射彈參數(shù)對(duì)侵徹防護(hù)液艙效果的影響研究

黃陽洋，王志軍，趙鵬鐸，張 磊，張 鵬，王 慶

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

【彈藥工程】

射彈參數(shù)對(duì)侵徹防護(hù)液艙效果的影響研究

黃陽洋1,2，王志軍1，趙鵬鐸2，張 磊2，張 鵬1,2，王 慶1,2

(1. 中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

為研究射彈速度、長徑比、質(zhì)量對(duì)彈體侵徹能力的影響，利用AUTODYN軟件模擬了不同條件下銅質(zhì)射彈侵徹防護(hù)液艙的過程，分析比較了射彈剩余速度和侵徹深度。結(jié)果表明：在1 800～2 400 m/s速度區(qū)間內(nèi)，射彈速度越大，對(duì)液艙侵徹效果越差；提高射彈長徑比可有效增加侵徹效果；射彈質(zhì)量增加到某一臨界值前，也可有效提高侵徹效果。

防護(hù)液艙；銅射彈；剩余速度；侵徹深度

隨著反艦武器的快速發(fā)展，艦船面臨著更為嚴(yán)峻的生存壓力，大型水面艦艇多在舷側(cè)設(shè)置更多的防護(hù)層以抵御攻擊[1](如圖1)。

防護(hù)液艙可以吸收破片的動(dòng)能以減緩破片速度，從而降低其對(duì)艦船的毀傷效果。現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于此類問題的研究多集中在爆炸產(chǎn)生的不規(guī)則破片對(duì)防護(hù)液艙的侵徹作用。趙留平等[2]模擬了不同形狀的破片對(duì)液艙的侵徹效果，得出了球形破片的剩余速度比柱狀破片大得多的結(jié)論。沈曉樂等[3]研究了破片形狀對(duì)破片阻力系數(shù)的影響?？紫樯氐萚4]研究了艙內(nèi)液體中沖擊波的疊加效應(yīng)。但越來越多的反艦武器的戰(zhàn)斗部殼體采用特殊結(jié)構(gòu)，在戰(zhàn)斗部殼體周側(cè)安裝大錐角藥型罩或球缺罩，爆炸后產(chǎn)生質(zhì)量更大、速度更高、氣動(dòng)性更好的彈丸狀自鍛破片：射彈。德國的鸕茲Ⅰ、Ⅱ型均采用自鍛破片戰(zhàn)斗部以增大毀傷效果[5]。圖2即為周向組合式MEFP戰(zhàn)斗部[6]，其爆炸產(chǎn)生的射彈形狀大致為圓臺(tái)+半球狀。

圖1 艦艇舷側(cè)多層防護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 周向MEFP戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)圖

本文對(duì)形狀較為規(guī)則的超高速射彈侵徹防護(hù)液艙展開研究，模擬了不同初速、長徑比、質(zhì)量的射彈侵徹防護(hù)液艙的過程。通過分析比較仿真數(shù)據(jù)，提出了三者影響射彈侵徹防護(hù)液艙的一般規(guī)律。

1 模型建立

模型使用AUTODYN-2D軸對(duì)稱建模，如圖3。射彈、前后板均使用拉格朗日算法，可清晰表達(dá)材料的變形和邊界；水模型使用SPH算法。

射彈材料為被廣泛用作藥型罩的紫銅，狀態(tài)方程為Shock，強(qiáng)度模型為Steinberg Guinan,各參數(shù)同AUTODYN材料庫。水模型尺寸為400 mm×180 mm，狀態(tài)方程為Polynomial，參數(shù)同材料庫。前、后板尺寸均為10 mm×180 mm，以Vx=0的邊界條件固定上邊緣，材料為917鋼，選用Shock狀態(tài)方程和J-C強(qiáng)度模型，模型部分參數(shù)[7]為：A=341 MPa，B=692 MPa,C=0.029,n=0.64。

圖3 模型結(jié)構(gòu)

2 射彈初速度對(duì)侵徹效果的影響

為了研究初速度對(duì)射彈侵徹防護(hù)液艙的影響，固定射彈的質(zhì)量和長徑比。設(shè)計(jì)射彈尺寸為，小徑d=20 mm、大徑D=30 mm、長l=40 mm、質(zhì)量m=152.0 g、長徑比1.6。由于射彈的初速度比自然破片更大，約為2 100～2 400 m/s,甚至更高[5]。所以設(shè)計(jì)了4種初速度，分別為V1=1 800 m/s、V2=2 000 m/s、V3=2 200 m/s、V4=2 400 m/s。經(jīng)仿真，得出不同初速度下的剩余速度和侵徹深度與時(shí)間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 剩余速度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 侵深-時(shí)間關(guān)系曲線

