董三強，蔡星會，王國亮，唐 崛

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

攻角對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶板的效應研究

董三強，蔡星會，王國亮，唐 崛

(火箭軍工程大學，陜西 西安 710025)

采用數(shù)值仿真方法，建立半穿甲戰(zhàn)斗部對航母雙層板侵徹效應的數(shù)值仿真計算模型，并計算戰(zhàn)斗部以6種不同攻角侵徹目標的動態(tài)響應過程。結(jié)果表明，攻角對戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶的能力有顯著影響。隨著初始攻角增加，戰(zhàn)斗部的靶后余速下降，當初始攻角為20°和25°時，戰(zhàn)斗部未能穿透航母的吊艙甲板。戰(zhàn)斗部撞擊吊艙甲板的攻角相對于初始攻角均有所增加，嚴重影響了戰(zhàn)斗部對吊艙甲板的侵徹能力。戰(zhàn)斗部對目標的侵徹破壞模式均屬于延性擴孔和沖塞破壞模式。戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶的過載較大且高過載持續(xù)時間長。當攻角大于10°時，戰(zhàn)斗部在侵徹第1層靶板時，橫向過載比較明顯，導致戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的彎曲變形，這些因素給戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)完整性、裝藥穩(wěn)定性和引信可靠性帶來嚴峻挑戰(zhàn)。該研究可用于指導半穿甲戰(zhàn)斗部設計及其毀傷效應研究。

半穿甲戰(zhàn)斗部；航空母艦；侵徹；毀傷效應

0 引 言

航空母艦以艦載機為主要作戰(zhàn)武器，為海軍飛機的起降提供浮動的海上機場，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起到了海上霸主的作用。因此，作為對立的另一方，如何有效抵制敵方航母的作戰(zhàn)效能對未來戰(zhàn)爭的勝負至關重要。半穿甲戰(zhàn)斗部是目前普遍采用的反艦導彈戰(zhàn)斗部。作為研究航母侵徹毀傷效能的主要手段之一，數(shù)值仿真計算方法已經(jīng)獲得了重要的應用。作者在之前對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹航母單層靶板的數(shù)值建模、模型選取、參數(shù)確定以及侵徹毀傷等問題進行研究[1-3]，本文在這些研究的基礎上，對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶板從而打擊其內(nèi)部機庫里飛機的侵徹過程進行研究。

1 有限元模型的建立

1.1 有限元網(wǎng)絡模型

如圖1所示，以美國“尼米茲”級航母的具體結(jié)構(gòu)為基本依據(jù)[4]，建立了航母雙層靶板的有限元網(wǎng)格模型。模型中，第1層靶板為飛行甲板，第二甲板為吊艙甲板，吊艙甲板下面通常為飛機機庫。2層甲板間距為3 m?？紤]到計算的對稱性，采用1/2模型，其中第1層靶板長2 500 mm，寬1 250 mm，厚50 mm。第2層靶板長2 500 mm，寬1 250 mm，厚14 mm。為了模擬實際的實驗條件，對有限元模型中靶板的相應3個側(cè)面施加了固定邊界條件，靶板的表面和背面為自由邊界面?？紤]到彈丸穿過第1層靶板后的飛行軌跡的變化，根據(jù)彈丸穿過第1層靶板后的計算結(jié)果，調(diào)整第2層靶板的位置，使得彈丸能夠在第二靶板的中間位置著靶，節(jié)省計算資源。

如圖2所示，模型中應用過渡技術改變網(wǎng)格在靶板上的分布，使得靠近彈丸侵徹的區(qū)域網(wǎng)格的密度較大，遠離彈丸侵徹的區(qū)域網(wǎng)格的密度較小。

如圖3所示，彈丸由殼體、裝藥和引信3部分組成，質(zhì)量約16 kg，彈體長370 mm，彈徑105 mm，彈丸頭部為截卵形，截頭直徑20 mm，彈體弧部半徑180 mm。

1.2 材料模型

彈丸材料采用30CrMnSi，靶板材料采用與美航母用材HY-80力學性能相當?shù)膰a(chǎn)921A型鋼。計算中，采用塑性動態(tài)硬化材料模型來描述彈丸及靶板材料的應力應變關系[5,6]。

如圖4所示，塑性動態(tài)硬化材料模型考慮應變率的效應，采用Cowper and Symonds模型，即通過關于應變率的系數(shù)縮放屈服應力：

式中，ε為應變率；εeffp；σ0為靜態(tài)時的屈服應力；Ep為塑性硬化模量；C和p均為材料常數(shù)，表征材料率敏感特征；β為強化模型，0≤β≤1。當β=0時，隨動強化；當β=1時各向同性強化。

