著靶姿態(tài)對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過(guò)程的影響

侯曠怡，李可達(dá)，張新偉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

著靶姿態(tài)對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過(guò)程的影響

侯曠怡，李可達(dá)，張新偉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

利用LS-DYNA對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部著靶時(shí)不同著角和攻角對(duì)穿甲過(guò)程的影響進(jìn)行研究，進(jìn)行了在著靶速度為2 Ma，靶厚為50 mm，著角、攻角分別為0°、10°、20°條件下的侵徹?cái)?shù)值模擬。仿真結(jié)果證明，著靶時(shí)著角、攻角均對(duì)穿甲過(guò)程產(chǎn)生影響，且攻角的影響更大。

半穿甲戰(zhàn)斗部;攻角;著角

半穿甲反艦導(dǎo)彈是現(xiàn)代海戰(zhàn)中的主要武器，依靠自身動(dòng)能、戰(zhàn)斗部殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和引信的延遲作用，穿透目標(biāo)以后爆炸，形成沖擊波、破片殺傷、燃燒等二次毀傷效應(yīng)[1]。在半穿甲戰(zhàn)斗部實(shí)際的作戰(zhàn)條件下，由于導(dǎo)彈總體需求或飛行控制等多方面因素的影響，導(dǎo)彈著靶時(shí)通常不為垂直正侵徹狀態(tài)，其著靶姿態(tài)存在一定隨機(jī)性。不同的著靶姿態(tài)，半穿甲戰(zhàn)斗部對(duì)靶板的作用結(jié)果會(huì)產(chǎn)生差別。導(dǎo)彈的著靶姿態(tài)一般包括導(dǎo)彈的攻角和著角，這兩個(gè)角度的變化對(duì)彈體的過(guò)載、速度等方面都會(huì)產(chǎn)生影響[2-8]。

1 數(shù)學(xué)模型

攻角是指導(dǎo)彈速度矢量在縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的投影與導(dǎo)彈縱軸之間的夾角；著角是指彈體速度矢量與靶板法線之間的夾角，如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗部侵徹著靶示意

當(dāng)戰(zhàn)斗部以速度v0碰撞厚度為h0的鋼靶時(shí)，其傾角為θc，擊穿鋼靶后戰(zhàn)斗部剩余速度為vn。假設(shè)鋼靶對(duì)戰(zhàn)斗部的平均阻力為FA，根據(jù)能量方程可得：

(1)

式中:M為戰(zhàn)斗部質(zhì)量；H為彈頭部長(zhǎng)度[2]。

由此式可得平均阻力FA

(2)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

本研究采用LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，采用turegrid進(jìn)行有限元網(wǎng)格建模，圖2為戰(zhàn)斗部穿甲有限元模型。其中戰(zhàn)斗部著靶速度為2 Ma，鋼靶厚度為50 mm，裝藥采用JOHNSON_COOK的本構(gòu)模型，殼體、端蓋、靶板均采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，采用拉格朗日算法，殼體與鋼靶間定義為侵蝕接觸，靶板定義面對(duì)稱(chēng)和無(wú)反射邊界，彈體定義為面對(duì)稱(chēng)，采用cm-g-μs單位制。

圖2 戰(zhàn)斗部侵徹50 mm厚鋼靶有限元網(wǎng)格模型

彈體、裝藥、靶板力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 彈體和靶板力學(xué)性能參數(shù)

2.2 初始條件

所計(jì)算工況如表2所示。

2.3 著角對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)程的影響

戰(zhàn)斗部以2 Ma初速分別以0°、10°、20°著角(零攻角)撞擊50 mm厚鋼靶的結(jié)果如圖3所示。3種工況的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時(shí)間變化的對(duì)比分別如圖4～圖7。

表2 計(jì)算工況

圖3 著角分別為0°、10°、20°時(shí)，貫穿后彈丸和靶板情況

圖4 著角分別為0°、10°、20°時(shí)，彈體速度變化曲線

圖5 著角分別為0°、10°、20°時(shí)，彈體加速度變化曲線

圖7 著角分別為0°、10°、20°時(shí)，端蓋加速度變化曲線

通過(guò)上述仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出：

1) 在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的著角侵徹50 mm靶板時(shí)，20°著角以?xún)?nèi)，著角對(duì)彈體速度隨時(shí)間的變化影響不大；

2) 通過(guò)加速度變化結(jié)果顯示，著角越大的情況下，彈體、裝藥、端蓋所承受的過(guò)載也越大，其中端蓋所承受過(guò)載變化最為明顯；

3) 在真實(shí)的戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)中，端蓋后應(yīng)是安裝引信的位置，所以在引信的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)著角的影響進(jìn)行考慮。

2.4 攻角對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)程的影響

戰(zhàn)斗部以2Ma初速分別以0°、10°、20°攻角(0°著角)撞擊50 mm厚鋼靶的情況如圖8所示。3種工況的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時(shí)間變化的對(duì)比分別如圖9～圖12。

