杜華池，張先鋒，劉闖，熊瑋，李鵬程，陳海華

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

隨著航母及艦船技術(shù)的快速發(fā)展，艦船等目標(biāo)艙體普遍采用多層鋼板密封艙體，以增強(qiáng)艦船的防護(hù)能力。反艦武器戰(zhàn)斗部(又稱(chēng)半穿甲彈，以下簡(jiǎn)稱(chēng)彈體)是打擊這類(lèi)艦船目標(biāo)的主要武器。彈體利用武器平臺(tái)賦予的高速度，使戰(zhàn)斗部通過(guò)侵徹和內(nèi)爆等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)逐艦、巡洋艦等大中型水面艦艇的高效毀傷。但打擊艦船時(shí)彈體著靶姿態(tài)惡劣，最大著角可達(dá)60°，易發(fā)生跳彈，給彈體、引信強(qiáng)度、裝藥和火工品帶來(lái)嚴(yán)重威脅。彈體斜侵徹多層靶體過(guò)程中的彈道特性直接影響其對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效果，彈靶遭遇條件、戰(zhàn)斗部、靶體結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)等對(duì)侵徹彈道特性有顯著影響。

針對(duì)彈體侵徹多層間隔靶侵徹彈道特性，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)彈體貫穿有限厚混凝土靶體作用過(guò)程進(jìn)行了較為深入的研究[1-4]，獲得了較豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、建立了系列的數(shù)值模擬及理論方法[5-7]。對(duì)于彈體斜侵徹多層間隔鋼靶彈道特性研究涉及較少，陳志斌[8]開(kāi)展了金屬球斜侵徹多層鋁靶的理論計(jì)算模型研究，提出了金屬球斜侵徹多層間隔靶侵徹能力的工程計(jì)算方法；袁亞楠等[9]開(kāi)展了鎢合金長(zhǎng)桿彈斜侵徹多層間隔鋼靶試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)彈體前部侵蝕較早、應(yīng)力影響較小，彈體中部應(yīng)力集中，彈體與尾翼連接處也受到較大應(yīng)力，所得結(jié)果為彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考；董永香等[10]考慮初速和著靶條件等因素，開(kāi)展了彈體斜侵徹3層間隔鋼靶的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著彈體初速和著角增加，彈丸穿靶后的存速、攻角及過(guò)載均顯著增加。湯雪志等[11]開(kāi)展了不同攻角彈體侵徹不同結(jié)構(gòu)多層靶板作用過(guò)程的數(shù)值模擬研究，分析了彈體侵徹后的速度衰減規(guī)律，結(jié)果表明不同材料靶板交錯(cuò)放置比按順序放置有更好的抗彈性能；黃岐等[12]采用理論與數(shù)值模擬方法，獲得了不同初始攻角彈體斜侵徹多層間隔鋼靶的彈道極限速度。

為了進(jìn)一步研究彈體侵徹多層鋼靶過(guò)程中侵徹彈道變化規(guī)律及影響因素，本文開(kāi)展卵形彈體斜侵徹多層Q235鋼靶試驗(yàn)研究，分析侵徹過(guò)程中彈體的速度和姿態(tài)變化規(guī)律，建立彈體斜侵徹多層靶體仿真模型，結(jié)合侵徹試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了彈體的撞擊速度、彈體入射角、靶體厚度及彈體變形對(duì)侵徹彈道特性的影響規(guī)律，所得結(jié)果可為反艦武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)提供參考。

1 彈體斜侵徹多層間隔鋼靶試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方案和彈靶參數(shù)