參考相關文獻[7-9]，彈丸及靶板的模型參數(shù)取值分別見表1。

表 1 彈丸殼體材料模型參數(shù)Tab. 1 Model parameters of the warhead and the target

彈丸中的炸藥和引信均按彈性材料處理。其中，裝藥密度取1.7 g/cm3，引信密度取3.8 g/cm3。

1.3 有限元模型的驗證

以上有限元模型，作者已在相關研究中進行了驗證[1]。數(shù)據(jù)模擬的計算結(jié)果與相關文獻的實驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了該有限元模型及相關材料模型的正確性，可以用于半穿甲彈戰(zhàn)斗部侵徹毀傷效應的研究。

2 計算結(jié)果及分析

基于以上建立的有限元模型，計算了半穿甲戰(zhàn)斗部分別以 0°，5°，10°，15°，20°和 25°六種不同攻角侵徹航母雙層靶時的三維動態(tài)侵徹過程。戰(zhàn)斗部的初始速度為600 m/s，初始著角為0°。

2.1 侵徹能力

從圖5中可以看出，在6種不同攻角的情況下，戰(zhàn)斗部均能穿透第1層靶板，然而攻角對戰(zhàn)斗部的侵徹能力有顯著影響。當攻角分別為5°，10°，15°，20°和25°時，戰(zhàn)斗部侵徹第1層靶板的剩余速度相對于零攻角的情況分別下降了1.7%，7.4%，17.8%，34.6%和54.5%。當戰(zhàn)斗部侵徹第2層靶板時，由于第1層靶板和第2層靶板間隔3 m，戰(zhàn)斗部以一定的攻角穿透第1層靶板后以及在飛向第2層靶板的過程中，姿態(tài)發(fā)生了明顯變化。除了零攻角之外，戰(zhàn)斗部以其他5種不同攻角侵徹航母雙層靶時，侵徹第2層靶板的攻角相對于侵徹第1層靶板的初始攻角均有所增加，初始攻角分別為 5°，10°，15°，20°和 25°時，戰(zhàn)斗部侵徹第2層靶板的攻角相對于侵徹第1層靶板分別的提高了16%，294%，23%，94%和76%，攻角最大達到了44°。戰(zhàn)斗部侵徹第2層靶板時，當初始攻角為0°，5°，10°和15°，戰(zhàn)斗部能順利穿透，穿透第2層靶的靶后剩余速度分別為383 m/s，371 m/s，234 m/s和254 m/s。相對于穿透第1層靶的靶后余速分別下降了9.2%，10.6%，40.5%和26.8%。第2層靶后余速相對于第1層靶后余速下降的幅度與相應攻角增加的幅度相一致，即攻角增加越大，靶后余速下降越大。詳細的計算數(shù)據(jù)見表2。

表 2 靶后速度及過載計算結(jié)果Tab. 2 The calculated results of residual velocity and acceleration

如圖6所示，當戰(zhàn)斗部以20°和25°的攻角侵徹時，由于侵徹第1層靶板時的速度下降較大，而且侵徹第2層靶板時攻角增加較大，所以未能穿透第2層靶板進入理想的爆炸位置。由此可以看出，攻角對戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶的能力影響較大，在戰(zhàn)斗部的設計中應考慮其侵徹雙層靶時的姿態(tài)穩(wěn)定問題，減小其在侵徹第2層靶板時的攻角。

2.2 破壞模式

平頭的戰(zhàn)斗部頭部形狀設計可以提高戰(zhàn)斗部以一定著角和攻角侵徹目標時的穩(wěn)定性，有助于解決戰(zhàn)斗部著靶時的跳飛問題，但是也增加了戰(zhàn)斗部侵徹目標過程中的阻力。圖7和圖8給出了戰(zhàn)斗部以不同攻角侵徹飛行靶板和吊艙靶板時某個時刻的動態(tài)響應。

從圖7和圖8中可以看出，戰(zhàn)斗部在侵徹第1層靶板的過程中，由于第1層靶板較厚、材料強度高，戰(zhàn)斗部侵徹的初速大，因此戰(zhàn)斗部侵徹過程中的阻力大，戰(zhàn)斗部頭部受到了嚴重的侵蝕作用。此外，在戰(zhàn)斗部頭部的沖擊作用下，靶板由于受到剪切破壞的作用，形成了大小不等的塞塊，戰(zhàn)斗部對目標的侵徹破壞模式均屬于延性擴孔和沖塞破壞模式。戰(zhàn)斗部在侵徹第2層靶板時，雖然靶板雖薄，但是戰(zhàn)斗部經(jīng)過第1層靶板的侵徹后著靶速度降低、攻角明顯增大、而且戰(zhàn)斗部頭部變鈍，所以對第2層靶板的沖塞效應依然明顯。尤其是初始攻角為10°時，由于戰(zhàn)斗部侵徹第2層靶板的攻角很大（達到了39.4°），戰(zhàn)斗部著靶的面積比較大，對靶板形成了大面積撕裂。

