趙海龍， 王 華

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100191)

旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹多層間隔靶的終點彈道的數(shù)值模擬*

趙海龍， 王 華

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院， 北京 100191)

針對旋轉(zhuǎn)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹彈道性能問題， 利用非線性顯式動力學(xué)有限元軟件LS-DYNA對旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹多層帶加強筋結(jié)構(gòu)靶的過程進行了模擬仿真， 分析了旋轉(zhuǎn)速度、 著靶速度等因素對旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹過程的過靶剩余速度和彈道偏移角等侵徹彈道性能的影響. 研究結(jié)果表明： 與無旋戰(zhàn)斗部相比， 侵徹多層硬目標時， 旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有較好的侵徹彈道穩(wěn)定性； 旋轉(zhuǎn)速度的大小和旋轉(zhuǎn)方向影響侵徹彈道性能， 在一定的范圍內(nèi)彈道穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)； 仿真結(jié)果表明著靶速度和轉(zhuǎn)速之間存在某種合理的匹配關(guān)系， 需進一步探尋兩者之間的關(guān)系進而達到最佳侵徹效果.

侵徹； 旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部； 彈道性能； 加筋靶

0 引 言

多層金屬靶是對現(xiàn)代軍事裝備典型目標的一種抽象. 對多層金屬目標的侵徹問題研究備受世界各國關(guān)注. 國內(nèi)外研究人員對高速無旋侵徹戰(zhàn)斗部侵徹多層鋼靶板進行了大量的研究， 研究表明侵徹兩層以上靶板后彈體的彈道偏移量很大， 幾乎都會發(fā)生跳彈現(xiàn)象[1]； 也有對旋轉(zhuǎn)彈頭侵徹單層靶板的相關(guān)研究[2-5]， 如李曉杰等研究了不同彈頭轉(zhuǎn)速和速度對金屬薄板侵徹過程中彈頭最終速度、 翻轉(zhuǎn)角度和彈道偏移的影響[2]. 但是， 鮮有對旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹多層帶加強筋鋼靶侵徹彈道規(guī)律的研究. 本文對侵徹戰(zhàn)斗部以不同轉(zhuǎn)速和著靶速度侵徹多層帶加強筋鋼靶目標的彈道性能展開研究， 以揭示旋轉(zhuǎn)侵徹戰(zhàn)斗部侵徹多層帶加強筋鋼靶目標的終點彈道規(guī)律， 為新型戰(zhàn)斗部設(shè)計提供理論支撐.

由于進行全尺寸試驗的成本很高， 模擬仿真試驗方法目前成為研究侵徹問題最有效和簡潔的手段. 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展， 尤其是現(xiàn)有的大型有限元顯式動力學(xué)分析軟件LS-DYNA對非線性結(jié)構(gòu)撞擊問題的求解與實際結(jié)果吻合的很好[6]， 求解結(jié)果被工程應(yīng)用領(lǐng)域的專家和學(xué)者普遍認可， 因此， 本文利用非線性顯式動力學(xué)軟件對侵徹戰(zhàn)斗部以不同轉(zhuǎn)速和著靶速度侵徹多層帶加強筋鋼靶的彈道性能進行研究.

1 有限元模型的建立及材料參數(shù)的選取

1.1 有限元模型的建立

本研究將施加一定旋轉(zhuǎn)速度的侵徹戰(zhàn)斗部與無旋的高速侵徹戰(zhàn)斗部分別侵徹多層靶體， 并對其彈道性能進行對比研究.

本文選取的戰(zhàn)斗部頭部為尖卵形， 彈形系數(shù)CRH為4， 長徑比為7(一般為5～10)， 彈體直徑為280 mm， 其它結(jié)構(gòu)參數(shù)按照文獻[7]設(shè)計. 建立5層相同間隔鋼靶目標， 每層鋼靶后部均帶有加強筋結(jié)構(gòu)， 每層靶體相隔3 000 mm， 為消除靶板邊界效應(yīng)的影響， 取靶板邊長大于10倍彈徑， 靶板正面尺寸為2 820 mm×2 820 mm， 根據(jù)艦艇結(jié)構(gòu)將5層靶板厚度分別設(shè)為60， 20， 40， 20和20 mm； 橫向加強筋為T型材， 橫筋面板寬60 mm， 厚10 mm， 高50 mm； 縱向加強筋為板狀結(jié)構(gòu)， 厚10 mm， 高30 mm； 縱筋間距為 250 mm， 橫筋間距為700 mm. 在建立模型過程中， 為了方便建模和定義參數(shù)， 讓靶板傾斜， 彈體垂直， 并且使彈體軸線在Z軸上.