基于30 mm滑膛彈道炮平臺(tái)，開(kāi)展卵形彈體斜侵徹多層鋼靶試驗(yàn)。圖1所示為侵徹試驗(yàn)布局示意圖及現(xiàn)場(chǎng)布局圖。通過(guò)改變火藥裝藥量來(lái)調(diào)節(jié)彈體發(fā)射速度。試驗(yàn)采用正向彈道侵徹方式，多層靶板斜置不同角度以獲取斜侵徹后的彈道特性變化，如圖1(a)所示。采用多通道計(jì)時(shí)器記錄彈體在測(cè)速靶紙間的飛行時(shí)間，進(jìn)而得到彈體的初始撞擊速度，采用高速攝像系統(tǒng)記錄彈體飛行姿態(tài)，校核彈體的初始撞擊速度、確定彈體撞擊多層靶后的彈道特性參數(shù)。

圖1 試驗(yàn)布局圖及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

彈體材料選用30CrMnSiNi2A，該材料憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能，在軍事及民用領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。為保證彈體強(qiáng)度，加工過(guò)程中對(duì)彈體進(jìn)行熱處理。試驗(yàn)中彈體參數(shù)如表1所示。彈體實(shí)物照片如圖2(a)所示。試驗(yàn)多層靶板為Q235鋼，試驗(yàn)用鋼靶尺寸為300 mm×300 mm×10 mm，試驗(yàn)中采用可調(diào)角度靶架固定多層靶板，每層鋼靶間距為等間距400 mm，靶架實(shí)物如圖2(b)所示。

表1 彈體參數(shù)

圖2 試驗(yàn)彈體及靶板實(shí)物照片

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)發(fā)射調(diào)試工作，獲得多發(fā)彈體侵徹多層鋼板有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖3所示為典型彈體斜侵徹多層鋼靶彈道軌跡變化過(guò)程照片?；谠囼?yàn)結(jié)果高速攝像照片，確定彈體初始軸線(xiàn)方向與侵徹后彈體的軸線(xiàn)角度θ(即彈體姿態(tài)角的變化值)、彈體速度方向與靶體外表面法線(xiàn)的夾角α(即彈體入射角)以及彈軸與靶體外表面法線(xiàn)的夾角(即彈體姿態(tài)角，與彈體入射角α相同，這是因?yàn)閺楏w軸線(xiàn)與彈體速度方向重合)。

由圖3可以看出，彈體斜侵徹多層鋼靶時(shí)，彈體侵徹彈道整體向下偏轉(zhuǎn)，且隨著侵徹層數(shù)增加，彈體彈道偏轉(zhuǎn)增加幅度逐漸增大，彈體變形越來(lái)越嚴(yán)重。

圖3 彈體侵徹彈道變化高速攝像照片

圖4所示為試驗(yàn)后回收的典型彈體。由圖4可以看出，彈體斜侵徹多層鋼靶后變形主要集中在頭部，且彈體頭部變形呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)性。

圖4 典型試驗(yàn)回收彈體

圖5和圖6所示分別為彈體入射角為10°、20°侵徹靶板正面和反面的穿孔結(jié)果照片。由圖5和圖6可以看出，試驗(yàn)中的鋼靶較薄，靶板有正面開(kāi)坑、背部剪切破壞。靶體穿孔結(jié)果表明：彈體入射角為10°時(shí)，穿過(guò)第1層、第2層靶板穿孔近似為橢圓形，第3層靶板穿孔在垂直平面上的長(zhǎng)度已大于水平面上的長(zhǎng)度，第4層靶板穿孔已呈現(xiàn)明顯的橢圓形，表明隨著侵徹的進(jìn)行彈體偏轉(zhuǎn)越來(lái)越顯著。靶板背面剪切破壞第1層呈花瓣形，且隨著層數(shù)增加，穿孔垂直平面上的長(zhǎng)度逐漸增加，到第4層穿孔截切破壞已呈現(xiàn)明顯的橢圓形。當(dāng)彈體入射角為20°時(shí)，穿過(guò)第1層近似為橢圓形，第2層靶板穿孔在垂直平面上的長(zhǎng)度已大于水平面上的長(zhǎng)度，第3層、第4層靶板穿孔已呈現(xiàn)明顯的橢圓形且開(kāi)坑越來(lái)越大。靶板背面剪切破壞呈花瓣形，且隨著層數(shù)增加，穿孔垂直平面上的長(zhǎng)度逐漸增加，到第3層、第4層穿孔截切破壞已呈現(xiàn)明顯的橢圓形，且剪切破壞開(kāi)坑越來(lái)越大。

