孟德榮,賈振鐸，趙 錚

(1.海裝裝備審價中心， 北京 100071； 2.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094)

半穿甲彈包括穿甲爆破彈和穿甲燃燒彈，其中穿爆彈被廣泛應(yīng)用于軍事打擊中，典型的半穿甲彈戰(zhàn)斗部有美國的“捕鯨叉”、法國的“飛魚”、德國的“鸕鶿”以及挪威的“企鵝”等。穿爆彈依靠自身動能侵徹到目標(biāo)中后由彈底引信起爆裝藥，通過爆炸產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物和殼體破片以及壓縮周圍氣體介質(zhì)產(chǎn)生的沖擊波對目標(biāo)進行毀傷。半穿甲彈經(jīng)常被用來打擊機場跑道、水面艦艇、導(dǎo)彈發(fā)射井防護結(jié)構(gòu)等。復(fù)合防護結(jié)構(gòu)是一種可以抵抗殺傷性武器破壞的工程結(jié)構(gòu)，常被應(yīng)用于地下工事出入口的防護門和導(dǎo)彈發(fā)射井井蓋等。以前的純鋼防護結(jié)構(gòu)雖然也可以抵擋高殺傷能力彈體的侵徹，但由于其過于笨重不便運輸，為了使防護結(jié)構(gòu)的防護能力與輕便的運輸及維護達到平衡，故而出現(xiàn)了使用鋁合金、鋼、纖維、陶瓷等材料進行復(fù)合的復(fù)合防護結(jié)構(gòu)。

復(fù)合防護結(jié)構(gòu)以其輕質(zhì)高效的特性吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者的目光。Song.W等[1]對單層靶及多層靶進行了侵徹分析的數(shù)值模擬，得到了靶板的變形與破壞結(jié)果。Shokrieh.M.M等[2]使用LS-DYNA對彈丸斜侵徹陶瓷纖維復(fù)合裝甲進行了數(shù)值模擬，得到了復(fù)合裝甲的彈道極限速度。Ali.M.W等[3]對穿甲彈侵徹復(fù)合裝甲進行了試驗和仿真分析，研究了復(fù)合裝甲的失效現(xiàn)象，通過仿真預(yù)測彈孔的形成以及穿透現(xiàn)象。Seifert.W等[4]對穿甲彈侵徹有間隙的陶瓷靶板進行了試驗研究，隨著間隙寬度的增加及粘合劑剛度的降低，裝甲的防彈性能降低。朱建方等[5]對半穿甲彈不同入射角侵徹不同厚度及加筋靶板進行了研究，得到了侵徹規(guī)律與撞擊速度的關(guān)系，同時運用ALE算法和流固耦合方式對艦艇艙室內(nèi)爆流場及毀傷效應(yīng)進行了動態(tài)描述。杜宏寶等[6]進行了侵爆子彈侵徹混凝土介質(zhì)及對混凝土介質(zhì)爆破效應(yīng)的數(shù)值模擬研究。陳勇軍等[7]運用ANSYS/LS-DYNA對穿爆彈以不同著角不同著速侵徹不同厚度均質(zhì)鋼靶板進行了仿真，表明改變彈體頭部形狀和尺寸可以提升半穿甲彈的穿甲性能。馮春等[8]基于一虛擬工況，分析了鉆地彈侵徹及爆炸的雙重效應(yīng)對周邊巖體及地下構(gòu)筑物的影響規(guī)律。于藍[9]使用數(shù)值模擬的方法對穿甲侵徹、沖擊波和自然破片的3種陶瓷復(fù)合裝甲后效毀傷進行了研究。齊文龍[10]在模擬半穿甲彈戰(zhàn)斗部侵徹過程中，對半穿甲彈建立了不同的頭部結(jié)構(gòu)模型，對比頭部結(jié)構(gòu)對穿甲效果的影響，結(jié)果表明尖頂型頭部有更好的侵徹效果。候曠怡等[11]對半穿甲彈著靶時不同攻角和著角對穿甲過程的影響進行了研究，結(jié)果證明著角、攻角都會對穿甲過程產(chǎn)生影響，攻角影響更大。苗潤等[12]對半穿甲彈侵徹復(fù)合防護結(jié)構(gòu)加筋靶板進行了數(shù)值計算，得到了彈體穿靶剩余速度和穿靶能量消耗等數(shù)據(jù)。何煌等[13]對7.62 mm穿甲子彈侵徹陶瓷復(fù)合靶進行了仿真模擬，在給定靶板面密度后，陶瓷/鋁合金靶板的最佳厚度比為1～2；陶瓷/鋼靶板的最佳厚度比為3～4.5。過超強等[14]用數(shù)值分析的方法分別對金屬、陶瓷、纖維增強復(fù)合材料組成的層合板和由陶瓷球填充的金屬四邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的抗侵徹性能進行了模擬計算。研究結(jié)果表明：在相同面密度條件下，層合復(fù)合靶板中具有最強抗彈性能的陶瓷層與纖維層的最佳比是2.22。

