王玉，王樹山，李文哲，董曉明，舒彬

(1.海軍大連艦艇學院 水武與防化系，遼寧 大連 116018；2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；3.北京中恒天威防務科技有限公司，北京 100081)

大口徑艦炮主要用于對岸火力支援和艦與艦之間的火力打擊。隨著信息化彈藥的發(fā)展，艦炮武器命中精度逐漸提升，且大口徑艦炮的射程、彈藥威力得到了增強。目前對一種大口徑半穿甲炮彈提出了新的需求，該種炮彈是一種在侵徹過程中或穿透以后很短的距離內爆炸的炮彈，主要用來打擊小型艦船(護衛(wèi)艦及以下級別)側舷結構，造成側舷破口進水，進而影響艦船的生命力。因此為了對這種新型艦炮武器的選取類型及作戰(zhàn)性能進行綜合論證，需要對艦炮的終點毀傷情況進行研究，綜合考核艦炮武器的毀傷能力。

二戰(zhàn)時期艦船結構毀傷實例表明，艦船側舷或其他部位產生局部破壞，致使艦船整體強度減弱造成艙室進水，是艦船毀傷的主要模式[1]。艦船可以認為是由若干板架連接而成，因此在研究艦船結構毀傷時，研究人員通常簡化為研究艦船板架的毀傷情況。Ramajeyathilagam[2-3]采用試驗和數(shù)值仿真方法開展了側舷板架在爆炸載荷作用下毀傷情況的研究，進行了不同爆距、不同裝藥量下矩形板的破壞情況。周姝[4]應用LS-DYNA數(shù)值仿真軟件分別就炸藥當量為50，150，240 kg作用下艦船板架破損情況進行比較分析。吳震等[5]采用試驗方法研究破片和沖擊波對艦船板架的耦合毀傷效應，得出光板在破片和沖擊波共同作用下破壞模式主要有花瓣彎曲和拉伸斷裂兩種。李櫻等[6]利用LS-DYNA數(shù)值仿真軟件研究在藥包水下近場和接觸爆炸兩種情況下艦船側舷的毀傷特性。趙倩等[7]開展了含鋁炸藥水中爆炸能量輸出規(guī)律和艦船目標響應情況的數(shù)值仿真研究，得出近場沖擊波能是艦船毀傷的主要原因。

半穿甲彈所裝的引信為延時引信，在多少穿深爆炸對艦船艙室破壞效果最好，不同彈藥的起爆點應該有一定的差異[8]。焦立啟等[9]利用LS-DYNA軟件研究半穿甲反艦戰(zhàn)斗部艙內爆炸對固支單向加筋板的毀傷作用進行數(shù)值仿真計算，得到艦船加筋板在沖擊載荷作用下變形破壞特點及規(guī)律。杜志鵬等[10]進行了實尺度艙室內爆試驗，認為當在艙室內爆、爆距小于0.25倍板架寬時，板架受到局部高壓載荷作用并產生花瓣破口；孔祥韶[11]在進行縮比艙室內爆試驗時發(fā)現(xiàn)，當彈藥爆炸的位置和艙室壁的距離較近時，從艙壁破口處會有較明顯的爆炸流出現(xiàn)象。因此，對于裝藥量相對魚雷、導彈等來說較小的炮彈，為達到較佳毀傷效果，爆點位置距離艦船側舷的距離還需具體分析。

筆者針對大口徑半穿甲炮彈對典型小型艦船目標的毀傷效能評估問題，進行了典型船體靶板毀傷試驗及數(shù)值仿真，驗證了數(shù)值仿真模型及材料參數(shù)的可靠性，在此基礎上利用AUTODYN數(shù)值仿真軟件進行半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷數(shù)值仿真，并建立了毀傷效能數(shù)學模型，為新型艦炮武器系統(tǒng)綜合論證和作戰(zhàn)效能評估提供技術支撐，為艦船防護設計提供理論基礎。

1 典型艦船目標特性分析

1.1 目標結構分析

典型小型艦船結構按照艙室類型主要可以劃分為電子武備艙室、生活保障艙室、機電設備艙室和其他艙室等，同時各類艙室是由各種功能類似的艙室所組成。

1.2 毀傷等級與毀傷準則判據(jù)