考慮到一般情況下使用映射網(wǎng)格比自由網(wǎng)格得到的計算結(jié)果更精確， 因此本文對幾何模型進行映射網(wǎng)格劃分. 彈體及裝藥網(wǎng)格劃分情況如圖 1 所示.

圖 1 旋轉(zhuǎn)侵徹戰(zhàn)斗部有限元模型Fig.1 Finite element model of rotary penetration warhead

帶加強筋結(jié)構(gòu)的靶板網(wǎng)格劃分情況如圖 2 所示， 為了節(jié)省計算時間， 采用變單元網(wǎng)格， 在彈靶接觸的地方網(wǎng)格劃分密集， 靠近靶板邊界的地方劃分稀疏.

圖 2 帶加強筋靶板有限元模型Fig.2 Finite element model of stiffened targets

圖 3 為彈靶作用過程的初始狀態(tài).

圖 3 彈靶作用示意圖Fig.3 Mechanism sketch map of penetrating process

1.2 材料的本構(gòu)模型及算法

靶板材料選用艦船常用的921A鋼[8]， 戰(zhàn)斗部材料選用30CrMnSiNi2A鋼[9]， 戰(zhàn)斗部和靶板均采用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程來表征其力學(xué)性能， 該材料模型能很好地表征金屬在大變形、 高應(yīng)變率和溫度熱軟化效應(yīng)下的力學(xué)行為. 不考慮裝藥爆炸情況， 故裝藥屬于配重， 可將其看作彈性體， 材料模型選用線彈性模型， 其密度為1.8 g/cm3， 彈性模量為6 GPa， 泊松比為0.3. 材料的失效模型均采用最大塑性應(yīng)變失效. 靶板和彈體本構(gòu)模型的主要材料參數(shù)見表 1.

有限元模型采用cm-g-μs單位制， 所有單元為8節(jié)點六面體單元， 計算網(wǎng)格使用Lagrange算法， 靶板邊界定義為無反射邊界條件[10]， 不考慮彈體運動過程的空氣阻力.

表 1 彈體和靶板主要材料參數(shù)

2 理論分析

圖 4 戰(zhàn)斗部侵徹過程受力示意圖Fig.4 Schematic diagram of force in penetration process

當彈體的旋轉(zhuǎn)方向為右旋(從彈體侵徹速度方向看， 角速度方向沿速度方向為右旋)時， 侵徹過程會使彈軸向右(從彈體侵徹速度方向上看)偏離， 產(chǎn)生向右的橫向力， 使彈體向正侵徹的方向偏離； 同理彈體的旋轉(zhuǎn)方向為左旋時， 侵徹過程與右旋正好相反， 即左旋彈體會導(dǎo)致彈體背離正侵徹方向.

3 數(shù)值模擬

戰(zhàn)斗部對多層靶體的侵徹彈道性能可用其侵徹過程中的速度、 彈道偏移角(戰(zhàn)斗部軸線與靶體法線之間的夾角)以及戰(zhàn)斗部在X軸(或Y軸)方向上的加速度來表征， 本文主要從這幾個方面對其進行研究分析[11-12].

定義α0為戰(zhàn)斗部初始侵徹角， 當偏移角大于α0時說明彈體背離正侵徹方向使侵徹角增大， 偏移角小于α0時說明彈體向正侵徹方向靠攏.

本文取攻角為0°、 初始侵徹角α0為20°， 仿真了不同旋轉(zhuǎn)速度、 方向(轉(zhuǎn)速方向是以侵徹速度方向為基準， 即向侵徹速度方向看去， 角速度方向沿速度方向為右旋)及不同著靶速度對多層加筋板的侵徹過程. 旋轉(zhuǎn)速度分別選取0， 2 500， 5 000， 7 500， 10 000， 12 500和15 000 r/min， 著靶速度分別取700和1 000 m/s.

3.1 著靶速度為700 m/s時不同轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果

3.1.1 戰(zhàn)斗部旋轉(zhuǎn)速度方向為左旋

本節(jié)仿真了在著靶速度為700 m/s時， 不同轉(zhuǎn)速(0, 2 500, 5 000, 7 500, 10 000, 12 500和15 000 r/min)對戰(zhàn)斗部侵徹彈道性能的影響.

圖 5～圖 7 分別是侵徹過程中戰(zhàn)斗部Z方向的速度、 戰(zhàn)斗部在X軸方向上的加速度和彈道偏移角變化曲線.

