馬志剛，苗 潤(rùn)，王偉力，杜茂華，譚 波

(1.海軍軍械裝備局，北京 100841; 2.海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001;3.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院，湖北 武漢 430032)

0 引 言

目前，半穿甲戰(zhàn)斗部是對(duì)艦船目標(biāo)打擊較為有效的方式[1-2]，該類戰(zhàn)斗部對(duì)艦船的打擊主要分為侵徹和內(nèi)爆兩個(gè)部分[3]。針對(duì)彈體對(duì)艦船目標(biāo)的侵徹問題，已開展了較多的研究，段卓平[4-5]等進(jìn)行了半穿甲戰(zhàn)斗部對(duì)多種類型靶板的試驗(yàn)，得出多組有效數(shù)據(jù)；黃雪峰[6]等計(jì)算了半穿甲戰(zhàn)斗部在多種傾角下對(duì)靶板的侵徹?cái)?shù)據(jù)等。

近些年艦船防護(hù)水平得到了明顯的提高，主要表現(xiàn)在以下方面：艦船主體型材多改用高強(qiáng)度鋼，艦船核心艙段的加筋結(jié)構(gòu)較密，部分核心艙段增加了復(fù)合裝甲進(jìn)行特殊防護(hù)等。目前，針對(duì)這些結(jié)構(gòu)的靶板侵徹研究相對(duì)較少，本文建立彈靶侵徹有限元模型，并通過數(shù)值模擬方法與試驗(yàn)對(duì)照驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，之后采用不同形狀彈頭對(duì)帶有加筋結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度復(fù)合結(jié)構(gòu)靶板的侵徹問題進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算方案

本文主要研究?jī)?nèi)容為：1）3種形狀彈頭（卵頭、平頭、尖頭）對(duì)某型艦船鋼板的侵徹分析；2）采用卵形彈頭對(duì)加裝超高分子量聚乙烯的復(fù)合裝甲艙壁進(jìn)行侵徹分析；3）研究加筋結(jié)構(gòu)對(duì)彈體侵徹的影響。

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，初始彈體采用卵形彈頭，設(shè)計(jì)彈體直徑為200 mm，攜帶9.5 kg溫壓炸藥，裝藥密度為1 830 kg/m3，彈頭總重約為22.5 kg，其結(jié)構(gòu)尺寸和有限元模型如圖1所示。

為研究彈頭形狀對(duì)侵徹作用的影響，設(shè)計(jì)彈體模型時(shí)，需保證彈體的總質(zhì)量、殼體材料、殼體質(zhì)量以及彈體直徑均保持一致，彈殼厚度均設(shè)定為1 cm，彈體直徑均為20 cm，殼體均采用高強(qiáng)度鋼30Cr-MnSiNi2A，彈體總質(zhì)量均為22.5 kg。

靶板所用鋼板選用作戰(zhàn)艦艇常用的某型船用鋼，厚度10 mm；復(fù)合材料選用超高分子量聚乙烯材料，以四角鉚接的方式與靶板相連；加強(qiáng)筋材料與靶板材料相同，采用6號(hào)扁鋼，尺寸60 mm×6 mm，采用共節(jié)點(diǎn)方式與靶板相連。靶板模型如圖2所示。

1.2 材料本構(gòu)模型

彈體采用高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A，密度為7.83 g/cm3，楊氏模量為210 GPa，硬化模量為350 MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為1 570 MPa。硬化模量為選用雙線性彈塑性模型（Plastic_Kinematic），材料的失效采用最大等效塑性應(yīng)變失效準(zhǔn)則，失效應(yīng)變?cè)O(shè)為0.7[7]。其靜態(tài)力學(xué)性能如表1所示。

圖1 彈體模型尺寸圖和有限元模型圖（單位：mm）

圖2 靶板模型圖

船體靶板采用某型船用鋼，其靜態(tài)力學(xué)性能如表2所示。采用Plastic-Kinematic模型定義其材料本構(gòu)關(guān)系，采用Mises屈服準(zhǔn)則定義失效，定義失效應(yīng)變?yōu)?.2[8]，采用Cowper-Symonds模型表示其應(yīng)變率效應(yīng)，其中SRC和SRP值分別取4×10-5和12。