本文使用多物質(zhì)ALE算法對半穿甲彈侵爆鋼/陶瓷/纖維/鋼四層復(fù)合防護結(jié)構(gòu)的過程進行了仿真分析，并加入空氣域用以得到靶后沖擊波壓力。選取美國的AN-M43半穿甲彈(圖1)作為研究對象，省去彈體的風(fēng)帽及尾翼結(jié)構(gòu)，僅保留戰(zhàn)斗部，將彈形進行簡化，通過對侵徹爆炸綜合過程的模擬，得到了鋼/陶瓷/纖維/鋼四層不同厚度配比的復(fù)合防護機構(gòu)的侵爆毀傷結(jié)果，以及爆炸沖擊波經(jīng)由防護結(jié)構(gòu)傳遞到下方一定距離后，峰值壓力對防護結(jié)構(gòu)中設(shè)備安全的影響。

圖1 美軍AN-M43半穿甲彈示意圖

1 模型及材料參數(shù)

半穿甲彈侵爆鋼/陶瓷/纖維/鋼復(fù)合防護結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示，侵爆過程仿真模型由半穿甲彈殼體、炸藥、空氣域、靶板組成。半穿甲彈彈長1.48 m，彈徑0.273 m，彈重500 lb，裝藥量60 kg；靶板防護結(jié)構(gòu)限定總重量30t，半徑1.5 m，從面板到背板依次為鋼、陶瓷、纖維、鋼，選取各層厚度配比為1∶4∶1∶1、1∶4∶2∶1、1∶4∶3∶1、1∶4∶4∶1的4種復(fù)合結(jié)構(gòu)作為靶板，四種復(fù)合防護結(jié)構(gòu)各層厚度如表1所示。侵爆過程的模型可以簡化為平面對稱模型，建立1/2模型，在對稱面施加對稱約束，靶板的周向設(shè)置為全約束，空氣域邊界采用透射邊界，半穿甲彈殼體與靶板之間的接觸定義為侵蝕接觸，炸藥和殼體、靶板之間接觸由流固耦合關(guān)鍵字來控制。

圖2 侵爆過程有限元模型示意圖

表1 4種復(fù)合防護結(jié)構(gòu)各層厚度

仿真材料模型包括6種：彈體、炸藥、空氣、鋼、陶瓷、纖維。根據(jù)在大應(yīng)變及高應(yīng)變率下的動力學(xué)研究對比得出，半穿甲彈彈體材料選用4340鋼較為合理[10]，靶板鋼選用603裝甲鋼，均使用Johnson-Cook模型進行描述，靶板材料的失效由最大失效塑性應(yīng)變來決定是否刪除失效單元。4340鋼和603裝甲鋼的材料參數(shù)如表2。其中：A為屈服應(yīng)力常數(shù)；B為應(yīng)變硬化常數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；c為應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)；m為溫度相關(guān)指數(shù)。

黑索金(RDX)材料參數(shù)如表3。其中:D為爆速;PCJ為爆壓;A、B、R1、R2為JWL狀態(tài)方程中的擬合參數(shù)。

陶瓷選取陶瓷，材料模型采用JH-2陶瓷損傷模型，材料參數(shù)如表4。其中，A為完整的歸一化強度參數(shù)；B為完整的斷裂強度參數(shù)；C為強度參數(shù)；M為斷裂強度參數(shù)；N為完整的強度參數(shù)；T為最大的抗張強度； HEL為Hugoniot彈性極限；PHEL 為在Hugoniot彈性極限下的壓力指數(shù)。

空氣選用空物質(zhì)的*MAT_NULL材料模型描述，材料參數(shù)如表5。

纖維采用帶損傷的復(fù)合材料模型[15]，材料參數(shù)如表6。

2 侵徹過程分析

4種不同厚度配比的侵徹過程都計算3 000 μm，使用LS-DYNA求解計算得到侵徹結(jié)果，采用LS-PREPOST軟件進行后處理，得到不同厚度配比下的侵徹結(jié)果以及彈體的速度時間曲線如圖3所示。

表2 殼體及靶板鋼材料參數(shù)

表3 黑索金(RDX)炸藥材料參數(shù)

表4 Al2O3陶瓷材料參數(shù)

表5 空氣參數(shù)

表6 纖維材料參數(shù)