圖 5 戰(zhàn)斗部侵徹速度曲線圖Fig.5 Penetrating velocity curves of warhead

圖 6 X軸加速度隨時間變化曲線圖Fig.6 Acceleration curves of X-axis

圖 7 彈道偏移角隨時間變化曲線圖Fig.7 Ballistic deviation angle change with time curve

從圖 5 可以看出， 侵徹前兩層靶板時旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部和無旋戰(zhàn)斗部的速度降幾乎相同， 但是隨著侵徹的進行， 速度降的差異越來越明顯， 說明旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部施加轉(zhuǎn)速后會造成一定的能量損耗， 符合能量守恒定律； 侵徹每一層靶板前期速度降低比較緩慢， 這是由于開始時彈頭部沒有完全進入靶板內(nèi)部， 彈靶接觸面積小， 侵徹阻力也小， 隨著侵徹不斷進行， 彈靶接觸面積逐漸增加， 侵徹阻力也在增加， 導(dǎo)致戰(zhàn)斗部速度降低加快.

圖 6 為戰(zhàn)斗部侵徹過程中所受側(cè)向加速度曲線， 側(cè)向力會造成戰(zhàn)斗部擺動， 使其受到翻轉(zhuǎn)力矩， 導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)角發(fā)生變化.

圖 7 為戰(zhàn)斗部侵徹靶板過程中的彈道偏移角變化情況， 隨著侵徹過程的進行， 對于左旋戰(zhàn)斗部， 其侵徹每層靶板時， 由于彈體的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致彈軸向左偏離， 致使旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹角加大， 背離正侵徹方向； 對于無旋戰(zhàn)斗部， 由于沒有陀螺力矩產(chǎn)生， 此時戰(zhàn)斗部受到側(cè)向力而產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩， 導(dǎo)致戰(zhàn)斗部發(fā)生偏轉(zhuǎn).

3.1.2 戰(zhàn)斗部旋轉(zhuǎn)速度方向為右旋

為了研究旋轉(zhuǎn)方向?qū)η謴貜椀婪€(wěn)定性能的影響， 本節(jié)仿真了著靶速度為700 m/s時， 不同轉(zhuǎn)速大小對旋轉(zhuǎn)速度方向為右旋的侵徹彈道性能影響.

圖 8～圖 10 分別為侵徹過程中戰(zhàn)斗部Z方向的速度、 戰(zhàn)斗部在X軸方向上的加速度和彈道偏移角變化曲線.

圖 8 戰(zhàn)斗部侵徹速度曲線圖Fig.8 Penetrating velocity curves of warhead

圖 9 X軸加速度隨時間變化曲線圖Fig.9 Acceleration curves of X-axis

通過與左旋情況進行對比及理論分析可知， 戰(zhàn)斗部右旋能保持良好的彈道穩(wěn)定性. 當旋轉(zhuǎn)速度為5 000 r/min時， 彈道偏移角最小， 相應(yīng)的剩余速度最小. 這說明旋轉(zhuǎn)方向和速度對戰(zhàn)斗部的彈道穩(wěn)定性有影響， 并且旋轉(zhuǎn)速度在一定的范圍內(nèi)有利于戰(zhàn)斗部侵徹的彈道穩(wěn)定.

圖 10 彈道偏移角隨時間變化曲線圖Fig.10 Ballistic deviation angle change with time curve

3.2 著靶速度為1 000 m/s時不同轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果

3.2.1 戰(zhàn)斗部旋轉(zhuǎn)速度方向為左旋

本節(jié)仿真了在著靶速度為1 000 m/s時， 不同轉(zhuǎn)速(0， 2 500， 5 000， 7 500， 10 000， 12 500和15 000 r/min)對戰(zhàn)斗部侵徹彈道性能的影響.

圖 11～圖 13 分別是侵徹過程中戰(zhàn)斗部Z方向的速度、 戰(zhàn)斗部在X軸方向上的加速度和彈道偏移角變化曲線.

圖 11 戰(zhàn)斗部侵徹速度曲線圖Fig.11 Penetrating velocity curves of warhead

圖 12 X軸加速度隨時間變化曲線圖Fig.12 Acceleration curves of X-axis

從圖11速度曲線圖可以看出， 戰(zhàn)斗部侵徹前三層靶板后的剩余速度幾乎相同， 但是在侵徹最后兩層靶板后的剩余速度出現(xiàn)了差異， 說明旋轉(zhuǎn)速度影響了戰(zhàn)斗部的過靶剩余速度.

由圖13可知， 戰(zhàn)斗部旋轉(zhuǎn)方向為左旋時， 旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部的侵徹彈道穩(wěn)定性不如無旋戰(zhàn)斗部的穩(wěn)定性好， 主要原因與速度為700 m/s時的分析相似.

