熊 飛，石 全，張 成，劉 鋒

(解放軍軍械工程學院，石家莊 050003)

0 引言

半穿甲戰(zhàn)斗部作為反艦導彈的主要戰(zhàn)斗部，對其侵徹性能的研究一直是人們關(guān)注的熱點。文獻［1-2］分別對截卵形與錐形戰(zhàn)斗部正侵徹薄板與加強筋結(jié)構(gòu)靶進行了理論分析。朱建方［3-4］等分析了傾角與攻角對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹性能的影響。以上分析均是基于戰(zhàn)斗部頭部形狀一定的條件下進行的，然而，頭部形狀作為影響半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹性能的重要因素，直接關(guān)系到其終點效應，目前研究頭部形狀對彈體侵徹性能的影響還主要集中在長桿彈、鉆地彈垂直侵徹半無限靶與中厚靶上［5-7］。因此，有必要深入研究頭部形狀對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄鋼板的影響，從而為半穿甲戰(zhàn)斗部設計以及彈體姿態(tài)控制等提供參考。

1 有限元模型的建立與材料參數(shù)的選取

1.1 有限元模型的建立

建立3種典型頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部彈體如圖1所示。3種彈體直徑均為344 mm，為保證初始動能相等，通過改變彈體長度使其質(zhì)量均為346 kg?？紤]到模型的對稱性同時為了節(jié)約計算時間，彈體與靶板建為1/2模型，在X-Y對稱面上施加對稱約束。靶板尺寸為2 600 mm×2 600 mm×40 mm，為了減小邊界條件對靶板應力的影響，四邊采用非反射邊界條件，且不考慮空氣阻力的作用。彈體與靶板之間采用面-面侵蝕接觸，保證了模型的外部單元失效被刪除后，剩下的單元依然能考慮接觸。所有單元采用8節(jié)點Solid164實體單元，計算模型的網(wǎng)格劃分均采用Lagrange算法，單位制為 cm-g-μs。

圖1 彈體與靶板有限元模型

1.2 材料模型的選取與參數(shù)的確定

彈體材料選用 TC4合金，目標靶板為 Weldox460E鋼，在半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程中彈體與靶板均會產(chǎn)生高應變高溫變，因此，彈體與靶板采用Johnson-cook［8］材料模型與Gruneisen狀態(tài)方程來描述其力學性能。半穿甲彈體與靶板具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 TC4 合金［9］與 Weldox460E 鋼［10］材料參數(shù)

2 數(shù)值仿真結(jié)果及分析

2.1 垂直侵徹過程對比分析

圖2為3種不同頭部形狀彈體侵徹薄鋼靶板全過程。根據(jù)對侵徹過程的分析可以得到:卵頭彈與尖頭彈侵徹薄靶板的全過程較為相似，與鈍頭彈侵徹過程有明顯區(qū)別，卵頭彈與尖頭彈為瓣裂穿孔破壞，鈍頭彈為沖塞破壞。卵頭彈與尖頭彈頭部接觸靶板后隨著彈體向前運動靶板背面出現(xiàn)小范圍的隆起，在480 μs與576 μs時由于靶板隆起部分材料應變超過最大塑性應變，卵頭彈與尖頭彈頭部擊穿靶板產(chǎn)生小破孔。隨著彈體頭部的繼續(xù)前進，不斷擠壓破孔，使破孔徑向擴大，當彈體頭部完全擊穿靶板后，靶板破孔與變形區(qū)域不再增大，破孔大小與彈體直徑幾乎相同。卵頭彈與尖頭彈使靶板產(chǎn)生變形區(qū)域為以彈著點為圓心的直徑分別為114.532 cm與135.788 cm的圓面積，靶板沿著彈體入射方向最大的變形(軸向位移)分別為29.87 cm與30.90 cm。鈍頭彈接觸靶板后，靶板背部也出現(xiàn)隆起，隨著彈體的前進靶板變形范圍不斷擴大，軸向位移也不斷增大，雖然靶板整體變形較嚴重，但由于單個材料單元的最大應變均未超過靶板材料的斷裂應變，所以，在1 540 μs時在沖擊區(qū)域周邊靶板材料才發(fā)生剪切破壞，從靶板上沖下一塊圓形靶塊，形成沖塞破壞。當彈體頭部擊穿靶后，靶板破孔直徑迅速增大到彈體直徑。鈍頭彈擊穿靶板后靶板產(chǎn)生變形區(qū)域為以彈著點為圓心直徑為170.295 cm的圓面積，靶板最大軸向位移為41.05 cm。鈍頭彈對薄鋼靶板造成的變形面積明顯大于尖頭彈與卵頭彈。

圖2 3種彈體垂直侵徹薄鋼板全過程

3種彈體侵徹過程中彈體速度時程曲線如圖3所示。根據(jù)曲線可以看出:當3種彈體擊穿靶薄鋼板后鈍頭彈剩余速度最小，即侵徹性能最差。尖頭彈與卵頭彈剩余速度幾乎相等，但卵頭彈速度變化更為平穩(wěn)，在侵徹初始階段卵頭彈速度損失要快于尖頭彈。

圖3 不同頭部形狀彈體速度時程曲線

利用文獻［11］中瓣裂動量理論，對該模型中卵頭彈以垂直侵徹薄鋼靶剩余速度進行理論求解，得彈體剩余速度為 311.62 m/s，數(shù)值解為 301.40 m/s，相對誤差為3.28%，可以說明仿真模型較為可信，為下一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 著角對不同頭部形狀彈體侵徹性能的影響

