炸高對炮射導彈破甲威力影響數值仿真

林世聰，楊　軍，李　帆

(1.裝甲兵工程學院 兵器工程系，北京　100072； 2.總裝備部北京軍事代表局，北京　100042)

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炸高對炮射導彈破甲威力影響數值仿真

林世聰1，楊軍1，李帆2

(1.裝甲兵工程學院 兵器工程系，北京100072； 2.總裝備部北京軍事代表局，北京100042)

摘要：炮射導彈主要采用破甲戰斗部高速金屬射流侵徹毀傷目標；當材料、結構、尺寸等參數確定后，影響戰斗部破甲威力的主要因素為炸高；以某型炮射導彈為研究對象，利用Ansys-Autodyn 2D有限元仿真軟件構建炮射導彈戰斗部模型，設定五組炸高對戰斗部侵徹靶板過程分別進行仿真，得到炮射導彈的有利炸高為其戰斗部直徑的1.90～2.53倍。

關鍵詞：炮射導彈；破甲威力；炸高

目前分析破甲戰斗部威力影響因素的文章較多，劉建榮等在文獻[1]中分析了藥型罩對破甲威力的影響；李金銘等在文獻[2]中分析了靶版結構對破甲威力的影響；炸高對破甲威力的影響分析僅停留在定性分析和最簡化模型分析階段,朱緒強、陳威等在文獻[3-4]中定性總結炸高對破甲威力的影響，認為：一方面炸高的增加有利于射流充分伸展，使破甲深度增加；另一方面隨著炸高增加，射流產生徑向分散和擺動，射流不穩定性增加，延伸到一定程度后出現斷裂，反而使破甲深度降低。

炮射導彈破甲戰斗部與常規非炮射破甲戰斗部結構有區別，影響其破甲威力的因素分析尚不充分。為了研究炸高對炮射導彈破甲威力的影響，本文結合某型炮射導彈戰斗部參數，構建戰斗部模型，設置150 mm、180 mm、210 mm、240 mm、270 mm五組炸高，利用Ansys-Autodyn 2D有限元仿真軟件對侵徹過程進行仿真并監測射流速度、能量等參數變化，結合侵徹效果，定量分析其有利炸高，為炮射導彈戰斗部設計及導彈結構設計提供一定理論支持。

1戰斗部模型構建

戰斗部由外殼、藥形罩、主裝藥、隔板、傳爆藥柱、底座、戰斗部引信等組成，結構如圖1所示。

1.傳爆藥柱；2.戰斗部引信；3.底座；4.隔板；

構建模型時對其結構簡化，重點分析主裝藥、藥形罩、隔板、外殼4個部分，結合具體結構尺寸，利用Ansys-Autodyn 2D構建戰斗部2D模型如圖2所示。

圖2　戰斗部2D模型

2材料模型與參數確定

材料模型與參數的確定涉及到空氣、主裝藥、藥型罩、隔板、外殼和靶板6個部分。其中采用Euler(歐拉)處理器對空氣、主裝藥和藥型罩建模并將其Euler單元定義為流體；采用Lagrange(拉格朗日)處理器對隔板、外殼和靶板建模，并將靶板的Lagrange單元定義為固體。為了避免邊界反射干擾試驗，將邊界條件設置為“Flow-out(完全流出)”，在此邊界條件下所有物質均可正常流出邊界，應力波也會無反射傳播。

2.1空氣

空氣選用理想氣體模型，采用Ideal-Gas(理想氣體)狀態方程(1)描述：

(1)

式(1)中，P為空氣壓強；γ為氣體常數；ρ為空氣密度；E為內能；Pshift為初始壓力。主要參數如表1所示。

表1　空氣材料參數

2.2主裝藥

主裝藥材料模型選用High Explosives Burn(高能炸藥爆轟)模型，為精確的描述爆轟產物的膨脹驅動過程，采用JWL(Jones-Wilkens-Lee)狀態方程[6]對炸藥材料進行描述:

(2)

表2　主裝藥材料及狀態方程計算參數

2.3藥型罩

藥型罩為單錐變壁厚藥型罩，采用Johnson-Cook材料本構模型和Mie-Gruneisen狀態方程中關于壓縮材料的壓力計算公式描述。

(3)

表3　藥型罩材料參數

(4)

式(4)中，P為壓力；C為藥型罩中聲速；ρ0為藥型罩材料密度；S1、S2、S3是us-up曲線斜率的系數；γ0是Gruneisen 常數；a是γ0的一階體積修正；μ=ρ/ρ0-1。主要參數如表4所示。