圖 13 彈道偏移角隨時間變化曲線圖Fig.13 Ballistic deviation angle change with time curve

3.2.2 戰(zhàn)斗部旋轉(zhuǎn)速度方向為右旋

為了研究旋轉(zhuǎn)方向?qū)η謴貜椀婪€(wěn)定性能的影響， 本節(jié)仿真了著靶速度為1 000 m/s時， 不同轉(zhuǎn)速大小對旋轉(zhuǎn)速度方向為右旋的侵徹彈道性能影響.

圖 14～圖 16 為右旋戰(zhàn)斗部侵徹彈道性能參數(shù)變化曲線圖. 通過與左旋戰(zhàn)斗部的侵徹彈道性能參數(shù)進行對比可知， 旋轉(zhuǎn)方向?qū)η謴貜椀佬阅苡杏绊懀?與速度為700 m/s時的規(guī)律相似.

圖 14 戰(zhàn)斗部侵徹速度曲線圖Fig.14 Penetrating velocity curves of warhead

結(jié)合圖10和圖16可知， 在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部對侵徹彈道穩(wěn)定性有利， 即在轉(zhuǎn)速和侵徹速度之間存在一定的關(guān)系， 而不是單純的旋轉(zhuǎn)速度影響著侵徹彈道穩(wěn)定性， 速度和轉(zhuǎn)速兩者之間存在一定的匹配關(guān)系； 對于圖中侵徹角出現(xiàn)峰值和峰谷的現(xiàn)象， 主要是由于戰(zhàn)斗部侵徹過程受力不對稱導(dǎo)致的. 由于侵徹速度較大， 可能會削弱旋轉(zhuǎn)速度對侵徹彈道穩(wěn)定性的影響， 故兩種工況下偏移角的趨勢有所不同， 具體原因需要進行更深入的理論分析和實驗研究.

圖 15 X軸加速度隨時間變化曲線圖Fig.15 Acceleration curves of X-axis

圖 16 彈道偏移角隨時間變化曲線圖Fig.16 Ballistic deviation angle change with time curve

通過以上4種不同工況的仿真結(jié)果對比可知， 旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部和無旋戰(zhàn)斗部的侵徹彈道穩(wěn)定性有一定的差異， 速度和轉(zhuǎn)速需要一個合理的匹配關(guān)系， 這樣才能使侵徹效果達到最佳， 但是需要進一步對兩者的關(guān)系進行研究， 合理確定兩者之間的匹配關(guān)系. 此外戰(zhàn)斗部的旋轉(zhuǎn)方向也影響侵徹彈道穩(wěn)定性.

4 結(jié) 論

本文利用數(shù)值仿真方法研究了無旋戰(zhàn)斗部和旋轉(zhuǎn)戰(zhàn)斗部侵徹彈道的穩(wěn)定性， 仿真結(jié)果表明在一定的侵徹速度和旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)， 賦予侵徹戰(zhàn)斗部一定的旋轉(zhuǎn)速度對侵徹過程中的彈道穩(wěn)定性有利， 其侵徹復(fù)雜結(jié)構(gòu)目標時不易發(fā)生跳飛現(xiàn)象， 該結(jié)論為進一步試驗驗證和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考價值， 對研究新型侵徹戰(zhàn)斗部具有一定的指導(dǎo)作用. 仿真結(jié)果也顯示速度和轉(zhuǎn)速之間存在某種合理的匹配關(guān)系， 需要對兩者之間的關(guān)系進一步研究探索， 從而達到最佳的侵徹效果和彈道穩(wěn)定性.

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NumericalSimulationofTerminalBallisticofRotatingWarheadPenetratingintoMulti-LayerSpacedTarget

ZHAO Hai-long， WANG Hua

(School of Astronautics， Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijng 100191, China)

Aimed to the ballistic performance problems of rotary penetration warhead, simulated the process of rotating missile warhead penetration into multilayer structure target with the stiffened targets by the means of the nonlinear explicit dynamic finite element software LS-DYNA. The influences of the different rotating speed and the impact speed on the performance of penetration ballistic were analyzed. The results show that compared with the warhead without the rotating speed, the rotating warheads have the advantage of the stability of penetration ballistic within a certain rotating speed range. The range of the rotation speed and the direction of rotation of the warhead affect the performance of penetration ballistic. Ballistic stability and rotation speed are positively correlated in a certain range. The simulation results show that there is a reasonable matching relationship between the target speed and rotational speed to achieve the best effect of penetration.

penetration; rotating warhead; ballistic performance; stiffened target

1673-3193(2017)03-0295-07

2016-11-15

趙海龍(1989-)， 男， 碩士生， 主要從事反艦戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)技術(shù)， 深侵徹戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究.

O385； TJ414

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.03.009