分段式穿甲彈侵徹效能分析

程 瑤，趙太勇，陳智剛，蘭宇鵬，史俊青

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201)

隨著現(xiàn)代武器戰(zhàn)斗部技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代反應(yīng)裝甲已經(jīng)可以有效地降低桿式穿甲彈的侵徹威力，使得穿甲彈的穿甲威力降低16%～67%.1969年，Held在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)用兩塊金屬板中間夾一層炸藥的“三明治”結(jié)構(gòu)，能有效降低穿甲彈和聚能射流對(duì)其侵徹的能力，這也是最初的爆炸反應(yīng)裝甲。之后的各種新型爆炸反應(yīng)裝甲也是在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的改進(jìn)和發(fā)展。最典型的“三明治”結(jié)構(gòu)的爆炸反應(yīng)裝甲，它一般將2～3 mm的鈍感炸藥層夾在1～3 mm的鋼板中組成爆炸塊。當(dāng)穿甲彈擊中反應(yīng)裝甲時(shí)會(huì)引爆炸藥，產(chǎn)生的高壓爆轟產(chǎn)物推動(dòng)前后蓋板向相反方向運(yùn)動(dòng)，使彈芯偏轉(zhuǎn)或斷裂，降低其侵徹能力。

國內(nèi)外學(xué)者從理論和試驗(yàn)研究著手，研究如何對(duì)付反應(yīng)裝甲。李小笠等[1]利用爆炸式反應(yīng)裝甲和長桿體之間互相作用，以及分析了侵徹到主裝甲的整個(gè)過程的作用機(jī)理,建立出長桿彈斜侵徹半無限靶的理論模型,計(jì)算得到最終行程以及侵徹深度等；戴澤等[2]提出用長桿彈、陶瓷復(fù)合裝甲、爆炸反應(yīng)裝甲三部分研究其侵徹機(jī)理，得到各階段的規(guī)律；李文彬等[3]對(duì)長桿體沖擊起爆反應(yīng)裝甲中，分析了其對(duì)夾層炸藥兩端鋼板的侵徹機(jī)理；李歌等[4]也在長桿彈與爆炸反應(yīng)裝甲上進(jìn)行研究，研究了不同法線角侵徹下的不同穿深；馬曉青等[5]研究了脫殼穿甲彈侵徹反應(yīng)裝甲時(shí)，彈桿的變形、斷裂,研究了其速度變化；成樂樂等[6]對(duì)LEFP在切割桿式穿甲彈時(shí)的最佳角度進(jìn)行了研究。

筆者從穿甲彈出發(fā)，研究具有新型結(jié)構(gòu)的分段式穿甲彈在反應(yīng)裝甲的干擾作用下，對(duì)后效靶的侵徹過程進(jìn)行仿真模擬分析，為新型穿甲彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型與算法

通過LS-DYNA軟件對(duì)分段式穿甲彈受到反應(yīng)裝甲干擾侵徹后效靶的過程進(jìn)行了三維模擬。數(shù)值建模上為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用了1/2結(jié)構(gòu)建立三維有限元模型，并且設(shè)置對(duì)稱約束條件在1/2模型的對(duì)稱面上。計(jì)算網(wǎng)格部分均采用Solid164八節(jié)點(diǎn)六面體單元，各部分均采用拉格朗日算法，且在模型的邊界點(diǎn)上施加壓力流出邊界條件。采用拉格朗日算法時(shí)，為解決炸藥網(wǎng)格變形問題，調(diào)整了模型網(wǎng)格的密度及比例，設(shè)置了最優(yōu)時(shí)間步長和接觸算法，保證了炸藥網(wǎng)格變形對(duì)面板的驅(qū)動(dòng)無影響。仿真模型由分段式穿甲彈、反應(yīng)裝甲和后效靶三部分組成，如圖1所示。

穿甲彈入射速度均為1 500 m/s，入射方向與后效靶板法線夾角為45°，穿甲彈的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：彈徑10 mm，長度100 mm，長徑比為10；反應(yīng)裝甲面板的厚度為7 mm，背板的厚度為7 mm，裝藥層的厚度為7 mm，后效靶厚度為40 mm.整體模型簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.2 材料模型