為了研究著角對不同頭部形狀半穿甲彈侵徹性能的影響，改變3種彈體入射角度，對彈體以0°、5°、15°、45°、60°侵徹薄鋼靶板進行數(shù)值模擬。圖4為3種不同頭部形狀彈體侵徹薄鋼靶板后剩余動能與著角的關(guān)系。根據(jù)圖中曲線可以看出:1)卵頭彈剩余動能最大，鈍頭彈剩余動能最小，卵頭彈與尖頭彈剩余動能隨著角的增大而減少，且尖頭彈動能衰減速率明顯快于卵頭彈。2)當著角大于45°時，隨著著角的增大3種彈體侵徹性能顯著降低。3)鈍頭彈剩余動能隨著角的增大呈先增加后減少趨勢，這說明小著角有利于提高鈍頭彈的侵徹能力。

圖4 不同彈體剩余動能與著角之間的關(guān)系

根據(jù)對侵徹全過程的分析發(fā)現(xiàn)，當彈體大著角侵徹薄鋼板時彈體會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角θ(彈體軸線與初速度方向的夾角，順時針為正)。以3種彈體45°斜侵徹薄鋼靶板為研究對象，分析著角對不同彈體偏轉(zhuǎn)規(guī)律的影響。圖5為3種彈體45°侵徹薄鋼板時彈體偏轉(zhuǎn)角θ隨時間變化圖。根據(jù)圖中曲線可以得到:3種彈體斜侵徹薄鋼板時彈體均產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)角，其中卵頭彈在擊穿靶板后彈體產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角最大，鈍頭彈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角最小。侵徹過程中3種彈體的偏轉(zhuǎn)角均呈先正向增加后減小，最終產(chǎn)生負向偏轉(zhuǎn)角。這是由于在初始侵徹階段，靶板發(fā)生變形對彈體產(chǎn)生反作用力，使彈體頭部向左偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)角，如圖6(a)所示。當彈體頭部擊穿靶板后彈體在靶板中運動時受力如圖6(b)所示，在此過程中靶板對彈體產(chǎn)生一定力矩使彈體向右偏轉(zhuǎn)，從而使彈體正向偏角不斷減小，最終產(chǎn)生負向偏角。

2.3 攻角對不同頭部形狀彈體侵徹性能的影響

圖7反映了3種彈體45°斜侵徹薄鋼靶板時攻角對剩余動能的影響。從圖中可以看出:斜侵徹薄鋼板時尖頭彈與卵頭彈正向與負向攻角均使彈體剩余動能減小，即攻角使彈體侵徹性能下降;鈍頭彈斜侵徹鋼薄靶板時，小角度負向攻角使其剩余動能增大，正向攻角使其剩余動能減小，可以說明斜侵徹時小角度的負向攻角有利于提高鈍頭彈侵徹性能。

圖5 三種彈體偏轉(zhuǎn)角時程曲線

圖6 彈體侵徹過程受力示意圖

圖7 彈體剩余動能與攻角關(guān)系

表2為3種不同頭部形狀在以不同攻角45°斜侵徹薄鋼靶板時彈體的最終偏轉(zhuǎn)角，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論:1)斜侵徹時攻角對卵頭彈彈道穩(wěn)定性影響最大，對尖頭彈影響最小。2)攻角對3種彈體侵徹過程中的偏轉(zhuǎn)均有一定的修正作用，正向攻角使彈體產(chǎn)生負向偏轉(zhuǎn)，負向攻角使彈體產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)。

表2 不同攻角斜侵徹薄鋼靶板時彈體偏轉(zhuǎn)角(°)

3 結(jié)論

文中運用有限元軟件對不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹薄鋼靶板進行了數(shù)值模擬，詳細分析了3種不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部垂直侵徹薄鋼靶板的全過程，并將仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果進行比較，認為仿真結(jié)果是基本可行的。同時分析了著角與攻角對3種不同彈體侵徹性能與彈體偏轉(zhuǎn)的影響，得出了以下結(jié)論:

1)3種不同頭部形狀半穿甲戰(zhàn)斗部垂直侵徹薄鋼靶板時，卵頭彈與尖頭彈為瓣裂穿孔，而鈍頭彈符合沖塞破壞，卵頭彈與尖頭彈侵徹能力相當且明顯優(yōu)于鈍頭彈，但鈍頭彈使靶板變形的程度遠大于卵頭彈與尖頭彈。

2)卵頭彈與尖頭彈擊穿靶板后的剩余動能隨著角的增加而降低，鈍頭彈剩余動能隨著角的增加呈先增加后減小趨勢，小著角下鈍頭彈的侵徹性能有所提高。當著角大于45°時3種彈體侵徹性能明顯下降。3種彈體以大著角侵徹鋼薄靶板時，由于力矩的作用彈體均發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，隨著角的增加彈體偏轉(zhuǎn)角呈先正向增加后減小，最終產(chǎn)生負向偏轉(zhuǎn)角。

3)斜侵徹時，正向與負向攻角使卵頭彈與尖頭彈侵徹性能下降，對于鈍頭彈正向攻角使彈體侵徹性能下降，而小的負向攻角對鈍頭彈的侵徹性能有所提高。攻角對彈體的偏轉(zhuǎn)有一定的修正作用，正向攻角使彈體產(chǎn)生負向偏轉(zhuǎn)，負向攻角使彈體產(chǎn)生正向偏轉(zhuǎn)。

根據(jù)以上結(jié)論可得出:當反艦導彈攻擊的目標裝甲較厚時應選擇尖形或卵形頭部形狀，提高戰(zhàn)斗部侵徹性能，當目標裝甲相對較薄時應選擇鈍頭彈，提高彈體的彈道穩(wěn)定性避免產(chǎn)生跳彈，同時在戰(zhàn)斗部攻擊目標時著角不應大于45°，且可以利用攻角對彈道進行修正。

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