超高分子量聚乙烯被稱為第三代特種纖維，具有較長(zhǎng)分子鏈和較高的分子量，該材料具有極佳的韌性、耐磨性和拉伸強(qiáng)度。該材料的本構(gòu)模型選用LS-DYNA中22號(hào)模型（MAT-COMPOSITE-DAMAGE）正交各向異性的彈性模型，使用Chang-Chang失效準(zhǔn)則[9-10]。其具體參數(shù)如表3所示。

表1 材料30CrMnSiNi2A鋼的靜態(tài)力學(xué)性能

表2 某型船用鋼的靜態(tài)力學(xué)性能

表3 超高分子量聚乙烯的性能參數(shù)

1.3 模型有效性驗(yàn)證

卵頭彈侵徹模型有效性驗(yàn)證參考侯海量[11-13]等關(guān)于卵頭彈沖擊薄板試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該試驗(yàn)中彈頭直徑為14.9 mm，彈頭長(zhǎng)為21.4 mm，其計(jì)算了彈頭以200～400 m/s速度穿擊 1～3 mm厚 Q235鋼靶的剩余速度，其中當(dāng)靶板厚度為1.36 mm，著靶速度為277 m/s時(shí)，穿靶剩余速度為245.7 m/s。本文建立與侯海量[11-13]同工況數(shù)值模擬，穿靶階段分解如圖3所示，和上述實(shí)驗(yàn)中的不同時(shí)刻侵徹狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，說明穿靶經(jīng)過的“隆起變形、碟形變形、貫穿破壞”的過程一致，一定程度上證明了模擬的準(zhǔn)確性。不同時(shí)刻彈靶Von-Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。

在真實(shí)試驗(yàn)中，穿靶剩余速度可定義成彈體完全穿透靶板后的剩余速度，體現(xiàn)在速度時(shí)間曲線上即為靶板阻礙彈體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致速度下降，在某一點(diǎn)下降停止時(shí)的速度，獲取方法多采用紅外測(cè)速結(jié)合高速攝影的方法。數(shù)值模擬計(jì)算中，穿靶剩余速度為速度時(shí)間曲線中，彈體速度停止降低點(diǎn)的速度值，可直接通過后處理軟件獲取。試驗(yàn)中剩余速度為245.7 m/s，數(shù)值模擬中剩余速度為246.5 m/s，相對(duì)誤差為0.3%，結(jié)果較為準(zhǔn)確。

穿靶剩余速度與侵徹時(shí)間關(guān)系，主要和彈體初速度、彈頭形狀以及材料的屬性有關(guān)，侵徹所用時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)彈體的阻礙作用越明顯，導(dǎo)致速度下降越大，從而使得穿靶剩余速度較小。

圖3 卵形彈頭侵徹鋼靶階段

2 不同形狀彈頭對(duì)侵徹效應(yīng)的影響分析

半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹艦船艙壁可以歸類為尖頭彈對(duì)有限靶的侵徹問題，可采用德瑪爾公式對(duì)侵徹極限速度進(jìn)行預(yù)估；但該公式并未對(duì)彈體形狀進(jìn)行系數(shù)修正，默認(rèn)采用鈍頭彈計(jì)算。而由于尖頭彈相比鈍頭彈體在侵徹過程中受力面積小，應(yīng)力較為集中，對(duì)于靶板材料的破壞效應(yīng)更加明顯，因此需對(duì)不同形狀彈頭進(jìn)行工程化的彈頭形狀參數(shù)修正，這里主要計(jì)算卵頭彈和尖頭彈。

