旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈的毀傷效應(yīng)分析*

付 超，錢建平，牛公杰

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

0 引言

在主動防護(hù)系統(tǒng)的研究中，如何防御、攔截動能穿甲彈，主要是尾翼穩(wěn)定桿式脫殼穿甲彈，是一個(gè)特殊的領(lǐng)域。與反坦克導(dǎo)彈和火箭彈不同，動能穿甲彈飛行速度很高，大多采用貧鈾或鎢合金材料制造，依靠目前主動防護(hù)系統(tǒng)的對抗彈藥爆炸形成的破片不能有效對付它們[1]。當(dāng)前各國正在研究的對抗技術(shù)包括：利用爆炸沖擊波沖擊穿甲彈體、發(fā)射大質(zhì)量飛盤撞擊穿甲彈體等[2]。文中提出了一種旋飛毀傷盤，通過迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊兩種方式對桿式穿甲彈進(jìn)行攔截、毀傷。

1 旋飛毀傷盤的作用方式

旋飛毀傷盤由本體圓盤和安裝在本體上的8根刀桿組成，如圖1所示，通過高速撞擊桿式穿甲彈使其折彎和損傷，并偏轉(zhuǎn)其飛行方向，從而降低其侵徹威力。

旋飛毀傷盤旋與桿式穿甲彈遭遇時(shí)主要有以下兩種形式：一是旋飛毀傷盤的本體圓盤與桿式穿甲彈迎面撞擊，如圖2(a)所示;二是桿式穿甲彈從旋飛毀傷盤刀桿間飛過，高速旋轉(zhuǎn)的飛盤利用刀桿對桿式穿甲彈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)側(cè)擊，如圖2(b)所示。

圖1 旋飛毀傷盤

2 影響桿式穿甲彈威力的因素

2.1 著靶速度

桿式穿甲彈的侵徹威力與著靶速度密切相關(guān)。圖3所示為鋼彈和鎢合金彈對半無限鋼靶碰擊的相對侵徹深度L/l與碰擊速度v0/c(c=5950m/s為鋼的彈性波速)關(guān)系[3]。

圖2 旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈的作用方式

從圖3看出，無論是鋼彈還是鎢彈，侵徹深度與著靶速度的關(guān)系曲線基本為拉長的S型，曲線在1000m/s＜v0＜2000m/s范圍內(nèi)變化較陡。目前桿式穿甲彈的著靶速度約為1500～1700m/s，正處于曲線的變化劇烈區(qū)，這表明即使桿式穿甲彈的著靶速度有少量降低，其侵徹深度也將會降低許多。

圖3 鋼、鎢彈在半無限靶中的侵徹深度

2.2 著靶攻角

著靶攻角是影響桿式穿甲彈侵徹深度的另一個(gè)重要因素。圖4是直徑d=6.5mm、長細(xì)比λ=30的鎢合金桿彈以1500m/s的著靶速度侵徹鋼靶時(shí)，侵徹深度隨著靶攻角變化的曲線[3]。

從圖4中看出，當(dāng)攻角δ＞2°之后，侵徹深度隨攻角的增大而顯著下降。故通過撞擊桿式穿甲彈，增大其著靶時(shí)的攻角，可以降低其侵徹深度。

圖4 鎢合金桿λ=30有攻角侵徹鋼靶

2.3 其他

若桿式穿甲彈的彈體在外力作用下發(fā)生了彎曲變形或者損傷，都將惡化彈體在侵徹過程中的受力情況，降低其侵徹深度。

3 旋飛毀傷盤對穿甲彈的毀傷效應(yīng)

假設(shè)旋飛毀傷盤驅(qū)動裝置安裝于坦克頂部兩側(cè)，需要在距坦克10m外攔截桿式穿甲彈，則旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈的遭遇夾角約為12°。建立在此遭遇夾角時(shí)，旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈進(jìn)行迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊的LS-DYNA有限元仿真模型，并在模型中建立一個(gè)半無限靶，以評估桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤作用后剩余的侵徹能力。

3.1 有限元模型

桿式穿甲彈彈芯直徑24mm，桿長700mm，材料為鎢合金。旋飛毀傷盤直徑100mm，厚度30mm，刀桿長×寬×高 =60mm×20mm×20mm，飛盤質(zhì)量3.5kg，材料為 35CrMnSi。靶板模型直徑 300mm，厚度1000mm，材料為裝甲鋼。