圖5 10°入射角侵徹后靶體穿孔結(jié)果

圖6 20°入射角侵徹后靶體穿孔結(jié)果

試驗(yàn)后，基于高速攝像系統(tǒng)校核彈體的速度并分析彈體的彈道參數(shù)變化規(guī)律。當(dāng)彈體入射角為10°、撞擊速度為670 m/s時(shí)，彈體穿過(guò)各靶后彈道、姿態(tài)數(shù)據(jù)如表2所示。當(dāng)彈體入射角為20°時(shí)，初始撞擊速度為680 m/s，彈體穿過(guò)各靶后彈道、姿態(tài)數(shù)據(jù)如表3所示。由表2和表3可知，彈體入射角為10°、20°時(shí)，隨著彈體侵徹層數(shù)增加，彈體侵徹剩余速度逐漸降低，彈軸與水平方向夾角(侵徹彈道偏轉(zhuǎn))逐漸增大。

表2 彈體入射角為10°時(shí)穿過(guò)各層靶后彈道、姿態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

表3 彈體入射角為20°時(shí)穿過(guò)各層靶后彈道、姿態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)圖3高速攝影照片可以看出，尖卵形彈體在撞擊第1層鋼靶時(shí)，彈體整體彈道向下偏轉(zhuǎn)，其中侵徹第3層后彈體姿態(tài)角變化最大。分析回收到的殘余彈體發(fā)現(xiàn)，彈體頭部變形嚴(yán)重，彈體侵徹多層鋼靶過(guò)程中，彈體頭部上側(cè)變形比下側(cè)大，表明頭部主要受到靶體向下的力，從而使彈體偏轉(zhuǎn)向下。

彈軸與初始軸線(xiàn)的夾角、彈頭偏移都隨靶體層數(shù)的增加而逐漸變大，彈體與靶體接觸面積逐層增大，彈體頭部變形也隨著靶體層數(shù)的增加而越來(lái)越大，靶板開(kāi)孔也隨著層數(shù)的增加而增加。

2 彈體斜侵徹多層間隔鋼靶數(shù)值模擬研究

2.1 有限元模型、材料本構(gòu)及參數(shù)

數(shù)值模擬選用LS-DYNA軟件，由于彈靶系統(tǒng)屬于對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為了提高計(jì)算效率，有限元模型選擇1/2模型進(jìn)行計(jì)算分析。彈體與靶體網(wǎng)格邊長(zhǎng)分別設(shè)置為2.0 mm、2.5 mm，在彈體與鋼靶對(duì)稱(chēng)面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置對(duì)稱(chēng)邊界條件，除對(duì)稱(chēng)面外，對(duì)每層鋼靶上下表面設(shè)置為自由面，為消除反射應(yīng)力波的影響，其余3個(gè)面均為無(wú)反射邊界，數(shù)值仿真的初始條件與試驗(yàn)初始條件一致。圖7所示為彈體與靶體的有限元模型。

圖7 彈靶有限元模型

試驗(yàn)回收的彈體發(fā)現(xiàn)，在侵徹過(guò)程中彈體變形不能被忽略，因此在數(shù)值模擬中，彈體選用變形彈，彈靶材料均采用Johnson-Cook模型，其材料參數(shù)分別如表4、表5所示。為準(zhǔn)確描述彈靶變形破壞行為，彈靶間采用侵蝕接觸算法。

表4 30CrMnSiNi2A材料模型參數(shù)[13-14]

表5 Q235材料模型參數(shù)[15-16]

