著靶姿態(tài)對半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過程的影響

侯曠怡，李可達，張新偉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

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【裝備理論與裝備技術】

著靶姿態(tài)對半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過程的影響

侯曠怡，李可達，張新偉

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

利用LS-DYNA對半穿甲戰(zhàn)斗部著靶時不同著角和攻角對穿甲過程的影響進行研究，進行了在著靶速度為2 Ma，靶厚為50 mm，著角、攻角分別為0°、10°、20°條件下的侵徹數(shù)值模擬。仿真結果證明，著靶時著角、攻角均對穿甲過程產(chǎn)生影響，且攻角的影響更大。

半穿甲戰(zhàn)斗部;攻角;著角

半穿甲反艦導彈是現(xiàn)代海戰(zhàn)中的主要武器，依靠自身動能、戰(zhàn)斗部殼體的結構強度和引信的延遲作用，穿透目標以后爆炸，形成沖擊波、破片殺傷、燃燒等二次毀傷效應[1]。在半穿甲戰(zhàn)斗部實際的作戰(zhàn)條件下，由于導彈總體需求或飛行控制等多方面因素的影響，導彈著靶時通常不為垂直正侵徹狀態(tài)，其著靶姿態(tài)存在一定隨機性。不同的著靶姿態(tài)，半穿甲戰(zhàn)斗部對靶板的作用結果會產(chǎn)生差別。導彈的著靶姿態(tài)一般包括導彈的攻角和著角，這兩個角度的變化對彈體的過載、速度等方面都會產(chǎn)生影響[2-8]。

1 數(shù)學模型

攻角是指導彈速度矢量在縱向對稱面上的投影與導彈縱軸之間的夾角；著角是指彈體速度矢量與靶板法線之間的夾角，如圖1所示。

圖1 戰(zhàn)斗部侵徹著靶示意

當戰(zhàn)斗部以速度v0碰撞厚度為h0的鋼靶時，其傾角為θc，擊穿鋼靶后戰(zhàn)斗部剩余速度為vn。假設鋼靶對戰(zhàn)斗部的平均阻力為FA，根據(jù)能量方程可得：

(1)

式中:M為戰(zhàn)斗部質(zhì)量；H為彈頭部長度[2]。

由此式可得平均阻力FA

(2)

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型

本研究采用LS-DYNA進行數(shù)值仿真計算，采用turegrid進行有限元網(wǎng)格建模，圖2為戰(zhàn)斗部穿甲有限元模型。其中戰(zhàn)斗部著靶速度為2 Ma，鋼靶厚度為50 mm，裝藥采用JOHNSON_COOK的本構模型，殼體、端蓋、靶板均采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料模型，采用拉格朗日算法，殼體與鋼靶間定義為侵蝕接觸，靶板定義面對稱和無反射邊界，彈體定義為面對稱，采用cm-g-μs單位制。

圖2 戰(zhàn)斗部侵徹50 mm厚鋼靶有限元網(wǎng)格模型

彈體、裝藥、靶板力學性能參數(shù)見表1所示。

表1 彈體和靶板力學性能參數(shù)

2.2 初始條件

所計算工況如表2所示。

2.3 著角對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程的影響

戰(zhàn)斗部以2 Ma初速分別以0°、10°、20°著角(零攻角)撞擊50 mm厚鋼靶的結果如圖3所示。3種工況的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時間變化的對比分別如圖4～圖7。

表2 計算工況

圖3 著角分別為0°、10°、20°時，貫穿后彈丸和靶板情況

圖4 著角分別為0°、10°、20°時，彈體速度變化曲線

圖5 著角分別為0°、10°、20°時，彈體加速度變化曲線

圖7 著角分別為0°、10°、20°時，端蓋加速度變化曲線

通過上述仿真結果的對比可以看出：

1) 在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的著角侵徹50 mm靶板時，20°著角以內(nèi)，著角對彈體速度隨時間的變化影響不大；

2) 通過加速度變化結果顯示，著角越大的情況下，彈體、裝藥、端蓋所承受的過載也越大，其中端蓋所承受過載變化最為明顯；

3) 在真實的戰(zhàn)斗部結構中，端蓋后應是安裝引信的位置，所以在引信的設計過程中，應該對著角的影響進行考慮。

2.4 攻角對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程的影響

戰(zhàn)斗部以2Ma初速分別以0°、10°、20°攻角(0°著角)撞擊50 mm厚鋼靶的情況如圖8所示。3種工況的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時間變化的對比分別如圖9～圖12。

圖8 攻角分別為0°、10°、20°時，貫穿后彈丸和靶板情況

圖9 攻角分別為0°、10°、20°時，彈體速度變化曲線

圖10 攻角分別為0°、10°、20°時，彈體加速度變化曲線

圖11 攻角分別為0°、10°、20°時，裝藥加速度變化曲線

圖12 攻角分別為0°、10°、20°時，端蓋加速度變化曲線

通過上述仿真結果的對比可以看出在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的攻角侵徹50 mm靶板時，20°攻角以內(nèi)：