本算例中，藥型罩材料部分采用紫銅，后效靶板采用45#鋼，桿彈采用鎢合金材料，所有金屬材料都采用JOHNSON-COOK材料模型[6]和GRUNEI-SEN狀態(tài)方程，金屬材料主要參數(shù)如表1所示。表1中C為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)，m為溫度相關(guān)系數(shù)，主裝藥用8701炸藥，選用HIGH_EXPLOSIVE-BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述，材料參數(shù)如表2所示。空氣采用空物質(zhì)材料(NULL)來描述，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)方程為多線性狀態(tài)方程。

表1 藥型罩、穿甲彈、靶板的材料參數(shù)

表2 8701炸藥參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)裝甲對(duì)分段式穿甲彈的影響分析

在穿甲彈與反應(yīng)裝甲相互作用階段，當(dāng)穿甲彈穿過反應(yīng)裝甲前面板時(shí)引爆炸藥，產(chǎn)生高壓爆轟產(chǎn)物，驅(qū)動(dòng)面板和背板運(yùn)動(dòng)，面板與穿甲彈接觸，并且干擾穿甲彈使其產(chǎn)生一定偏角，導(dǎo)致侵徹路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

由于此階段不同彈頭比的穿甲彈仿真過程相似，這里采用彈頭比例為15%的穿甲彈侵徹反應(yīng)裝甲應(yīng)力云圖過程進(jìn)行介紹。如圖3所示，t=23、43 μs時(shí)分別為穿甲彈瞬時(shí)引爆炸藥和面板向相反方向運(yùn)動(dòng)過程，t=97 μs時(shí)穿甲彈已侵徹到后部面板，其頭部彎曲變形嚴(yán)重。

前后段不同比例的穿甲彈受到的干擾作用和變形擾動(dòng)有一定差別，如圖4所示。

當(dāng)彈頭比例為9%時(shí)，前段較短的彈體向上偏轉(zhuǎn)程度最大，在隨后與后效靶接觸的過程中繼續(xù)向上翻轉(zhuǎn)直至脫落，前段彈體在穿甲彈開坑階段較早的翻轉(zhuǎn)偏離脫落有利于后段彈體的侵徹；穿甲彈前段占比為17%的彈體中，前段彈體頭部產(chǎn)生翹曲，在隨后侵徹后效靶的過程中，前段彈體軸向與靶接觸面積較大，在彈體的開坑階段，不利于后段彈體的進(jìn)一步侵徹。未分段的穿甲彈在侵徹反應(yīng)裝甲的過程中，面板對(duì)彈頭的干擾影響比較大，導(dǎo)致彈體軸線偏轉(zhuǎn)較大，在隨后侵徹后效靶的過程中，彈體頭部斜向上的侵徹開坑削弱了整個(gè)彈體的侵徹效能。

圖5中給出了穿甲彈侵徹后效靶的變形對(duì)比。

總體上分段式穿甲彈在穿透反應(yīng)裝甲后，前段較短的彈體能有效地穿透反應(yīng)裝甲，減小整個(gè)彈體的擾動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，更有利于后段彈體的持續(xù)侵徹。

2.2 分段式穿甲彈的毀傷效能分析

圖6為分段穿甲彈剩余速度隨侵徹時(shí)間的變化曲線。仿真模擬中不同比例的分段穿甲彈，在初始侵徹速度相同的情況下，穿透后效靶時(shí)的剩余速度呈現(xiàn)一定的差異。

在不同的工況時(shí)，分段式彈體前后比例為9%時(shí)，穿甲彈的剩余速度最大，殘余彈體的速度達(dá)102 m/s；前后段比例為21%時(shí)，穿甲彈的剩余速度最小，為0 m/s.按照殘余彈體的剩余速度大小對(duì)穿甲彈的排列順序?yàn)椋?%>11%>13%>整體>7%>15%>17%>19%>21%.總體上，前后段比例小于9%或大于13%時(shí)，分段式穿甲彈的剩余速度小于普通穿甲彈；前后段比例為9%～13%時(shí)，分段式穿甲彈的剩余速度大于普通穿甲彈, 殘余彈體的侵徹能力更強(qiáng)。

