許俊祥，田曉麗，陳　宇，王　超，楊　東

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,太原　030051； 2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限公司,太原　030027;3.豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司,河南 南陽　473000)

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鎢破片侵徹艦艇裝甲薄弱部位毀傷效能評估

許俊祥1，田曉麗1，陳宇2，王超1，楊東3

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,太原030051； 2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限公司,太原030027;3.豫西工業(yè)集團(tuán)有限公司,河南 南陽473000)

摘要：模擬了末端制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈在侵徹艦艇裝甲時末制導(dǎo)彈爆炸模型，得出破片飛行的初速度，再通過ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行不同速度和質(zhì)量及形狀的鎢合金破片侵徹裝甲薄弱部位的數(shù)值模擬，得出高速自鍛破片能夠?qū)ρb甲毀壞，但會使裝甲出現(xiàn)反彈，侵徹深度不及中等速度破片；尖頭破片出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，未到侵徹深度會使破片破壞；得到毀壞薄裝甲的最小破片質(zhì)量，為薄弱裝甲防護(hù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：爆炸模型；鎢合金；自鍛破片；薄弱裝甲；數(shù)值模擬

本文引用格式：許俊祥，田曉麗，陳宇，等.鎢破片侵徹艦艇裝甲薄弱部位毀傷效能評估[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(7):33-36.

Citation format:XU Jun-xiang, TIAN Xiao-li, CHEN Yu,et al.Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):33-36.

反艦導(dǎo)彈成為現(xiàn)代海戰(zhàn)中的主要武器，戰(zhàn)斗部既是它的唯一有效載荷,又是直接執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)的部件。在一定條件下,反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的威力和對艦船的毀傷效果與其結(jié)構(gòu)、類型關(guān)系很大。隨著制導(dǎo)精度的提高，艦艇防護(hù)能力的增強(qiáng)，反艦導(dǎo)彈一般會在接近艦艇或者艦艇上空進(jìn)行爆炸，所以有必要分析自鍛破片和隨機(jī)破片對艦艇薄裝甲的侵徹效果。文獻(xiàn)[1]通過理論公式對不同鎢合金破片對靶板穿透極限速度進(jìn)行了計(jì)算，但沒有通過數(shù)值模擬方式來論證破片侵徹靶板的效果。文獻(xiàn)[2]說明破片形狀對破片侵徹靶板過程中速度的影響，對靶板的侵徹效果沒有提及，所以有必要從破片的速度、質(zhì)量、形狀多方面分析破片對薄裝甲的侵徹效果。為裝甲防護(hù)提供參考。

1彈丸爆炸有限元模型的建立與材料參數(shù)的選取

1.1爆炸原理

炸藥爆炸產(chǎn)生大量的碎片和沖擊波破壞裝甲目標(biāo)。雖然這些破片很難穿透艦艇上方裝甲，但可以攻擊弱頂部裝甲，并有大量碎片被鑲嵌在艦艇頂部。因此，有必要研究末制導(dǎo)的攻擊效果對艦艇頂端裝甲和外載艦艇炮結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)。

1.2彈丸爆炸的有限元模型的建立

采用ANSYS/LS-DYNA對彈丸爆炸進(jìn)行模擬仿真，建立彈丸爆炸的有限元模型如圖1所示。彈體的直徑為155 mm，長度為960 mm?？紤]模型的對稱性同時為了節(jié)約計(jì)算時間，建立彈體和裝藥的1/4模型。在X-Y對稱面上施加對稱約束，戰(zhàn)斗部殼體采用鎢合金，單位制為cm-g-us，其材料參數(shù)如表1所示，炸藥采用TNT裝藥，材料參數(shù)如表2所示。

圖1　炸藥爆炸有限元模型

表1　鎢合金材料參數(shù)

表2　TNT的材料參數(shù)

空氣以1.293E-3 g/cm3的密度，并以關(guān)鍵字*MAT_NULL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIA來定義，爆炸后取中間兩個節(jié)點(diǎn)分別是560和879查看初始爆炸速度，其時間歷程曲線如圖2所示。

圖2　破片不同節(jié)點(diǎn)處的初始速度

圖2速度都在1 000 m/s以上，根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，此速度在合理速度范圍之內(nèi)，說明數(shù)值模擬可靠。

2破片侵徹靶板有限元模型的建立和材料參數(shù)的選擇

2.1破片侵徹靶板的有限元模型的建立

由于碎片相對于裝甲目標(biāo)非常小，裝甲目標(biāo)的薄弱環(huán)節(jié)可以視為被分析的損傷效應(yīng)均質(zhì)鋼板片段與薄弱部位。彈丸的材料模型外殼的碎片和裝甲部分可以采用圓的一部分和正方形靶板顯式實(shí)體單元SOLID164，單位統(tǒng)一為cm-g-us。建立該片段的薄弱部位的滲透簡化1/4 模型，破片建立成直徑為25 mm圓的一部分，薄裝甲板選擇的模型如圖3所示，靶板為30 cm×30 cm×30 cm的正方形模型。