1) 隨著攻角的增大，戰(zhàn)斗部開口的面積也就越大；

2) 攻角對彈體速度隨時間的變化影響較大，攻角越大，剩余速度越小，也就是說穿過靶板所需要的極限速度越大，且隨著攻角的增大，極限速度增大的趨勢越明顯；

3) 通過加速度變化結果顯示，攻角越大的情況下，彈體、裝藥、端蓋所承受的過載也越大。且在整個穿甲過程中，有攻角與零攻角對比的情況下，過載相差巨大，某些時段達到幾個數(shù)量級；而在同樣具有攻角的10°和20°的情況下，過載的差異較小。所以在戰(zhàn)斗部形式為半穿甲戰(zhàn)斗部的導彈總體設計過程中，應盡量避免攻角的產(chǎn)生。

2.5 著角與攻角對半穿甲戰(zhàn)斗部侵徹過程的影響對比

戰(zhàn)斗部以2Ma初速分別以10°、20°攻角，10°、20°著角撞擊50 mm厚鋼靶的彈體速度、彈體加速度、裝藥加速度、端蓋加速度隨時間變化的對比分別如圖13～圖16。

圖13 著角攻角對彈體速度的影響

圖14 著角攻角對彈體加速度的影響

圖15 著角攻角對裝藥加速度的影響

圖16 著角攻角對端蓋加速度的影響

通過上述仿真結果的對比可以看出在半穿甲戰(zhàn)斗部以不同的攻角侵徹50 mm靶板時：① 著角、攻角都對戰(zhàn)斗部的速度和過載產(chǎn)生影響，其中，攻角影響較大；② 通過對比可以看出，在過載方面，存在著角的過載曲線，一般只有一個峰值；而存在攻角的過載曲線，會出現(xiàn)兩個峰值，這一現(xiàn)象在端蓋的過載曲線上體現(xiàn)的尤為明顯。

3 結論

通過5個工況的仿真對比，主要結論有：① 著角、攻角的存在都會對半穿甲戰(zhàn)斗部的穿甲過程產(chǎn)生影響，其中著角影響較小，攻角的影響較大。② 隨著著角和攻角的增大，相同靶板對同一戰(zhàn)斗部的極限速度要求也在增大，同時對戰(zhàn)斗部抗過載能力的要求也在增加。③ 由于攻角對裝藥和端蓋的過載影響較大，所以在戰(zhàn)斗部和引信的設計中，應考慮攻角對裝藥安定性和引信可靠性的影響。

[1] 徐松林，姚江濤.國外?；磁瀸棏?zhàn)斗部現(xiàn)狀及展望[J].國防科技,2011(5):15-19.

[2] 蔣浩征,蘭庭,漢文.火箭戰(zhàn)斗部設計原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，1982.

[3] 北京工業(yè)學院八系爆炸及其作用編寫組.爆炸及其作用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1979.

[4] 段建,周剛.半穿甲彈設計及穿甲實驗研究[J].實驗力學,2011(26):383-390.

[5] 藍嶺.“尼米茲”級航母抗毀傷能力深化研究[J].魚雷技術,2002,10(3):8-13.

[6] 田杰,胡時勝.G50鋼動態(tài)力學性能的實驗研究[J].工程力學,2006,23(6):107-109.

[7] 王可慧、張穎.G50鋼的力學性能實驗研究[J].兵工學報,2009,30(2):247-250.

[8] 李忠星,王少龍.半穿甲彈侵徹過程中殼體強度的數(shù)值分析[J].彈箭與制導學報,2009,29(8):109-112.

(責任編輯 周江川)

Influence of Hitting Attitude in Armor-Piercing Process

HOU Kuang-yi, LI Ke-da, ZHANG Xin-wei

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

The influence of the landing angle and attacking angle for the penetrating process was studied by LS-DYNA when the semi armor piercing warhead. The simulation of penetration was carried out when the landing velocity is 2 Ma, the thickness of target is 50 mm, and the attacking angle is 0, 10 and 20 degree. The results of simulation indicate that the landing angle and attacking angle both have influence on the penetrating process and the attacking angle is larger.

semi armor-piercing warhead; attacking angle; landing angle

2016-11-18；

2016-12-25 作者簡介：侯曠怡(1987—)，男，工程師，主要從事戰(zhàn)斗部設計和目標毀傷評估研究。

10.11809/scbgxb2017.04.013

侯曠怡，李可達，張新偉.著靶姿態(tài)對半穿甲戰(zhàn)斗部穿甲過程的影響[J].兵器裝備工程學報，2017(4):59-62.

format:HOU Kuang-yi, LI Ke-da, ZHANG Xin-wei.Influence of Hitting Attitude in Armor-Piercing Process[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):59-62.

TJ413.+2

A

2096-2304(2017)04-0059-04