艦船在外力的作用下致使艙室破損進水后，仍能保持穩(wěn)定、漂浮的能力稱為不沉性。目前關于艦船不沉性有如下說法：將艦船分為幾艙制，一艙制艦船即滿足艦船在某一個艙室進水后仍能保持不沉；二艙制艦船即相鄰2個艙室進水后仍能保持艦船的安全性；三艙制艦船即在相鄰3個艙進水后仍能滿足不沉性。艦船除了受到航行時的外力作用外，還可能遭到敵方武器的打擊，被破壞的幾率較大，因此艦船的不沉性要求較高[12]，文獻[13]認為當艦船的損壞狀態(tài)為三艙連破情況時將逐漸沉沒。對于一些中小型艦船，文獻[14]認為當艦船的破口尺寸達到6～7 m時就可以導致艦船在短時間內沉沒。

一般情況下，水線處多為生活保障艙室，該類艙室長度約為2～3 m，即2～3個連續(xù)艙室產生無法修復的破口，就足以使中小型艦船沉沒。因此根據(jù)艦船結構損壞造成艦船毀傷的研究進展[12-14]，將艦船由艙室損壞造成的毀傷劃分為3個毀傷等級，毀傷準則與判據(jù)如下：

1)重度毀傷：艦船任意連續(xù)3個或3個以上艙室損壞，損壞的艙室進水且無法修復。

2)中度毀傷：艦船任意連續(xù)2個艙室損壞，損壞的艙室進水且無法修復。

3)輕度毀傷：艦船任意1個艙室損壞，損壞的艙室進水且無法修復。

1.3 典型側舷結構特性分析

目前中小型艦船的側舷結構通常為縱骨架式，為減少縱骨尺寸提高船體強度，縱骨架式舷側結構會采用強肋骨作為橫向型材[15]，船體的主要制造材料有鋼、鋁合金和玻璃鋼等[16]，其中常用的中小型艦船船體材料為921A鋼，921A鋼的材質為10CrNi3MoV，其屈服強度為590～745 MPa，同時艦船側舷外鋼板作為艦船要求較高的關鍵要害構件，其厚度往往選取在12～16 mm范圍內[12]，由于生活保障艙室的防護相對薄弱，因此選取厚度為12 mm的側舷外鋼板作為研究對象。

根據(jù)典型側舷結構可知，由于縱骨和強肋骨的存在，當半穿甲炮彈對艦船側舷進行侵徹時，若侵徹位置不同，側舷的動態(tài)響應也會不同，同時彈藥不同的著角、侵徹深度對側舷結構的破壞程度均會有較大的差異。在研究半穿甲炮彈對側舷侵徹作用后戰(zhàn)斗部爆炸對側舷毀傷特性時，側舷被侵徹后的破壞狀態(tài)是研究側舷受到爆炸作用后響應情況的初始狀態(tài)，因此為了保證研究的初始條件具有一致性，對典型中小型艦船側舷結構進行簡化等效，采取的方法為將縱骨和強肋骨等效為板厚，均布到側舷平板上，將側舷結構簡化為等厚板，簡化公式[17]為

(1)

式中：h表示等效后的板厚；h′表示側舷平板的厚度；L和B分別表示側舷的長和寬；n表示縱骨骨架數(shù)；Fi表示骨架的橫斷面積；m表示強肋骨骨架數(shù)；Fj表示強肋骨骨架的橫斷面積。等效后的艦船側舷厚度為14 mm。