2.2材料參數(shù)的選擇

破片的材料選擇鎢合金材料，同時定義為彈塑性材料模型。靶板材料選擇為45CrNiMoA合金鋼，同時采用John-cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程描述其力學(xué)性能，該材料模型能夠很好的描述金屬材料在加工硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和熱軟化效應(yīng)共同影響下的力學(xué)特性。

2.3不同速度破片侵徹薄靶板

破片分別以不同的入射速度侵徹靶板，不同速度侵徹?cái)?shù)值如圖4所示，5種不同速度為1 000 m/s,1 200 m/s,1 400 m/s,1 600 m/s,2 000 m/s，分別以5種不同速度侵徹靶板的侵徹最大深度分別是3.5 cm，3.3 cm，3.1 cm，2.8 cm，2.6 cm。由數(shù)值模擬分析可知，破片的侵徹深度隨著速度的增加遞增。但是，在小速度和中等速度侵徹時，靶板的位移較為平緩，當(dāng)速度超過1 400 m/s時，靶板出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，速度越高，靶板的回彈現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2.4不同形狀破片侵徹薄靶板

分別建立了不同形狀的破片侵徹薄靶板的有限元模型如圖5所示，讓兩種不同形狀破片以相同的速度和質(zhì)量對相同靶板進(jìn)行侵徹，初始速度為1 000 m/s。兩種破片侵徹時所受到的應(yīng)力如圖6所示，由圖6可知鈍頭破片侵徹時的最大應(yīng)力比尖頭破片較小，同時尖頭破片侵徹過程中由于破損嚴(yán)重，會出現(xiàn)多個應(yīng)力集中峰值，鈍頭侵徹時較為平緩，應(yīng)力集中峰值較尖頭破片較少。進(jìn)一步說明了破片的破碎程度能夠增加毀傷效果。

圖5　不同形狀破片侵徹靶板的有限元模型

2.5不同質(zhì)量破片侵徹薄靶板

破片在戰(zhàn)斗部爆炸過程中會形成不同質(zhì)量破片，有必要分析不同質(zhì)量破片的損傷效應(yīng)，碎片對頂端裝甲和薄弱部位的損傷效果顯而易見。破片的質(zhì)量越重，對裝甲的損壞效果越嚴(yán)重。只要最大的自然破片損害裝甲的目標(biāo)清楚了解，最嚴(yán)重的損壞可以估計(jì)。文獻(xiàn)[4]提出，最大破片的質(zhì)量可以在一致的半徑和均勻壁的圓柱殼條件下計(jì)算出來，可計(jì)算出彈體碎片的最大質(zhì)量為0.174 3 kg。分別取質(zhì)量為0.008 kg，0.01 kg，0.032 kg，計(jì)算不同質(zhì)量的破片侵徹薄靶板為5 cm×5 cm×5 cm時的侵徹深度如表4所示。

不同破片的侵徹深度隨著質(zhì)量的升高而增大，當(dāng)破片的質(zhì)量低于0.005 kg時破片對裝甲的損壞效果不足1 cm，不足以考慮破片對裝甲的毀傷程度。

3結(jié)論

1) 研究發(fā)現(xiàn)彈丸在發(fā)生爆炸時破片的速度范圍為1 000～2 200 m/s。

2) 通過模擬不同速度破片侵徹試驗(yàn)，得出了中等速度的侵徹深度比高速侵徹過程深度更深，因?yàn)樗俣冗^大會造成靶板的反彈，造成高速破片侵徹時受到應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重導(dǎo)致破片碎裂，速度過低侵徹深度不夠，所以中等速度會造成適當(dāng)侵徹深度，靶板破壞比較均勻。

3) 當(dāng)破片質(zhì)量低于0.005 kg時可以忽略破片對薄裝甲的破壞作用，將破片速度和破片質(zhì)量的影響有效結(jié)合起來，找到最佳速度和最小破片質(zhì)量能夠有效的減少外載艦炮和薄弱裝甲的損壞，有利于為裝甲的防護(hù)提供參考。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-15；修回日期：2016-02-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金 (11572291)

作者簡介：許俊祥(1990—)，男，碩士，主要從事智能彈藥與系統(tǒng)仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.008

中圖分類號：TJ410

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0033-04

Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor

XU Jun-xiang1, TIAN Xiao-li1, CHEN Yu2, WANG Chao1, YANG Dong3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Jin West Machine Industry Group Co., LTD, Taiyuan 030027, China;3.Yuxi Industries Group Co., Ltd, Nanyang 473000, China)

Abstract:The terminally guided anti-ship missile during the naval armor penetration simulated the explosion model of end missile system to get the initial velocity of fragments flying, and we simulated different speeds and quality and shape of Tungsten Fragments to penetrate the weak parts armor by ANSYS / LS-DYNA, and then we obtained the conclusion that high speed fragments are capable of forging armor destroy, but it will rebound in a armor, and penetration depth is less than medium speed fragments; and the pointed fragments have greater stress concentration, and if it has not come to penetration depth it will get wrecked; and we got the smallest fragment thin quality of destroyed armored, which provides a reference for thin armor protection.

Key words:explosion model; tungsten alloy; self-forging fragment; weak armor; numerical simulation

【裝備理論與裝備技術(shù)】