根據(jù)德馬爾公式經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，鎳鋼板K值常用1 900，將該參數(shù)代入德瑪爾公式中，得到極限侵徹速度為134.71 m/s，可圍繞該速度上下浮動(dòng)，進(jìn)行鋼靶侵徹?cái)?shù)值模擬計(jì)算，求解實(shí)際極限侵徹速度。

3種形狀的彈頭對(duì)于靶板的破壞形式上具有較為明顯的區(qū)別，如圖5所示；3種彈頭以180 m/s著靶速度對(duì)靶板侵徹的剩余速度-時(shí)間曲線見圖6。

圖4 卵形彈頭侵徹鋼靶Von-Mises應(yīng)力云圖（單位：105MPa）

圖5 3種形狀彈頭靶板破壞等效應(yīng)變?cè)茍D

圖6 3種形狀彈頭180 m/s侵徹靶板剩余速度-時(shí)間曲線

相同質(zhì)量彈體以相同著靶速度侵徹相同厚度靶板時(shí)，尖頭彈的極限穿靶速度最小，彈體著靶后不久在彈頭尖端處發(fā)生斷裂，隨彈體不斷侵入呈大花瓣?duì)钕蛲夥?，靶體無沖塞產(chǎn)生；卵頭彈的極限穿靶速度大于尖頭彈，彈體接觸靶板后，首先使靶板產(chǎn)生隆起，隆起部分貼合彈體共同運(yùn)動(dòng)，隨隆起區(qū)域撓度增大，外緣部分達(dá)到拉伸強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂，出現(xiàn)帽狀薄塞塊，靶板斷裂處呈不規(guī)則撕裂狀，隨彈體侵入呈小花瓣?duì)钔夥?；平頭彈的極限穿靶速度最大，彈頭著靶后，靶板隨彈體運(yùn)動(dòng)發(fā)生較大隆起變形，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后在平頭彈邊緣處靶板發(fā)生剪切斷裂，形成與彈頭形狀相同的薄塞塊一同運(yùn)動(dòng)。

計(jì)算不同著靶速度下各種形狀彈頭侵徹薄鋼靶的速度可得尖頭彈、卵頭彈、平頭彈的極限侵徹速度分別為 108 ，138 ，166 m/s，當(dāng)K取 1900 時(shí)，卵頭彈的極限侵徹速度與公式計(jì)算值最為接近，尖頭彈的穿靶極限速度為卵頭彈的0.78倍，平頭彈的穿靶極限速度為卵頭彈的1.2倍。

3 彈體對(duì)復(fù)合板侵徹的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

卵頭彈體以250 m/s速度侵徹鋼+超高分子量聚乙烯組合靶，當(dāng)彈體與纖維材料層發(fā)生接觸后，纖維材料層出現(xiàn)“圓形”的變形區(qū)域，中心部位率先出現(xiàn)材料斷裂；而后纖維材料各向異性的特性開始表現(xiàn)出來，侵徹動(dòng)能隨彈體侵徹復(fù)合板轉(zhuǎn)化為纖維材料的塑性功，由于橫向彈性模量顯著大于縱向，在塑性功積累到一定程度后，材料沿縱向快速“崩裂”，縱向裂紋傳播速度明顯大于其他方向，出現(xiàn)了材料向著橫向大面積開裂的現(xiàn)象，凱夫拉層在不同時(shí)刻的等效應(yīng)變?cè)茍D如圖7所示。

計(jì)算彈體不同速度侵徹該層合板的剩余速度情況，其隨時(shí)間變化曲線如圖8所示

圖7 彈頭250 m/s侵徹組合靶不同時(shí)刻等效應(yīng)變?cè)茍D

圖8 不同著靶速度下的彈體剩余速度時(shí)間曲線

由圖可知，當(dāng)初始著靶速度大于180 m/s時(shí)，彈體可穿透復(fù)合板，彈體剩余速度在220～240 m/s時(shí)出現(xiàn)了明顯的上升，這說明了超高分子量聚乙烯的應(yīng)變率敏感性，當(dāng)打擊速度較低時(shí)，材料顯現(xiàn)出明顯的粘彈性，對(duì)彈體侵徹的影響較大，但當(dāng)侵徹速度較大時(shí)，應(yīng)變率敏感性體現(xiàn)，材料呈現(xiàn)類似金屬的彈塑性[7]，對(duì)彈體的阻礙較小。根據(jù)彈體侵徹靶板向前面板傳遞動(dòng)能的計(jì)算公式[8]為