表4　藥型罩狀態方程計算參數

2.4其他結構

隔板材料選用AΓ-84，外殼材料選用45鋼，靶板材料選用4340鋼，均采用Johnson-Cook材料本構模型和Mie-Gruneisen狀態方程描述。

3仿真過程與結果

在主裝藥底部中心處設置起爆點，t=0時刻引爆戰斗部形成射流。射流形成過程如圖3所示。取藥型罩底端截面為0截面，圖中由上至下射流長度依次為0 mm、150 mm、180 mm、210 mm、240 mm、270 mm，對應本文設置的5組炸高方案。

圖3　射流形成過程

分別記5組炸高為方案A、B、C、D、E，進行數值仿真計算。其中方案B的射流侵徹過程如圖4所示。

圖4　射流侵徹過程

整理各方案中射流著靶時的時刻、射流速度、射流內能及最終侵徹深度如表5所示。

表5　不同方案射流數據及侵徹深度

從表5中試驗數據可以看出從方案A至方案E，各項數據均先增加而后減小，其中方案C中射流各項數據均大于余下四組方案，可得出此炮射導彈戰斗部炸高在210 mm附近時，破甲威力達到最大。

但有利炸高為一個區間，需結合數據具體變化規律進行探究。由此對表5中數據進行處理，得到表6(表中“0”為初始，“+”代表增加，“-”代表減少)。

表6　方案數據對比

結合表6中處理后的數據與Autodyn軟件中的仿真過程可以得到，炸高對炮射導彈破甲威力的影響大致滿足鐘形曲線，在方案C中炸高210 mm附近達到鐘頂，即破甲威力最大；在方案B中炸高180 mm和方案C中炸高240 mm之間，破甲威力相對鐘頂數值減小，但減小幅度較??；在未達到方案B中炸高和超過方案D中炸高時，破甲威力迅速減弱。

4結論

1) 結合表5、表6中數據分析與Autodyn軟件中的仿真過程可以得出，初期隨著炸高的提高，射流接觸靶板時的速度增加，射流內能增加，侵徹深度加深。當炸高提高到某一范圍時，侵徹深度最大，即破甲威力最大。之后隨著炸高的提高，射流速度降低，射流內能降低，侵徹深度快速下降。與文獻[3-4]中結論相符。

2) 此型號炮射導彈的有利炸高在180～240 mm之間，使戰斗部破甲威力達到最大的炸高在210 mm附近，略小于210 mm。其有利炸高為戰斗部直徑的1.90～2.53倍。

3) 結論2)中戰斗部有利炸高范圍適用于相同或相似結構的炮射導彈破甲戰斗部。

參考文獻：

[1]劉建榮,張國偉,徐立新,等.藥型罩加工精度對破甲戰斗部威力影響的研究[J].彈箭與制導學報,2012,32(3):114-117.

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[3]朱緒強,成一,李德才,等.大炸高下破甲彈的侵徹性能研究[J].爆破器材,2013,42(1):98-99,107.

[4]陳威,李吉峰,朱磊.藥型罩錐角對有利炸高影響的數值分析[J].彈箭與制導學報,2010,30(6):44-63.

[5]李斌,孫建兵,許潔.聚能射流侵徹鋼板相似律數值模擬研究[J].機械管理開發,2013(2):9-11.

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(責任編輯周江川)

本文引用格式：林世聰，楊軍，李帆.炸高對炮射導彈破甲威力影響數值仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(4):12-14.

Citation format:LIN Shi-cong, YANG Jun, LI Fan.Numerical Simulation on Effect of Gun-Launched Missile’s Power on Burst Height[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):12-14.

Numerical Simulation on Effect of Gun-Launched Missile’s Power on Burst Height

LIN Shi-cong1, YANG Jun1, LI Fan2

(1.Department of Arms Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2.Beijing Military Representative Office of General Armament Department, Beijing 100042, China)

Abstract:The gun-launched missile mainly uses armor-penetrating warhead and penetrates damage target by high-speed metal jet. When the material, structure, size and other parameters are determined, the main factors influencing the power of armor-penetrating warhead is burst height. Taking a certain type of gun-launched missile as the research object, using Ansys-Autodyn 2D to build the missile warhead model and setting up the process of five groups of burst heights to do the numerical simulation on the process of warhead penetrating the target, we got that the stand-off burst height of gun-launched missile is 1.90～2.53 times of the diameter of the warhead.

Key words:gun-launched missile; power of armor-penetrating warhead; burst height

文章編號：1006-0707(2016)04-0012-04

中圖分類號：TJ760.1

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.004

作者簡介：林世聰(1992—)，男，碩士研究生，主要從事兵器發射理論與技術研究。

收稿日期：2015-10-16；修回日期：2015-11-22

【裝備理論與裝備技術】