2 船體靶板毀傷試驗與數(shù)值仿真驗模

2.1 典型船體靶板毀傷試驗

利用φ50 mm×85 mm的帶殼裝藥及典型船體靶板進行毀傷試驗，其中炸藥為8701，裝藥量為190 g，在結構為1 m×1 m×8 mm的921A船體靶板中心預留一個直徑略大于帶殼裝藥直徑(50 mm)的孔，設計2種工況分別為：靶板固定在支架上并保持水平，將帶殼裝藥嵌入到靶板預制破口中，使帶殼裝藥沿軸線方向與地面垂直，保持帶殼裝藥軸線中心與靶板預制破口平齊并固牢試驗場地；將帶殼裝藥放置在靶板預制破口上方，使帶殼裝藥沿軸線方向與地面垂直，保持帶殼裝藥底蓋與靶板預制破口平齊并固定牢固。試驗場地布置如圖1所示。為避免試驗結果的偶然性，對工況1和工況2各進行2次試驗。

2.2 典型船體靶板毀傷數(shù)值仿真

2.2.1 數(shù)值仿真模型

在AUTODYN軟件中建立與毀傷試驗中應用的結構尺寸完全相同的船體靶板和帶殼裝藥的數(shù)值仿真模型。為簡化計算，建立1/4模型結構，并賦予和試驗完全相同的材料模型，采用Velocity類型邊界條件從而實現(xiàn)靶板的固定，帶殼裝藥沿軸線方向垂直放置在靶板預留破口處的上方和中心，建立包含帶殼裝藥與部分靶板在內的空氣域，空氣域設置FLOW-OUT邊界條件，實現(xiàn)在仿真軟件中還原試驗現(xiàn)場環(huán)境，靶板和帶殼裝藥殼體采用拉格朗日算法，空氣和炸藥采用歐拉算法，采用流固耦合算法保證拉格朗日單元和歐拉單元能夠相互作用。建立2種工況的數(shù)值仿真模型如圖2所示。

2.2.2 材料模型

數(shù)值仿真采用的材料模型如表1所示，其中試驗靶板和殼體的失效模型均包含隨機失效模型(Stochastic failure)，利用概率算法表征材料固有缺陷而產生的裂紋和破壞，進行典型船體靶板毀傷數(shù)值仿真研究。

表1 計算所用材料模型

2.3 結果對比分析

帶殼裝藥毀傷典型船體靶板的試驗與數(shù)值仿真結果如圖3、4所示。

從圖3可以看出，對于帶殼裝藥放置在靶板中的工況1，試驗和數(shù)值仿真中靶板破口均向內、向外翻卷，破口直徑變化量較大，在破口處沿45°方向有剪切的現(xiàn)象。

從圖4可以看出，對于帶殼裝藥放置在靶板上的工況2，試驗與數(shù)值仿真中靶板在破口處有明顯的崩落現(xiàn)象，靶板的破口尺寸變化量較少，崩落呈45°方向剪切，同時在靶板上有大量破片打擊后的痕跡。

分別測量2種工況下船體靶板在毀傷試驗與數(shù)值仿真中的破口直徑，結果數(shù)據(jù)如表2所示，對比2種工況試驗和數(shù)值仿真中船體靶板的平均破口尺寸數(shù)據(jù)，可以看出試驗與數(shù)值仿真結果誤差在15%內。

表2 試驗與數(shù)值仿真結果數(shù)據(jù)表

綜合對比試驗和數(shù)值仿真中典型靶板毀傷形態(tài)及破口尺寸數(shù)據(jù)，可以得出毀傷試驗和數(shù)值仿真結果吻合較好，建立的數(shù)值仿真模型及選取的仿真參數(shù)具有較高的可信性，可以用于半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷數(shù)值仿真研究。

3 半穿甲炮彈對側舷毀傷的數(shù)值仿真

為得到半穿甲炮彈對艦船側舷的毀傷特性數(shù)據(jù)，采用驗證后的典型船體靶板數(shù)值仿真模型及參數(shù)，進行半穿甲炮彈對典型小型艦船側舷毀傷的數(shù)值仿真研究。

