更容易出現斷裂。

雙層柱殼戰斗部具有前文所述的增加破片數量等優點，而且在侵徹20 mm 靶板時，采用雙層柱殼不會對其侵徹性能產生明顯影響，所以反艦導彈采用雙層柱殼半穿甲爆破型戰斗部來打擊一般水面艦艇具有一定的優越性。本文僅從侵徹過程殼體破壞方面分析了雙層柱殼戰斗部侵徹性能，可是戰斗部的殼體結構還會對炸藥爆炸空氣沖擊波能量[12]和裝藥的安定性[13]等產生影響，因而雙層柱殼對半穿甲爆破型戰斗部其他作戰性能的影響尚需進一步的研究。

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