2.2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

基于2.1節(jié)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)彈體不同入射角侵徹多層鋼靶作用過(guò)程進(jìn)行分析。不同入射角彈體侵徹多層鋼靶彈道軌跡如圖8所示。從圖8中可以看出，彈體斜侵徹多層鋼靶后整體彈道向下偏轉(zhuǎn)且試驗(yàn)與仿真吻合較好。圖9(a)所示為入射角為10°彈體侵徹多層鋼靶后變形與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果，圖9(b)所示為彈體入射角為20°侵徹多層鋼靶后彈體變形與數(shù)值模擬對(duì)比結(jié)果。從圖9中可以看出：彈體頭部上側(cè)變形比下側(cè)變形嚴(yán)重，由此可見(jiàn)彈體頭部上部分與靶體接觸面積較大，從而導(dǎo)致彈體整體受到向下的力矩作用，導(dǎo)致彈體彈道整體向下偏轉(zhuǎn)?；厥諒楏w與仿真結(jié)果吻合較好，表明本文建立的仿真方法可靠。

圖8 不同入射角下彈體侵徹彈道數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖9 不同入射角下彈體撞擊變形數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖10所示為不同入射角彈體侵徹多層鋼靶后彈體剩余速度v的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比。從圖10中可以看出，彈體的剩余速度隨著穿透靶板的層數(shù)增加而呈現(xiàn)線(xiàn)性減小的趨勢(shì)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖11所示為不同入射角彈體侵徹多層鋼靶后彈體姿態(tài)角變化試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比。從圖11中可以看出：彈體斜侵徹前三層鋼靶姿態(tài)角變化值與數(shù)值模擬吻合較好，侵徹第4層鋼靶后數(shù)值模擬姿態(tài)角變化值繼續(xù)增大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)則減少。通過(guò)觀察圖3高速攝影照片及圖5回收靶體可以發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)彈體在侵徹第4層鋼靶后，彈體穿孔靠近鋼靶底部邊緣，鋼靶底部的邊界約束效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)彈體彈道偏轉(zhuǎn)造成一定影響；在數(shù)值模擬過(guò)程中，鋼靶邊界采用的是無(wú)反射邊界約束，數(shù)值模擬中彈體在穿過(guò)第4層靶后彈道的變化趨勢(shì)更為明顯。

圖10 不同入射角下彈體剩余速度數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖11 不同入射角下彈體姿態(tài)角變化數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)仿真對(duì)彈體侵徹多層靶板過(guò)程進(jìn)行分析，圖12所示為彈體侵徹多層靶板過(guò)程中彈體頭部與彈體尾部豎直方向的速度分量vy隨時(shí)間的變化圖，A、B、C、D分別表示彈體侵徹第1、2、3、4層靶的過(guò)程。由圖12(b)可以看出彈體在侵徹每層靶板時(shí)可以分為4個(gè)階段：1)侵徹初期(A1)，彈體頭部下側(cè)與靶板的作用過(guò)程。在此階段，彈體頭部與傾斜的靶板相互作用，彈靶撞擊面不對(duì)稱(chēng)，彈體前端下部分與靶體先接觸，導(dǎo)致彈體頭部受到向上的作用力，并使得頭部產(chǎn)生向上的速度，彈體頭部姿態(tài)向上偏斜。2)侵徹中期(A2)，彈體頭部上側(cè)與靶板作用階段。在此作用階段，彈體下側(cè)靶板產(chǎn)生變形及破碎，彈體頭部上側(cè)與靶板作用，使得彈體頭部產(chǎn)生向下作用力，彈體頭部姿態(tài)向下偏轉(zhuǎn)，同時(shí)靶板形成侵徹開(kāi)孔。3)侵徹中后期(A3)，彈身穿過(guò)靶板的開(kāi)孔過(guò)程，彈身與靶體的作用力較小，彈體速度基本保持不變。4)侵徹后期(A4)，彈體尾部與靶板的作用過(guò)程。在此階段，彈尾受到靶板上側(cè)給予的向下力，彈尾速度方向轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳碌乃俣?，彈體彈頭向下的速度減少。侵徹過(guò)程中，彈體在上側(cè)靶體作用力的影響下產(chǎn)生的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)角度較逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的大，從而導(dǎo)致彈體偏轉(zhuǎn)向下。在隨后的第2、3、4層靶侵徹過(guò)程中都有相同的趨勢(shì)。這樣就使得在整個(gè)侵徹過(guò)程中，彈體的侵徹彈道向下偏斜。