圖8 攻角分別為0°、10°、20°時(shí)，貫穿后彈丸和靶板情況

圖9 攻角分別為0°、10°、20°時(shí)，彈體速度變化曲線

圖10 攻角分別為0°、10°、20°時(shí)，彈體加速度變化曲線

圖11 攻角分別為0°、10°、20°時(shí)，裝藥加速度變化曲線

圖12 攻角分別為0°、10°、20°時(shí)，端蓋加速度變化曲線

通過(guò)上述仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的攻角侵徹50 mm靶板時(shí)，20°攻角以?xún)?nèi)：

1) 隨著攻角的增大，戰(zhàn)斗部開(kāi)口的面積也就越大；

2) 攻角對(duì)彈體速度隨時(shí)間的變化影響較大，攻角越大，剩余速度越小，也就是說(shuō)穿過(guò)靶板所需要的極限速度越大，且隨著攻角的增大，極限速度增大的趨勢(shì)越明顯；

3) 通過(guò)加速度變化結(jié)果顯示，攻角越大的情況下，彈體、裝藥、端蓋所承受的過(guò)載也越大。且在整個(gè)穿甲過(guò)程中，有攻角與零攻角對(duì)比的情況下，過(guò)載相差巨大，某些時(shí)段達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)；而在同樣具有攻角的10°和20°的情況下，過(guò)載的差異較小。所以在戰(zhàn)斗部形式為半穿甲戰(zhàn)斗部的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免攻角的產(chǎn)生。

2.5 著角與攻角對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過(guò)程的影響對(duì)比

戰(zhàn)斗部以2Ma初速分別以10°、20°攻角，10°、20°著角撞擊50 mm厚鋼靶的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時(shí)間變化的對(duì)比分別如圖13～圖16。

圖13 著角攻角對(duì)彈體速度的影響

圖14 著角攻角對(duì)彈體加速度的影響

圖15 著角攻角對(duì)裝藥加速度的影響

圖16 著角攻角對(duì)端蓋加速度的影響

通過(guò)上述仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的攻角侵徹50 mm靶板時(shí)：① 著角、攻角都對(duì)戰(zhàn)斗部的速度和過(guò)載產(chǎn)生影響，其中，攻角影響較大；② 通過(guò)對(duì)比可以看出，在過(guò)載方面，存在著角的過(guò)載曲線，一般只有一個(gè)峰值；而存在攻角的過(guò)載曲線，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這一現(xiàn)象在端蓋的過(guò)載曲線上體現(xiàn)的尤為明顯。

3 結(jié)論

通過(guò)5個(gè)工況的仿真對(duì)比，主要結(jié)論有：① 著角、攻角的存在都會(huì)對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部的穿甲過(guò)程產(chǎn)生影響，其中著角影響較小，攻角的影響較大。② 隨著著角和攻角的增大，相同靶板對(duì)同一戰(zhàn)斗部的極限速度要求也在增大，同時(shí)對(duì)戰(zhàn)斗部抗過(guò)載能力的要求也在增加。③ 由于攻角對(duì)裝藥和端蓋的過(guò)載影響較大，所以在戰(zhàn)斗部和引信的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮攻角對(duì)裝藥安定性和引信可靠性的影響。

[1] 徐松林，姚江濤.國(guó)外海基反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部現(xiàn)狀及展望[J].國(guó)防科技,2011(5):15-19.

[2] 蔣浩征,蘭庭,漢文.火箭戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1982.

[3] 北京工業(yè)學(xué)院八系爆炸及其作用編寫(xiě)組.爆炸及其作用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1979.

[4] 段建,周剛.半穿甲彈設(shè)計(jì)及穿甲實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2011(26):383-390.

[5] 藍(lán)嶺.“尼米茲”級(jí)航母抗毀傷能力深化研究[J].魚(yú)雷技術(shù),2002,10(3):8-13.

[6] 田杰,胡時(shí)勝.G50鋼動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程力學(xué),2006,23(6):107-109.

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[8] 李忠星,王少龍.半穿甲彈侵徹過(guò)程中殼體強(qiáng)度的數(shù)值分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2009,29(8):109-112.

(責(zé)任編輯 周江川)

Influence of Hitting Attitude in Armor-Piercing Process

HOU Kuang-yi, LI Ke-da, ZHANG Xin-wei

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

The influence of the landing angle and attacking angle for the penetrating process was studied by LS-DYNA when the semi armor piercing warhead. The simulation of penetration was carried out when the landing velocity is 2 Ma, the thickness of target is 50 mm, and the attacking angle is 0, 10 and 20 degree. The results of simulation indicate that the landing angle and attacking angle both have influence on the penetrating process and the attacking angle is larger.

semi armor-piercing warhead; attacking angle; landing angle

2016-11-18；

2016-12-25 作者簡(jiǎn)介：侯曠怡(1987—)，男，工程師，主要從事戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和目標(biāo)毀傷評(píng)估研究。

10.11809/scbgxb2017.04.013

侯曠怡，李可達(dá)，張新偉.著靶姿態(tài)對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過(guò)程的影響[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(4):59-62.

format:HOU Kuang-yi, LI Ke-da, ZHANG Xin-wei.Influence of Hitting Attitude in Armor-Piercing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):59-62.

TJ413.+2

A

2096-2304(2017)04-0059-04