表1 材料參數(shù)

采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)單元對旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及裝甲鋼靶板劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為2mm，并將靶板中心直徑100mm范圍內(nèi)的網(wǎng)格加密，網(wǎng)格邊長為1mm。設(shè)置靶板底面與圓周面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為透射邊界，以模擬出半無限靶的狀態(tài)。采取拉格朗日算法進(jìn)行有限元計(jì)算，將旋飛毀傷盤和桿式穿甲彈之間、桿式穿甲彈與靶板之間均定義為面－面侵蝕接觸。由于撞擊和侵徹過程為大變形、高應(yīng)變率的問題，故選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程，旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及靶板的材料參數(shù)見表 1[4]。

3.2 毀傷結(jié)果及效應(yīng)分析

為了研究旋飛毀傷盤的速度、轉(zhuǎn)速對攔截桿式穿甲彈效果的影響，按以下幾種情況進(jìn)行LS-DYNA有限元仿真：①迎面撞擊方式下，旋飛毀傷盤的轉(zhuǎn)速為15000r/min，速度分別取 300m/s、400m/s、500m/s;②旋轉(zhuǎn)側(cè)擊方式下，旋飛毀傷盤的速度為400m/s，轉(zhuǎn)速分別取 10000r/min、15000r/min、20000r/min。桿式穿甲彈的速度均為1500m/s。

圖5是利用LS-DYNA有限元仿真得到的旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈撞擊過程中0.15ms時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)云圖。迎面正碰時(shí)，桿式穿甲彈從旋飛毀傷盤的本體中間侵徹穿過，在巨大的迎面撞擊力下發(fā)生彎曲變形，從圖5中還可以看到彈體被旋飛毀傷盤撞擊時(shí)產(chǎn)生了飛散的小碎片。旋轉(zhuǎn)側(cè)擊時(shí)，旋飛毀傷盤主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的刀桿撞擊桿式穿甲彈，造成桿式穿甲彈的彎曲變形和偏斜。

圖5 旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈撞擊各時(shí)刻應(yīng)力狀態(tài)

3.2.1 折彎、損傷穿甲彈

細(xì)長的桿式穿甲彈在旋飛毀傷盤的迎面撞擊或刀桿旋轉(zhuǎn)側(cè)擊的作用下很容易被折彎，圖6是通過LS-DYNA有限元仿真計(jì)算的桿式穿甲彈變形結(jié)果。從圖中可以看出，桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤的迎面撞擊或旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后都發(fā)生了不同程度的彎曲變形，并且彈體頭部也均被旋飛毀傷盤撞斷。

圖6 桿式穿甲彈遭遇撞擊后的彈體塑性變形

對比幾種不同撞擊條件下的結(jié)果，還能發(fā)現(xiàn)旋飛毀傷盤的速度和轉(zhuǎn)速越高，桿式穿甲彈的彎曲變形越大。發(fā)生彎曲變形、頭部損傷的桿式穿甲彈氣動力及飛行穩(wěn)定性都將受到影響，在侵徹過程中也會惡化受力狀態(tài)。

3.2.2 造成脫靶

旋飛毀傷盤的迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊，不僅使桿式穿甲彈彎曲變形，還造成穿甲彈發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn)，圖7是桿式穿甲彈在撞擊過程中的軸向速度及偏轉(zhuǎn)速度變化曲線，表2中列出了桿式穿甲彈在被撞擊后的偏轉(zhuǎn)角度。

圖7 桿式穿甲彈碰撞過程中軸向速度、偏轉(zhuǎn)速度的變化

從圖7中可以看出，經(jīng)過旋飛毀傷盤的迎面撞擊或旋轉(zhuǎn)側(cè)擊，桿式穿甲彈的軸向速度均有不同程度下降，并獲得一定的偏轉(zhuǎn)速度。旋飛毀傷盤的速度越高，桿式穿甲彈的軸向速度下降越大;旋飛毀傷盤的轉(zhuǎn)速越高，桿式穿甲彈的偏轉(zhuǎn)速度越大。旋飛毀傷盤迎面撞擊時(shí)，旋飛毀傷盤速度為300m/s時(shí)對桿式穿甲彈的影響較小，使其軸向速度降低了約60m/s，偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到80m/s左右;旋飛毀傷盤速度為500m/s時(shí)對桿式穿甲彈的影響較大，使其軸向速度降低了約150m/s，偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到160m/s左右。在旋轉(zhuǎn)側(cè)擊作用下，旋飛毀傷盤轉(zhuǎn)速為10000r/min時(shí)對桿式穿甲彈的影響較小，使其軸向速度降低了約25m/s，偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到75m/s左右;旋飛毀傷盤轉(zhuǎn)速為20000r/min時(shí)對桿式穿甲彈的影響較大，使其軸向速度降低了約75m/s，偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到120m/s左右。