2.3 功能穩(wěn)定性

半穿甲戰(zhàn)斗部為侵爆類戰(zhàn)斗部，需要侵徹到目標內(nèi)部一定位置或時機時引爆戰(zhàn)斗部。在侵徹的過程中不能提前起爆。如圖9所示，當戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶時，過載較大，最大達到了87 683 g（攻角為25°）。尤其是戰(zhàn)斗部以攻角侵徹第1層靶板時，高過載的持續(xù)時間比較長，侵徹過程中的高過載及作用時間必將對戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)完整性和裝藥安定性提出嚴峻挑戰(zhàn)。

當攻角大于10°時，戰(zhàn)斗部在侵徹第1層靶板時，戰(zhàn)斗部受到較大的橫向過載的作用，而且橫向過載呈現(xiàn)了正向負向的擺動，導致戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可見的彎曲變形，而且彎曲變形的程度隨著攻角的增大而增大。圖10給出了戰(zhàn)斗部以25°攻角侵徹第1層靶板的動態(tài)響應過程，在該過程中其橫向過載的最大正向過載達到了12 411 g，最大負向過載達到了59 005 g，給戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)完整性、裝藥穩(wěn)定性和引信可靠性帶來嚴峻挑戰(zhàn)。由此可見，戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)彎曲變形主要由戰(zhàn)斗部侵徹過程中的橫向過載產(chǎn)生，與彈體的著靶攻角、靶板的厚度和材料強度，以及戰(zhàn)斗部的著靶速度等因素都有關系。

3 結(jié) 語

采用數(shù)值仿真方法，建立了半穿甲戰(zhàn)斗部對航母雙層靶板侵徹效應的數(shù)值仿真有限元模型，應用LS-DYNA非線性有限元分析軟件計算了戰(zhàn)斗部以6種不同攻角侵徹航母雙層靶的動態(tài)響應過程。計算結(jié)果顯示，

1）攻角對戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶的能力有顯著影響。隨著攻角增加，戰(zhàn)斗部的靶后余速下降，當初始攻角為20°和25°時，戰(zhàn)斗部未能穿透航母的吊艙甲板。

2）除零攻角之外，戰(zhàn)斗部穿透飛行甲板后姿態(tài)均發(fā)生了明顯變化，導致其撞擊吊艙甲板的攻角相對于初始攻角均有所增加，最大達到44°，嚴重影響了戰(zhàn)斗部對吊艙甲板的侵徹能力。

3）戰(zhàn)斗部對目標的侵徹破壞模式均屬于延性擴孔和沖塞破壞模式，侵徹吊艙甲板時，由于戰(zhàn)斗部頭部變鈍、著靶速度降低、攻角明顯增大，所以對第2層靶板的沖塞效應比較明顯。

4）戰(zhàn)斗部侵徹航母雙層靶的過載較大且高過載持續(xù)時間長，最大過載達到了87 683 g（攻角為25°時）。此外，當攻角大于10°時，戰(zhàn)斗部在侵徹第1層靶板時，橫向過載比較明顯且正負過載交替出現(xiàn)，最大正向過載和最大負向過載分別達到了12 411 g和59 005 g（攻角為25°時），導致戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的彎曲變形，而且彎曲變形的程度隨著攻角的增大而增大，這些因素給戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)完整性、裝藥穩(wěn)定性和引信可靠性帶來嚴峻挑戰(zhàn)，需要在戰(zhàn)斗部的設計中加以考慮。

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Numerical simulation research on effct of warhead penetrating double-layer aircraft carrier targets

DONG San-qiang, CAI Xing-hui, WANG Guo-liang, TANG Jue
(Rocket Force University of Engineering, Xi'an 710025, China)

FEM models of semi-armor-piercing warhead penetrating double-layer aircraft carrier target are established by numerical simulation method, based on which the dynamic response processes of the warhead penetrating the target with six different attack angles are calculated. Attack angles have notable influence on penetration capability of the warhead. As initial attack angle is bigger, the residual velocity of the warhead decreases. For the instances of attack angle being 20° and 25°, the warhead failed to penetrate through the target. The attack angles of the warhead penetrating the car deck weaken penetration capability of the warhead to some extend. Ductility reaming damage mode and adiabatic plugging damage mode are exhibited in the penetration process. Durative high accelerations come forth in the penetration process, and when initial attack angle is larger than the value of 10°, the warhead suffered from an alternative lateral overload which leads an obvious structure distortion of the warhead. These factors above could lead to serious risk for the integrity of the projectile structure,the stability of the charge and reliability of the fuze. The research could provide reference for the warhead design and corresponding study on damage effect.

semi-armor-piercing warhead；aircraft carrier；penetration；damage effect

TB332

A

1672-7649(2017)11-0033-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.007

2016-09-21；

2016-10-31

董三強(1969-)，男，副教授，研究方向為彈藥毀傷效應。