3.1 計算方案

半穿甲炮彈直徑為155 mm，裝藥質量為12 kg，裝藥為8701高能炸藥，末端速度為300 m/s，采用延時引信起爆。

綜合考慮側舷破口尺寸誤差和仿真計算時間，利用Truegrid軟件建立幾何模型，建立的艦船側舷仿真模型結構網(wǎng)格尺寸為2.5 mm。設計的數(shù)值仿真工況分別為：當戰(zhàn)斗部垂直打擊時，起爆點至側舷的距離為1/4彈長處，即Δ=0.25L(L為彈長)，除此之外還有Δ=0.5L，0.75L，L，1.5L，2L，共6種；除了研究起爆位置對艦船側舷結構的關聯(lián)特性外，以半穿甲炮彈的起爆點距側舷1/2彈長處時(Δ=0.5L)起爆為例，在相同的數(shù)值仿真環(huán)境條件下，開展著角γ(彈道線與側舷平面法線的夾角)對艦船側舷毀傷的關聯(lián)特性研究，主要研究當著角γ為0°，15°，30°和45°時半穿甲炮彈對艦船側舷的破壞情況。

3.2 仿真結果

利用數(shù)值仿真計算方法，得到了半穿甲炮彈在不同起爆位置條件下，仿真初始工況布置及爆炸作用后的艦船側舷結構破壞仿真結果如圖5所示，由于篇幅限制，只列舉其中部分仿真結果。

當半穿甲炮彈中心嵌入到艦船側舷時，不同著角起爆對艦船側舷結構破壞仿真結果如圖6所示。

對圖5、6中各仿真工況中艦船側舷結構破壞數(shù)據(jù)進行整理，采用破口尺寸表征半穿甲炮彈對艦船側舷的毀傷特性，得到半穿甲炮彈的起爆位置、著角和艦船側舷破口直徑的關系，如圖7、8所示。

分析比較側舷結構破壞仿真結果圖5、6和數(shù)據(jù)曲線圖7、8可以得出：

1)當半穿甲炮彈起爆位置為起爆點距離側舷1/2彈長處時，艦船側舷結構破壞最嚴重，發(fā)生了明顯的崩落現(xiàn)象，但沿側舷平面法線方向形變量較??；隨著起爆位置逐漸遠離艦船側舷結構，側舷結構破壞逐漸由崩落現(xiàn)象到產生花瓣形破口，再到僅產生凹陷，不產生裂紋，毀傷模式主要為拉伸斷裂和花瓣破口，與文獻[5]的結果相同；同時破口直徑先增大后減小，此過程存在一個最佳炸點，使得艦船側舷破口直徑達到了極大值，極點為352 mm。

2)當半穿甲炮彈起爆位置為起爆點距離側舷1/2彈長、著角在0°～45°范圍內時，側舷結構產生明顯崩落現(xiàn)象，側舷破口周圍鋼板向外翻卷，隨著著角的增加艦船舷側結構的破口直徑先減小后增大，當著角為45°時，對艦船側舷結構造成的破壞程度最嚴重，破口直徑達到367 mm。

4 半穿甲炮彈對艦船的毀傷效能評估

4.1 毀傷效能計算模型

建立如圖9所示的艦船目標坐標系O-xyz，選取艦船目標的中心為坐標原點O，其中Oz軸與海平面重合，其正方向為沿艦船中心指向船頭，Ox軸垂直于海平面，向上為正方向，Oy軸向外為正方向。選取的瞄準點為艦船中心點O。

開展半穿甲炮彈對典型艦船目標的毀傷效能評估研究之前，需要明確艙室毀傷的判據(jù)，由于認為艦船側舷結構毀傷導致艙室內部進水則構成毀傷，結合圖7、8中的毀傷特性數(shù)據(jù)，給出艙室進水的判據(jù)為

(2)

式中：x為半穿甲炮彈在艦船坐標系中的隨機炸點坐標在立軸方向的坐標值；Dmax為數(shù)值仿真計算得到的與起爆位置和著角對應的艦船側舷最大破口直徑數(shù)據(jù)；D為水線下的有效距離。

利用穿甲效應經驗公式[19]可以得到半穿甲炮彈在此著角γ下極限穿透速度v50，將v50帶入炮彈在水中運動速度衰減方程，即可得出在此落角下炮彈水下運動的極限距離l，則

D=lsinγ.

