一種基于LS-DYNA的炮彈破片極限穿透速度仿真方法?

秦 杰 雷 鳴 安明東

（陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室 合肥 230031）

1 引言

常規彈藥爆轟作用下破片對目標侵徹毀傷問題，通常用流體力學和彈塑性動力學描述，但通常只能在簡化條件下通過經驗公式得到一些解析解，無法滿足工程上的要求。在此需求和背景下，使用LS-DYNA仿真研究預制破片戰斗部爆轟作用下破片飛散和對目標的侵徹過程，得到破片毀傷目標的極限穿透速度［1］，為戰斗部破片侵徹目標及毀傷效能評估提供支撐。

2 破片對靶板的侵徹仿真

全預制破片戰斗部［2］結構復雜，為研究其炸藥爆轟下破片的飛散狀態，此處進行必要簡化如圖1，忽略引信及傳爆藥，只考慮其炸藥、內襯、圓柱體預制破片。戰斗部采用380mm長B炸藥，切面徑長200mm，由單個圓柱體破片粘接在2mm厚硬鋁內殼上，破片材質選用鎢合金，并對各項參數進行優化提高真實性。

圖1 全預制破片戰斗部簡化模型圖

對該戰斗部簡化模型爆轟過程進行數值仿真，其預制破片的飛散過程如圖2所示。

圖2 鎢柱預制破片飛散分布

由圖2所示的破片飛散情況可以看出，在整個戰斗部爆轟破片飛散過程中，中部位置的破片加速較快，速度較高，兩端位置的破片與中部位置的破片相比，速度較低［3］。

如圖3所示，在戰斗部簡化模型中選取比較典型的破片節點［4］，并可對這些節點進行后處理繪制出典型節點速度變化曲線。

圖3 戰斗部起爆時選取的部分預制破片節點

由圖4可看出，鎢柱破片在t=63μs時，速度已經穩定下來，這些破片中，最高速度的破片為1420m/s，最低的破片為1043m/s。

圖4 典型節點速度-時間曲線

以上通過對戰斗部爆轟各節點鎢柱破片的速度進行仿真，可以得到戰斗部起爆后破片所能達到的初速。運用速度衰減公式，求出破片的著靶速度，可為以下破片侵徹靶板仿真試驗提供數值依據［5］。

在下面的仿真中，預設破片經過5m的距離著靶，此時鎢柱破片的速度經過衰減后可求出為1053m/s，此衰減后的速度我們把它預設為破片侵徹靶板時的侵徹初速［6］。

下面使用h8.8mm×φ8mm鎢柱破片經過5m的飛散過程，對厚度為10mm的均質裝甲鋼板進行侵徹仿真，鎢柱破片與靶板材料的主要參數［7］見表1。

表1 鎢柱破片與靶板材料參數

鎢柱破片對均質裝甲鋼板［8］侵徹過程的應力云圖，如圖5所示。

圖5 鎢柱破片對靶板的侵徹過程

通過應力云圖［9］可以看出，鎢柱預制破片在侵徹裝甲鋼板的過程中，破片和靶板的應力變化和形態變化。當t=7.9μs時，圓柱體預制破片與靶板開始接觸，此時應力非常大；在t=23.9μs時，破片完全侵入鋼板中，此時破片和鋼板變形都比較大，并形成了沖塞［10］；在53.9μs時，破片貫穿靶板，侵徹過程結束，開始分離。由圖6可知，h8.8mm×φ8mm預制破片對厚度為10mm均質裝甲鋼靶板進行侵徹，極限穿透速度為1053m/s。

圖6 圓柱體預制破片極限穿透速度曲線圖

當通過仿真試驗，可以得到不同大小鎢柱對靶板的極限穿透速度，見表2。

表2 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板的極限穿透速度

3 試驗驗證

試驗采用12.7mm彈道槍作為鎢柱破片的發射器［11］，并使用六通道計時儀［12］對破片速度進行采集，型號為HJ202A-Ⅱ，進行四種不同尺寸鎢柱對10mm厚均質裝甲鋼板進行侵徹試驗，實驗原理圖如圖7。

圖7 試驗原理圖

試驗狀態及結果如圖8～9。

圖9 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板侵徹狀態圖

4 結果分析

在上述試驗中，不同尺寸破片對裝甲鋼板的侵徹結果如表3所示。

表3 不同尺寸鎢柱破片對裝甲鋼板侵徹實驗結果

由表2試驗結果可以判斷出：對10mm均質裝甲鋼板的侵徹，8.2mm×8.4mm鎢柱破片對其極限穿透速度為1141m/s，8.0mm×8.8mm破片對其極限穿透速度為1063m/s，7.8mm×9.3mm破片對其極限穿透速度為1128m/s，7.6mm×9.7mm破片對其極限穿透速度為1106m/s。各型尺寸破片仿真結果與試驗結果比較，其誤差見表4。

表4 極限穿透速度侵徹仿真值與試驗值對比

分析表4可知：整個侵徹過程的極限穿透速度仿真值與實驗值最大誤差為8.2%，這個誤差在工程計算的允許范圍內，說明此方法結果是可行的。

5 結語

本文利用LS-DYNA有限元軟件對戰斗部殼體膨脹破裂與破片形成過程進行了數值模擬，分析了在此過程中破片速度的衰減，對單個破片侵徹目標靶板進行了仿真，從而得到破片對目標靶板的極限穿透速度，并通過試驗進行了驗證，可用于計算不同參數戰斗部破片對目標的侵徹毀傷能力，對破片式戰斗部的設計和優化有參考意義。