表2 桿式穿甲彈撞擊后的偏轉(zhuǎn)角度

按照桿式穿甲彈在距坦克10m處與旋飛毀傷盤發(fā)生碰撞，假設(shè)碰撞后的桿式穿甲彈按撞擊后的軸向速度、偏轉(zhuǎn)速度及偏轉(zhuǎn)角度，穩(wěn)定的直線飛向坦克。那么被旋飛毀傷盤迎面碰撞后的桿式穿甲彈達(dá)到坦克時(shí)最小偏轉(zhuǎn)位移達(dá)到0.6m，最大能達(dá)到1.2m;被旋飛毀傷盤旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后的桿式穿甲彈達(dá)到坦克時(shí)最小偏轉(zhuǎn)位移達(dá)到0.5m，最大能達(dá)到0.9m。若再考慮桿式穿甲彈彎曲變形后的氣動力、飛行穩(wěn)定性等性能指標(biāo)大大降低的影響，那么被旋飛毀傷盤撞擊后的桿式穿甲彈脫靶的概率將更大。

3.2.3 降低侵徹威力

利用LS-DYNA有限元軟件仿真計(jì)算了桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后侵徹半無限裝甲鋼靶板的情況如圖8所示。

圖8中的半剖視圖(a)是桿式穿甲彈在不受到任何干擾、撞擊而直接垂直侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下，桿式穿甲彈的侵徹深度約570mm，彈坑與入侵面基本垂直，這些均與實(shí)際情況相符。半剖視圖(b)是桿式穿甲彈被旋飛毀傷盤以400m/s的速度和15000r/min的轉(zhuǎn)速迎面撞擊后再侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下，侵徹深度明顯降低，深度約為280mm，并且坑道傾斜明顯，形狀不規(guī)則，坑道口部直徑要大于彈丸直徑。半剖視圖(c)是桿式穿甲彈被旋飛毀傷盤以400m/s的速度和15000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后再侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下，侵徹深度也降低了不少，深度約為410mm，彈坑有約5°的傾斜。因此，可說明旋飛毀傷盤的迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊都將使得桿式穿甲彈的侵徹能力大大降低。

圖8 穿甲彈在不同情況下對半無限靶板的侵徹

4 結(jié)論

通過分析旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈的作用方式，并對旋飛毀傷盤以不同速度、轉(zhuǎn)速撞擊桿式穿甲彈的過程進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析，可得出以下結(jié)論：

1)旋飛毀傷盤能造成桿式穿甲彈在一定程度上脫靶，旋飛毀傷盤的速度、轉(zhuǎn)速越高，造成桿式穿甲彈的偏轉(zhuǎn)越大，撞擊后的桿式穿甲彈脫靶概率越大;

2)旋飛毀傷盤的撞擊會造成桿式穿甲彈彎曲變形、彈頭損傷等，并使桿式穿甲彈發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增大著靶攻角，這些影響都能有效降低桿式穿甲彈的侵徹威力;

3)考慮到驅(qū)動裝置膛線的強(qiáng)度及導(dǎo)旋自鎖角，旋飛毀傷盤在較低線速度時(shí)不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)時(shí)可選擇旋飛毀傷盤的線速度為400m/s、轉(zhuǎn)速為15000r/min，這樣既能滿足驅(qū)動要求，又能保證對桿式穿甲彈有較好的攔截、毀傷效果。

[1]張衛(wèi)東.國外裝甲車輛主動防護(hù)系統(tǒng)發(fā)展[J].國外坦克，2008(2)：7－14.

[2]王慶明.戰(zhàn)車的保護(hù)神——主動防護(hù)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代軍事，2004(3)：38－40.

[3]趙國志.穿甲工程力學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992.

[4]時(shí)黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進(jìn)行顯示動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]鄧啟斌，夏智勛，王成學(xué)，等.電磁發(fā)射攔截系統(tǒng)攔截效應(yīng)仿真[J].彈道學(xué)報(bào)，2008，20(3)：49－52.