彈丸侵徹運動鋼板的數值模擬

張學倫，劉宗偉，張團，王昭明

(重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶 402760)

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【裝備理論與裝備技術】

彈丸侵徹運動鋼板的數值模擬

張學倫，劉宗偉，張團，王昭明

(重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶 402760)

針對反艦彈丸打擊運動目標，運用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件對反艦彈丸侵徹不同組合模式、運動狀態鋼板的過程進行了數值模擬，分析了鋼板的單層厚度、總厚度、運動狀態對反艦彈丸侵徹過程的速度、姿態及受力狀態的影響特性。數值模擬結果表明，鋼板的總厚度是影響彈丸速度變化的主要因素，單層鋼板的厚度是影響彈丸姿態和殼體應力狀態的主要因素，鋼板運動對彈丸速度變化和殼體應力狀態的影響相對較小，但對彈丸的姿態影響較大。

反艦彈丸；鋼板；侵徹效應；數值模擬

近年來發生的戰例表明，能否快速有效地摧毀敵方大中型水面艦艇是取得現代高技術局部戰爭勝利的關鍵之一。反艦彈丸作為水面艦艇的克星，提高其對目標的毀傷威力已成為了該技術領域的重要研究熱點。彈丸對艦艇甲板或側舷的侵徹過程是一個十分復雜的沖擊動力學問題，對反艦彈丸侵徹靜態鋼板的理想狀態作用過程，國內外諸多學者進行了大量的理論分析、數值模擬和試驗研究。然而，實戰中目標通常處于運動狀態，彈丸與艦船目標的作用過程為并非靜止的理想狀態[1-2]。少數學者對彈丸侵徹移動靶板進行了研究[3-10]，但未充分考慮靶板的運動方向及靶板組合模式對侵徹效應的影響。本文利用動力學分析軟件LS-DYNA對彈丸侵徹不同組合模式、運動狀態鋼板的過程進行了數值模擬分析，試圖獲得鋼板厚度、運動參數對反艦彈丸侵徹過程的影響特性，為反艦彈丸高效毀傷運動目標提供參考。

1 模型建立

大量試驗結果表明，LS-DYNA非線性有限元軟件是分析彈丸侵徹鋼靶問題的有效手段[11]。

1.1 幾何模型

為了較好地描述彈丸與目標靶板的復雜交匯狀態，對彈丸與靶板交匯的初始狀態建立了如圖1所示的幾何模型。X軸平行于彈丸初始狀態軸線，Y軸和Z軸垂直于彈丸軸線，Vd為彈丸著靶速度，Vbx、Vby、Vbz分布為鋼靶板沿其坐標系X軸、Y軸、Z軸方向的運動速度，α角為彈丸著角，γ角為侵徹過程中彈丸軸線與水平方向之間的夾角，表征彈丸侵徹過程中姿態的變化情況，規定γ角逆時針為負，順時針為正。在數值模擬中，彈丸采用CRH=3的卵形頭部彈丸，彈體長徑比為5，彈丸外形為φ260 mm×1 300 mm，彈重300 kg；靶板為2 500 mm×2 500 mm的方形靶板。

1.2 有限元計算模型

在ANSYS/LS-DYNA有限元軟件中，彈丸和鋼靶板按三維實體Solid164八節點六面體單位進行劃分，采用Lagrange方法進行計算。彈體與靶板之間的接觸界面采用面-面接觸的侵蝕算法。

1.3 彈、靶材料模型

彈丸和靶板均采用Johnson-Cook模型，對各向同性材料，該模型可以準確描述金屬材料行為，能較好地描述金屬材料的加工硬化效應，應變率效應和絕熱升溫引起的軟化效應，適用于金屬由準靜態到大應變、高應變率和高溫情況下的計算。Johnson-Cook模型[10]應力應變關系見式(1)：

(1)

1.4 邊界條件

彈丸與靶板的初始速度方向分別如圖1所示，彈丸的速度Vd為750 m/s；靶板的速度Vb分別為0 m/s、±18 m/s(艦船的常規速度30節)；著角α為45°。

表1 彈體材料模型參數

表2 靶板材料模型參數

2 計算結果及分析

利用上述模型，分別對反艦彈丸侵徹不同組合模式、運動狀態鋼靶板的過程進行了數值模擬分析，具體工況條件列于表3。表3中靶板運動坐標系與圖1所示一致，即彈道方向為X向，彈道的上下方向為Y向(向上方向為正向)，彈道的左右方向為Z向(正負向遵守右手定則)。

表3 計算工況

工況1～工況4中，鋼靶板的組合模式為單層靶(厚度32mm，傾斜角度45°)；工況5～工況8中，鋼靶板的組合模式為兩層組合靶(厚度60mm+20mm，垂直間距2m，傾斜角度45°)；工況9～工況12中，鋼靶板的組合模式為四層組合靶(厚度32mm+18mm+10mm+10mm，相鄰層垂直間距2m，總垂直間距6m，傾斜角度45°)。

2.1 靶板組合模式的影響

反艦彈丸侵徹不同組合模式靜止鋼靶板的速度變化曲線如圖2所示。工況1、工況5、工況9的剩余速度分別為736.2m/s、706.9m/s、717.9m/s。從圖2可以看出，工況5靶板累計厚度最大，工況5彈丸的剩余速度最小，因此，在靶板組合模式中，靶板的累計厚度是影響彈丸剩余速度的最主要原因。