圖12 入射角20°彈體速度分量vy隨時(shí)間變化圖

彈體姿態(tài)變化以及回收試驗(yàn)彈體數(shù)據(jù)表明，本文采用的數(shù)值模擬方法、材料模型和參數(shù)、網(wǎng)格尺寸等，可用于模擬變形彈斜侵徹多層鋼板的計(jì)算，具有較高的可靠性。

3 彈靶參數(shù)對(duì)彈體侵徹多層間隔鋼靶彈道特性影響規(guī)律分析

基于第2節(jié)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析可知：本文所建彈體侵徹行為仿真方法可靠，能夠描述彈體侵徹多層鋼靶的作用過(guò)程，可以用來(lái)分析彈體斜侵徹多層鋼靶的彈道特性規(guī)律。相關(guān)研究結(jié)果表明[1,5-6,8-12]：影響彈道偏轉(zhuǎn)的因素有很多，其中主要有靶體厚度、彈體入射角、彈體速度、彈體侵蝕變形、彈體形狀等。為了進(jìn)一步研究彈體侵徹多層靶體的侵徹影響因素，下面將對(duì)彈體入射角、彈體初始速度、靶體厚度及彈體變形對(duì)彈道偏轉(zhuǎn)的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

3.1 入射角對(duì)侵徹多層鋼靶彈道的影響分析

為了進(jìn)一步研究彈體斜侵徹多層鋼靶彈道特性，對(duì)不同入射角彈體侵徹多層鋼靶作用過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得彈道偏轉(zhuǎn)角和剩余速度的變化規(guī)律。圖13所示為彈體入射角為40°時(shí)彈體侵徹仿真過(guò)程圖，從中可以看出，彈體侵徹多層鋼靶偏轉(zhuǎn)角度隨著侵徹層數(shù)增加而增加。

圖13 入射角40°下彈體侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)過(guò)程

不同入射角下彈體剩余速度v、姿態(tài)角變化θ與侵徹每層靶變化關(guān)系如圖14(a)、圖14(b)所示。從圖14中可以看出：隨著彈體入射角增大，彈體侵徹每層鋼靶后彈道向下偏轉(zhuǎn)角度逐漸增大，彈體剩余速度逐漸減小。隨著彈體入射角增大，彈體穿過(guò)靶板后耗能增大，彈體受力更加復(fù)雜，受到靶體垂直彈軸方向的力更大，從而使彈體剩余速度降低，偏轉(zhuǎn)角度增加。當(dāng)彈體入射角增大到40°時(shí)，彈體侵徹第4層鋼靶彈體出口已接近靶板底部；而且彈體頭部存在較大變形，彈體姿態(tài)向下偏轉(zhuǎn)角度比較明顯，同時(shí)靶板開(kāi)孔比較大。