由圖3可以看出，侵徹過程完成時，彈體都出現(xiàn)了鐓粗的現(xiàn)象，由于侵爆過程的模擬采用了多物質(zhì)ALE算法，彈內(nèi)裝藥由于是流體的原因，隨著彈體的侵徹加深，裝藥發(fā)生了類似流動的效果，彈尾的流體質(zhì)點由于流動的原因在侵徹結(jié)束時達到了彈體中部，故后續(xù)的爆炸毀傷過程設(shè)置的彈尾起爆在過程圖中顯示出來是在彈體中部起爆，四種厚度配比防護結(jié)構(gòu)的侵徹穿深分別為52.72 cm、50.01 cm、52.03 cm、54.60 cm。

3 爆炸過程分析

選取厚度配比1∶4∶2∶1情況給出爆炸過程中的壓力云圖如圖4。由壓力云圖可以看到半穿甲彈中部起爆，爆轟波開始向彈頭方向傳遞，在3 132 μs炸藥完全被起爆，在3 386 μs爆炸產(chǎn)生的爆轟波傳遞到靶板的底部，可以明顯的觀察到爆炸所產(chǎn)生的爆轟波傳遞過程。

圖4 爆炸過程壓力云圖

不同著靶速度下的爆炸過程完成后得到爆炸對鋼靶的毀傷結(jié)果以及靶板下方20 cm處沖擊波壓力時程曲線分別如圖5所示。

圖5 爆炸后靶板毀傷結(jié)果及靶板下方20 cm處沖擊波壓力時程曲線

由圖5可以看出，1∶4∶2∶1結(jié)構(gòu)抗侵爆綜合毀傷性能最佳，未出現(xiàn)防護結(jié)構(gòu)的貫穿炸穿，究其原因，1∶4∶1∶1結(jié)構(gòu)的纖維層及鋼背板的厚度過薄不能給陶瓷層提供足夠的支撐，故抗侵徹性能不抵1∶4∶2∶1結(jié)構(gòu)；1∶4∶2∶1結(jié)構(gòu)陶瓷層后的纖維及鋼背板厚度足夠，故能提供足夠的支撐，所以1∶4∶2∶1復(fù)合防護結(jié)構(gòu)的侵徹穿深最淺；隨著纖維層的加厚，陶瓷層及面板厚度隨之下降，故1∶4∶3∶1、1∶4∶4∶1防護結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能出現(xiàn)下降。在爆炸階段，殼體在爆轟產(chǎn)物的作用下迅速形成彈體破片，但是破片多是向水平方向飛散，并未全部作用在復(fù)合防護結(jié)構(gòu)上，隨著爆炸過程的進行，由于陶瓷的抗拉伸性能不強，故在爆轟產(chǎn)物以及彈體破片的作用下，陶瓷層出現(xiàn)了空腔，面板由于陶瓷層空腔內(nèi)的爆轟產(chǎn)物的作用出現(xiàn)了鼓包，纖維層以及鋼背板也出現(xiàn)了大的塑性形變及斷裂，且形變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于侵徹過程發(fā)生的形變，說明爆炸過程對防護結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)大于侵徹過程的毀傷效應(yīng)。

在起爆后，各自超壓曲線都有一段水平階段，這是因為爆轟產(chǎn)物與防護結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，還沒傳遞到靶后20 cm處，1∶4∶1∶1復(fù)合靶后20cm的沖擊波超壓峰值為3.19 MPa；1∶4∶2∶1 復(fù)合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為1.16 MPa，在四種厚度配比的防護結(jié)構(gòu)中最??；1∶4∶3∶1復(fù)合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為2.17 MPa；1∶4∶4∶1復(fù)合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為5.25 MPa，都有著較好的防護效果，不會對結(jié)構(gòu)中的設(shè)備及人員造成致命打擊。

4 結(jié)論

1) 鋼/陶瓷/纖維/鋼復(fù)合防護結(jié)構(gòu)厚度配比為1∶4∶2∶1時，抗侵徹性能最強，表明復(fù)合防護結(jié)構(gòu)如要有足夠的抗侵徹能力，則陶瓷層后需要提供足夠的支撐。

2) 4種厚度配比情況下爆炸毀傷后，纖維及鋼背板的形變大于侵徹階段的形變，說明爆炸過程對靶板造成的毀傷大于侵徹過程所造成的毀傷，防護結(jié)構(gòu)下方20 cm處爆炸沖擊波峰值壓力分別為3.19 MPa、1.16 MPa、2.17 MPa和5.25 MPa，可以看出沖擊波壓力提升并不明顯，說明鋼/陶瓷/纖維/鋼復(fù)合防護結(jié)構(gòu)在中低速半穿甲彈侵徹爆炸綜合毀傷作用下有較好的防護能力，厚度配比1∶4∶2∶1的防護結(jié)構(gòu)抗侵爆性能最為優(yōu)異。