圖2 工況1、5、9彈丸速度變化曲線

彈丸侵徹不同組合模式靜止鋼靶板的姿態變化情況如圖3所示。在工況1中，彈丸出單層靶時的γ角為0.4°；在工況5中，彈丸出第二層靶時的γ角為-1.85°；在工況9中，彈丸出第四層靶時的γ角為-3.1°。從圖3可以看出，工況1和工況9的γ角變化基本一致，這表明工況9中第二層至第四層靶板對γ角影響較小；工況5中，在侵徹第一層靶板后γ角為2.39°，出第四層靶時γ角分別為-3.1°，侵靶過程彈丸姿態變化相對較大。因此，當單層靶板相對較薄時，對彈丸姿態影響較小；當單層的靶板相對較厚時，對彈丸姿態影響較大。

圖3 工況1、5、9彈丸姿態變化曲線

彈丸侵徹不同組合模式靜止鋼靶板的殼體典型單元應力狀態如圖4所示。工況1、工況5、工況9彈丸殼體典型單元應力峰值分別為1 716 MPa、2 061 MPa、1 713 MPa。從圖4可以看出，在3種工況中，工況5殼體應力峰值最大，工況1和工況9殼體應力峰值基本相同，這說明每層靶板的厚度是影響殼體應力的主要因素。

圖4 工況1、5、9殼體單元應力變化曲線

2.2 靶板運動的影響

1) 靶板運動對彈丸速度的影響

彈丸侵徹單層鋼靶的速度變化曲線如圖5所示，在工況1～工況4中，彈丸的剩余速度范圍為735.8～737 m/s；彈丸侵徹兩層組合鋼靶的速度變化曲線如圖5所示，在工況5～工況8中，彈丸的剩余速度范圍為705.9～707.9 m/s；彈丸侵徹四層組合鋼靶的速度變化曲線如圖6所示，在工況9～工況12中，彈丸剩余速度范圍為717.1～718.9 m/s。從圖5～圖7可以看出，在其他條件相同的情況下，靶板運動對彈丸剩余速度的影響不超過0.3%，因此可認為靶板的運動對彈丸速度的影響較小。

圖5 工況1～工況4彈丸速度變化曲線

圖6 工況5～工況8彈丸速度變化曲線

2) 靶板運動對彈丸姿態的影響

反艦彈丸侵徹單層靶、兩層組合靶和四層組合靶的γ角變化曲線分別如圖8、圖9和圖10所示。從圖8～圖10可以看出，在其他工況條件相同的情況下，靶板運動方向對彈丸出靶姿態，尤其是靶后運動姿態變化趨勢有較大影響。

圖7 工況9～工況12彈丸速度變化曲線

圖8 工況1～工況4彈丸姿態變化曲線

圖9 工況5～工況8彈丸姿態變化曲線

圖10 工況9～工況12彈丸姿態變化曲線

3) 靶板運動對殼體應力的影響

彈丸侵徹單層、兩層組合靶和四層組合鋼靶的殼體典型單元應力變化曲線分別如圖11～圖13所示。從圖11～圖13可以看出，在其他條件相同的情況下，侵徹單層靶、四層組合靶殼體典型單元應力峰值為1 590～1 778 MPa,侵徹兩層組合靶殼體典型單元應力峰值為2 027～2 061 MPa,殼體典型單元應力峰值最大相差11.8%。因此，靶板的運動對殼體應力具有一定的影響。

從圖13還可以看出，工況9～工況12中侵徹第二、三、四層靶板時，殼體應力峰值逐漸增大，這是由于彈丸著靶姿態變差導致的。因此，彈丸的著靶姿態也是影響殼體應力峰值主要因素之一。

圖11 工況1～工況4殼體單元應力變化曲線

圖12 工況5～工況8殼體單元應力變化曲線

圖13 工況9～工況12殼體單元應力變化曲線

3 結論

1) 鋼靶板的組合模式對彈丸的侵徹過程有重要影響：單層靶板相對較薄時，對彈丸姿態影響較小，單層靶板相對較厚時，對彈丸姿態影響較大；單層靶板的厚度是影響殼體應力的主要因素。

2) 鋼靶板的運動對彈丸侵徹過程有重要影響：靶板的運動對彈丸速度的影響較小，但對彈丸出靶姿態有較大影響，尤其影響靶后運動姿態；靶板的運動對殼體應力具有一定的影響，彈丸的著靶姿態是影響殼體應力峰值主要因素之一。

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(責任編輯 周江川)

Numerical Simulation of Anti-Warship ProjectilePerforating Moving Steel Plate Target

ZHANG Xue-lun，LIU Zong-wei，ZHANG Tuan，WANG Zhao-ming

(Chongqing Hongyu Precision Industrial Co., Ltd., Chongqing 402760, China)

Aiming to that anti-warship projectiles destroy moving targets, the process of anti-warship projectiles penetrating various compounding styles and moving state steel plates was simulated using nonlinear dynamic code LS-DYNA. The influence characteristics of single thickness, total thickness, moving state of steel plates on velocity change, attitude change and stress state of anti-warship projectile were analyzed. The numerical simulation results show that the total thickness of steel plates is the primary affect factor of velocity change, and single thickness of steel plates is the primary affect factor of velocity change and stress state, and the moving state of steel plates hardly affects velocity change and stress state, but markedly affects attitude change of anti-warship projectile.

anti-warship projectile; steel plate target; perforating effect; numerical simulation

2016-11-11；

2016-12-15 作者簡介：張學倫 (1966—)，男，研究員級高級工程師，主要從事彈藥工程的研究。

10.11809/scbgxb2017.04.007

張學倫，劉宗偉，張團，等.彈丸侵徹運動鋼板的數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2017(4):32-36.

format:ZHANG Xue-lun，LIU Zong-wei，ZHANG Tuan，et al.Numerical Simulation of Anti-Warship Projectile Perforating Moving Steel Plate Target[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):32-36.

TJ55

A

2096-2304(2017)04-0032-05