圖14 不同入射角下彈體剩余速度與姿態(tài)角變化

3.2 初始撞擊速度對(duì)斜侵徹多層鋼靶彈道的影響分析

下面擬通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到彈體以入射角20°、不同初始撞擊速度侵徹多層鋼靶的結(jié)果，圖15所示為彈體初速撞擊速度v0為340 m/s下侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)軌跡。從圖15中可以看出，彈體在侵徹第3層鋼靶后姿態(tài)角發(fā)生較大變化，彈道向下產(chǎn)生較大偏斜，彈體軌跡偏離第4層靶板。不同初始撞擊速度下彈體剩余速度、姿態(tài)角變化與侵徹每層靶變化關(guān)系如圖16(a)、圖16(b)所示。從圖16中可以看出，隨著彈體初始撞擊速度增大，彈體彈道向下偏轉(zhuǎn)角度減小，速度對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響幅度伴隨著速度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。隨著速度的增加，彈體姿態(tài)角變化程度越小。當(dāng)初始速度增加時(shí)，彈體與靶體的接觸時(shí)間減少，靶體對(duì)彈體偏轉(zhuǎn)力作用時(shí)間減少，導(dǎo)致彈體侵徹靶體后偏轉(zhuǎn)角度減小。510 m/s速度與680 m/s彈體侵徹多層鋼靶后姿態(tài)角變化差別不大，表明速度達(dá)到一定值后，其對(duì)彈體侵徹彈道影響不大。而在低速條件下，彈體侵徹多層鋼靶時(shí)，彈體速度對(duì)彈道偏轉(zhuǎn)影響較大。

圖15 初速v0為340 m/s侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)

圖16 不同撞擊速度下彈體剩余速度與姿態(tài)角變化

3.3 靶體厚度對(duì)斜侵徹多層鋼靶彈道的影響分析

為進(jìn)一步探究靶體厚度對(duì)彈體侵徹彈道的影響規(guī)律，對(duì)彈體入射角20°以不同厚度(h=10 mm、h=20 mm、h=30 mm)侵徹多層鋼靶進(jìn)行仿真分析。圖17所示為h=30 mm侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)圖。從圖17中可以看出，彈體侵徹第3層靶板后，彈體整體飛出，無(wú)法侵徹到第4層靶板。圖18(a)、圖18(b)分別為彈體侵徹不同厚度靶體彈體剩余速度、彈體姿態(tài)角變化與侵徹靶體厚度變化關(guān)系圖。從圖18中可以看出，靶體厚度對(duì)侵徹多層鋼靶厚度彈道影響較大，隨著靶體厚度增加，彈體侵徹多層鋼靶彈道整體規(guī)律由向下偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)閺楏w整體向上偏轉(zhuǎn)。通過(guò)仿真過(guò)程分析發(fā)現(xiàn)其侵徹作用過(guò)程與薄板稍有不同。這是因?yàn)樵谇謴爻跗?，靶板沒(méi)有破碎導(dǎo)致在隨后的侵徹過(guò)程中彈體頭部下側(cè)與靶板作用時(shí)間增大，并且彈體頭部下側(cè)接觸域大于上側(cè)，接觸應(yīng)力也大，最終導(dǎo)致了彈體彈道向上偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，隨著靶體厚度的增加，彈體侵徹每一層靶體后彈體速度減少量會(huì)增加，導(dǎo)致彈體侵徹下一層靶體的剩余速度降低，從而導(dǎo)致彈體偏轉(zhuǎn)角度增加。因此，隨著靶體厚度的增加，彈體向上偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)越來(lái)越明顯，且靶體厚度對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響幅度隨靶體厚度增大呈增大趨勢(shì)，與馬兆芳等[5]、馮杰[17]開(kāi)展的彈體斜侵徹多層間隔靶試驗(yàn)研究結(jié)果一致。

圖17 斜侵徹厚度為30 mm的多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)過(guò)程

圖18 不同靶體厚度下彈體剩余速度與姿態(tài)角變化

3.4 彈體強(qiáng)度對(duì)斜侵徹多層鋼靶彈道的影響規(guī)律

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，彈體頭部變形是影響彈體侵徹性能和彈道偏轉(zhuǎn)的一個(gè)主要因素。為探索彈體變形對(duì)彈體侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)影響，開(kāi)展剛性彈體以680 m/s的速度、20°入射角侵徹多層鋼靶的數(shù)值模擬，圖19所示為剛性彈數(shù)值模擬侵徹過(guò)程圖。從圖19中可以分析出剛性彈體侵徹多層鋼靶過(guò)程中彈道整體向下偏轉(zhuǎn)，且彈道偏轉(zhuǎn)角度較小。