圖7為后段彈體在侵徹過程中徑向(z方向)速度隨時(shí)間的變化曲線。對(duì)于穿甲彈的侵徹效能來說，此過程中徑向速度越小越有利于穿甲彈沿軸向的侵徹作用。

由圖7中50～250 μs的部分可知，從穿甲彈與反應(yīng)裝甲接觸到穩(wěn)定侵徹的過程中，當(dāng)分段式穿甲彈的前后比例越小，徑向速度越大，且這種現(xiàn)象持續(xù)整個(gè)侵徹階段。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)榉侄问酱┘讖椙昂蟊壤叫。淝岸螐楏w在侵徹過程中銷蝕越早，故后段彈體較早的受到反應(yīng)裝甲面板和背板的切割干擾影響，因而呈現(xiàn)出分段式穿甲彈的前后比例越小，徑向速度越大的規(guī)律。

圖8為不同比例的分段式穿甲彈侵徹前后動(dòng)能變化曲線圖。由圖可以明顯看到：當(dāng)穿甲彈前后段比例為9%～13%時(shí)，穿甲彈的剩余動(dòng)能最大，說明此比例范圍時(shí)穿甲彈在侵徹過程中的能量損失最小，侵徹能力最強(qiáng)。總體上，隨穿甲彈前后段比例的不斷增大，彈體的剩余動(dòng)能呈現(xiàn)先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

圖9為不同比例的分段式穿甲彈剩余質(zhì)量的曲線圖。總體上，隨穿甲彈前后段比例的不斷增大，彈體的剩余質(zhì)量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)穿甲彈前后段比例為9%～13%時(shí)，穿甲彈的剩余動(dòng)能最大，說明此范圍時(shí)穿甲彈在侵徹過程中的能量損失最小，剩余彈體的侵徹效能最強(qiáng)。

圖10為穿甲彈貫穿后效靶時(shí)的速度云圖。當(dāng)前段長度為整個(gè)彈體的9%時(shí)，后段彈體的剩余量最大；隨著前段彈體不斷增大，后段彈體的剩余量逐漸減小。當(dāng)前段為21%時(shí)，后段彈體達(dá)到其穿透的臨界狀態(tài)。

圖11為不同比例時(shí)后段彈體在侵徹過程中偏轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系曲線，統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)刻彈軸與水平線之間的夾角。隨著侵徹的進(jìn)行，受反應(yīng)裝甲的干擾影響，彈體的偏轉(zhuǎn)角逐漸增大，彈體在入射方向上的投影面積也逐漸增大，從而帶來侵徹阻力的增加，進(jìn)一步降低了侵徹效果。由圖11可知，當(dāng)前后段比例為9%～13%時(shí)，彈體的偏轉(zhuǎn)角最小，對(duì)侵徹更有利；同時(shí)解釋說明了比例為9%～13%時(shí)，彈體的剩余速度和剩余動(dòng)能最高，剩余侵徹能力最大。

3 結(jié)論

筆者對(duì)新型分段式結(jié)構(gòu)穿甲彈在反應(yīng)裝甲的干擾作用下，侵徹后效靶的過程進(jìn)行仿真模擬，通過分析不同比例的分段式結(jié)構(gòu)穿甲彈對(duì)后效靶的侵徹效能，得出以下結(jié)論：

1)分段式穿甲彈能夠有效地削弱反應(yīng)裝甲對(duì)其侵徹效能的影響，提升穿甲彈的侵徹威力。

2)分段式穿甲彈的前段彈體長度為9%～13%時(shí)，分段式結(jié)構(gòu)對(duì)穿甲彈的侵徹效能有較大的增益效應(yīng)，穿甲彈的剩余速度、剩余質(zhì)量和殘余侵徹能力均為最大；當(dāng)前段彈體長度小于9%或者大于13%時(shí)，分段式結(jié)構(gòu)對(duì)穿甲彈的增益效益較差，與普通穿甲彈的區(qū)別較小。仿真結(jié)果具有一定的理論意義，能夠?yàn)榇┘讖椀慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反應(yīng)裝甲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考價(jià)值。