(3)

假定目標無對抗、系統(tǒng)無故障，由文獻[19]采用蒙特卡羅算法抽樣得到在艦船目標坐標系下的炮彈隨機炸點坐標。結合目標特性分析艦船艙室類型及尺寸，若半穿甲炮彈命中艦船艙室側舷，判斷命中側舷位置與判據(jù)的關系，若滿足式(2)，則認為單次打擊下艦船艙室毀傷。進行大量的隨機抽樣，統(tǒng)計每次打擊的結果，得到半穿甲炮彈單次打擊下各個艙室毀傷概率pc：

(4)

式中：N為抽樣總數(shù)；nc為命中毀傷c艙室的次數(shù)。

結合單次打擊下各艙室的毀傷概率，在不考慮累積毀傷的情況下，每個艙室在多次打擊下的毀傷概率為

(5)

(6)

將整個事件的所有結果累加，即可得到艦船目標達到重度毀傷等級的毀傷概率P(Q)，如圖10所示。

根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計，當置信水平達到95%時，可認為該事件發(fā)生，即當滿足式(7)時，便可得出利用艦炮系統(tǒng)打擊艦船目標，使其達到重度毀傷等級時所需要的用彈量Q。

P(Q)≥0.95.

(7)

4.2 毀傷效能計算與分析

利用艦船目標特性分析，結合半穿甲炮彈對艦船目標毀傷特性數(shù)據(jù)及建立的毀傷效能數(shù)學模型，以大口徑半穿甲炮彈打擊某典型2 700 t級護衛(wèi)艦目標為例，采用用彈量表征毀傷效能，分別計算在著角為0°、起爆相對位置Δ=0.5L的情況下，重度、中度和輕度3個毀傷等級對應的半穿甲炮彈命中精度與毀傷艦船所需用彈量，得到的變化關系如圖11所示。

結合半穿甲炮彈的著角與毀傷艦船所需用彈量的數(shù)據(jù)表，得到當CCEP為5 m、起爆相對位置Δ=0.5L時，艦船達到不同毀傷等級下所需用彈量隨著角γ的變化關系如圖12所示。

1)當著角γ為0°、起爆相對位置Δ=0.5L時，達到輕度毀傷等級的用彈量隨著命中精度的增加而增加；達到重度和中度毀傷等級的用彈量隨著命中精度的增加呈先減小后增加的趨勢，分別存在最佳的命中精度，使達到3個毀傷等級時所需用彈量最少。

2)當CCEP為5 m、起爆相對位置Δ=0.5L、著角γ在0°～45°時，達到重度、中度和輕度毀傷等級的用彈量隨著角的增加呈先增加后減小的變化趨勢。從計算結果可以看出，得到的變化趨勢符合客觀規(guī)律，建立的終點毀傷數(shù)學模型可以用于計算半穿甲炮彈對艦船目標毀傷效能評估。

5 結論

筆者采用理論分析、試驗及數(shù)值仿真相結合的方法，研究半穿甲炮彈對艦船目標的毀傷效能，取得的主要研究成果如下：

1)對比典型船體靶板毀傷試驗及數(shù)值仿真結果中靶板的破壞形態(tài)及破口直徑，驗證了靶板數(shù)值仿真模型及參數(shù)的準確性。在此基礎上，進行了半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷的數(shù)值仿真，獲得了半穿甲炮彈起爆位置及著角對艦船側舷的毀傷特性數(shù)據(jù)，當著角為0°時，起爆相對位置為0.5L時為最佳起爆點；當起爆位置確定時，著角為45°時對側舷造成的毀傷最嚴重，可為彈藥和引戰(zhàn)配合設計提供依據(jù)或參考。

2)提出了一種造成側舷結構毀傷產生破口導致艙室進水的判據(jù)，建立了半穿甲炮彈作用于艦船目標的終點毀傷效能數(shù)學模型，并以某典型艦船目標為例，驗證了終點毀傷效能計算模型的可靠性；同時模型還可以用于計算不同裝藥量、瞄準點等新型艦炮武器的終點毀傷效能，對新型艦炮武器系統(tǒng)綜合論證、作戰(zhàn)效能進行評估、彈藥設計以及艦船防護設計等具有應用或參考價值，為系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的研究提供一條技術途徑。