圖19 剛性彈侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)過(guò)程

圖20分別為剛性彈體與變形彈體侵徹多層靶板過(guò)程中彈體剩余速度、姿態(tài)角與侵徹每層靶變化關(guān)系圖。從圖20中可以看出，剛性彈體侵徹多層鋼靶過(guò)程中彈體速度衰減比變形彈體慢，變形彈體侵徹過(guò)程中動(dòng)能損耗大。通過(guò)對(duì)侵徹過(guò)程中彈道偏轉(zhuǎn)角度分析可知：剛性彈體在侵徹第1層與第2層鋼靶偏轉(zhuǎn)角度較小，侵徹第3層鋼靶后彈道偏轉(zhuǎn)角度增加，侵徹第4層鋼靶后彈道偏轉(zhuǎn)較??；與變形彈侵徹彈道相比，剛性彈體的侵徹彈道偏轉(zhuǎn)角度較小。

圖20 剛性彈及變形彈斜侵徹多層靶體的彈體剩余速度與姿態(tài)角變化

4 結(jié)論

本文開(kāi)展了30CrMnSiNi2A彈體侵徹多層間隔鋼靶試驗(yàn)研究，通過(guò)高速攝影系統(tǒng)記錄彈體的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)及彈道參數(shù)。采用LS-DYNA軟件建立了侵徹仿真模型，分析了彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)原因及彈道參數(shù)影響因素。研究結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。彈體入射角、彈體初始速度、靶體厚度和彈體強(qiáng)度對(duì)彈體斜侵徹多層鋼靶彈道偏轉(zhuǎn)有較大影響。得到主要結(jié)論如下：

1)彈體斜侵徹多層間隔鋼靶過(guò)程中，當(dāng)入射角為10°時(shí)穿過(guò)前3層鋼靶，彈體向下偏轉(zhuǎn)角度為1.7°；當(dāng)入射角為20°時(shí)，向下偏轉(zhuǎn)5°.表明彈體入射角越大，彈體斜侵徹多層鋼靶偏轉(zhuǎn)角度越大。

2)彈體入射角20°斜侵徹多層間隔鋼靶過(guò)程中，當(dāng)初速度為340 m/s時(shí)穿過(guò)前3層鋼靶，彈體向下偏轉(zhuǎn)角度為19.9°，當(dāng)初始速度分別為510 m/s與680 m/s時(shí)，彈體向下偏轉(zhuǎn)角度分別為6°與5°.表明彈體初始速度越大，其彈道偏轉(zhuǎn)角度越小，且速度對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響幅度隨速度的增大呈減少的趨勢(shì)。

3)彈體入射角為20°時(shí)斜侵徹多層鋼板過(guò)程中，當(dāng)鋼靶厚度為10 mm、20 mm時(shí)穿過(guò)前3層鋼靶，彈體向下偏轉(zhuǎn)角度分別為5°與1.8°；當(dāng)鋼靶厚度為30 mm時(shí)，彈體偏轉(zhuǎn)由向下轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏掀D(zhuǎn)，向上偏轉(zhuǎn)角度為8°，表明彈體隨著靶體厚度增加，彈道整體向下偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺楏w整體向上偏轉(zhuǎn)，靶體厚度對(duì)偏轉(zhuǎn)角的影響幅度隨靶體厚度增大呈增大趨勢(shì)。

4)剛性彈體入射角20°斜侵徹多層鋼靶時(shí)，穿過(guò)前3層鋼靶時(shí)彈體向下偏轉(zhuǎn)角度為3°，而變形彈向下偏轉(zhuǎn)為5°，表明剛性彈體彈道偏轉(zhuǎn)仍然向下偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角度較變形彈斜侵徹鋼靶偏轉(zhuǎn)角度小。