其中v0為著靶速度，vr為穿靶后剩余速度，是入射偏角，k為系數(shù)，這里取0.8，d為彈體直徑，b為板厚，為板密度。

彈體的初始動(dòng)能為703.1 kJ，穿透鋼+超高分子量聚乙烯纖維層合板時(shí)的剩余動(dòng)能為520.1 kJ，損耗能量占總動(dòng)能的26%，說明復(fù)合材料層對(duì)高速侵徹彈體的侵徹防護(hù)作用較為有限。

4 艦船實(shí)際加筋結(jié)構(gòu)對(duì)侵徹過程的影響

目標(biāo)小型作戰(zhàn)艦艇的艙壁以及加強(qiáng)筋的型號(hào)較為固定，艙壁多采用6～8 mm船用鋼板，T型鋼主要尺寸型號(hào)包括⊥6×280/8×120、⊥4×120/6×60 等，球扁鋼一般采用6#、8#，較為單一，根據(jù)前期調(diào)研，參考船所用加強(qiáng)筋可近似為6號(hào)扁鋼，尺寸60 mm×6 mm，縱橫均間隔50 cm。

模擬彈體著靶速度為260 m/s時(shí)，著靶點(diǎn)處無加強(qiáng)筋、單一加筋結(jié)構(gòu)和交叉加筋結(jié)構(gòu)3種情況，靶板的Von-Mises應(yīng)變?cè)茍D如圖9所示。

分別計(jì)算3種情況的剩余速度時(shí)間曲線，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，著靶點(diǎn)加筋情況的差異影響了彈體的侵徹效果，彈體在命中單一加強(qiáng)筋時(shí)，極限速度從侵徹?zé)o加強(qiáng)筋的極限速度227 m/s下降到了224 m/s，下降約1.3%，當(dāng)命中交叉加強(qiáng)筋時(shí)，下降至216.5 m/s，下降約4.8%，說明加筋結(jié)構(gòu)可以對(duì)彈體侵徹造成一定影響，但從數(shù)值上看影響相對(duì)較小。

圖9 不同加筋情況彈體侵徹后的等效應(yīng)變?cè)茍D

圖10 不同加筋結(jié)構(gòu)下的彈體剩余速度時(shí)間曲線

5 結(jié)束語

本文針對(duì)半穿甲戰(zhàn)斗部對(duì)帶有復(fù)合防護(hù)裝甲艦船靶板的侵徹效應(yīng)進(jìn)行研究，分別從彈頭形狀對(duì)侵徹效果差異分析、超高分子量聚乙烯復(fù)合層對(duì)彈體侵徹的影響以及加筋結(jié)構(gòu)的彈體侵徹的影響進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

1）德瑪爾公式可用于大質(zhì)量彈體對(duì)艦船薄鋼靶侵徹的計(jì)算，當(dāng)彈頭形狀為卵形時(shí)，計(jì)算結(jié)構(gòu)與經(jīng)驗(yàn)值最為接近，尖頭彈的穿靶極限速度為卵頭彈的0.78倍，平頭彈的穿靶極限速度為卵頭彈的1.2倍。

2）超高分子量聚乙烯層對(duì)低速彈丸阻礙效果明顯，當(dāng)彈體著靶速度達(dá)到一定值時(shí)，侵徹后的剩余速度出現(xiàn)階梯狀上升，此時(shí)復(fù)合材料層對(duì)彈體侵徹影響作用較小。

3）著靶點(diǎn)處有加筋結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)降低大質(zhì)量彈體侵徹艦船薄鋼靶的剩余速度，但影響有限。