根據(jù)上述曲線，射彈速度約為指數(shù)式衰減：先是在短時(shí)間內(nèi)銳減，且初速度越大，衰減越嚴(yán)重，后來衰減趨勢減緩。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有兩個(gè)，其一為防護(hù)液艙前板的阻擋作用，短時(shí)間內(nèi)使得射彈速度銳減；二是水的慣性作用，射彈穿透前板入水的瞬間，彈頭接觸區(qū)域的液體表現(xiàn)出巨大的慣性效應(yīng)，射彈的動(dòng)能快速轉(zhuǎn)化為水的動(dòng)能和勢能；隨著射彈速度的降低，射彈與接觸水域的速度梯度減小，慣性作用減弱，速度衰減放緩[8]。

磯部孝[9]將破片在水下運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù)視為常數(shù)，得出了破片水下侵徹阻力F，侵徹距離L和侵徹速度V的計(jì)算公式

F=CdρtAV2

(1)

(2)

(3)

式中：Cd表示水的阻力系數(shù);ρt為水的密度;A為破片迎流面積;m為破片質(zhì)量;V0為破片初速度。

根據(jù)式(2)、式(3)，剩余速度和侵深會(huì)隨初速度的增加而增加，但模擬結(jié)果卻并非如此，初速度增加，剩余速度和侵深反而下降。原因在于射彈阻力系數(shù)是變化的。射彈高速侵徹時(shí)，射彈頭部承受巨大壓縮應(yīng)力，速度越大壓應(yīng)力越大。當(dāng)應(yīng)力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，彈體會(huì)發(fā)生敦粗變形，增加迎流面積，阻力系數(shù)也相應(yīng)增加。當(dāng)初速度帶給剩余速度和侵深的增益小于由其導(dǎo)致的阻力系數(shù)的變化帶來的負(fù)面影響時(shí)，射彈侵徹能力就會(huì)下降。

3 射彈長徑比對(duì)侵徹效果的影響

固定射彈質(zhì)量為152.0 g，初速度為2 000 m/s，研究射彈長徑比對(duì)其侵徹液艙能力的影響。由于材料延伸率有限，銅材料形成自鍛破片的長徑比最大為3左右[10]，本文設(shè)計(jì)了4種長徑比，分別為1.6、2.2、2.8、3.5。其剩余速度變化如圖6，侵深變化如圖7。

圖6 剩余速度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖7 侵深-時(shí)間關(guān)系曲線

根據(jù)模擬結(jié)果，可以看出，射彈剩余速度和侵徹深度隨長徑比的增加而增加。由式(1)可知，彈頭受力大小與迎流面積成正比,長徑比越大，迎流面積越小，彈體敦粗變形越不明顯，由敦粗變形導(dǎo)致的阻力系數(shù)的變化對(duì)彈體的影響減弱，彈體加速度減小，剩余速度和侵深就會(huì)增加。但長徑比的選擇并非越大越好，需要綜合考量彈體材料，侵徹穩(wěn)定性，破孔直徑等因素。

4 射彈質(zhì)量對(duì)侵徹效果的影響

對(duì)比不同質(zhì)量的射彈侵徹防護(hù)液艙的效果，固定射彈的長徑比和初速度。射彈長徑比選擇為1.6，初速度選擇2 000 m/s。設(shè)計(jì)4種不同質(zhì)量的射彈，M1=77.9 g、M2=152.0 g、M3=202.3 g、M4=262.8 g。經(jīng)模擬，得到圖8所示的剩余速度曲線和圖9所 示的侵深曲線。

圖8 剩余速度-時(shí)間關(guān)系曲線

圖9 侵深-時(shí)間關(guān)系曲線

由模擬結(jié)果可以看出，質(zhì)量變化對(duì)射彈侵徹能力有顯著影響。在一定范圍內(nèi)質(zhì)量的增加可以有效提高剩余速度和侵徹深度；當(dāng)質(zhì)量超出某一極值時(shí)，又會(huì)大大降低射彈侵徹能力。

由式(2)、式(3)可知，剩余速度和侵徹深度與射彈質(zhì)量成正相關(guān)，與阻力系數(shù)和迎流面積負(fù)相關(guān)。長徑比不變的情況下，質(zhì)量增加會(huì)增加迎流面積，進(jìn)而增大侵徹阻力，彈體敦粗變形加劇，阻力系數(shù)也相應(yīng)變大。所以，當(dāng)質(zhì)量的增加對(duì)彈體侵徹能力的提升大于其“副產(chǎn)品”阻力系數(shù)增加帶來的消極增量時(shí)，侵徹能力就會(huì)增加，否則侵徹能力就會(huì)下降。

5 結(jié)論

高速射彈侵徹液艙是非常復(fù)雜的過程，影響因素眾多，目前還沒有完全成熟的理論來描述侵徹過程。計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真可以較為精確的模擬侵徹過程，為研究高速射彈侵徹防護(hù)液艙的一般規(guī)律提供參考：

1) 射彈初速度在1 800～2 400 m/s時(shí)，提高初速度反而會(huì)降低射彈的侵徹能力。

2) 增大射彈長徑比能有效提高射彈對(duì)防護(hù)液艙的侵徹效果，但長徑比的選擇并非越大越好，還要綜合材料因素、侵徹穩(wěn)定性、破孔孔徑要求等條件合理選擇。

3) 質(zhì)量的增加可以提升射彈侵徹能力，但存在一臨界值，質(zhì)量超出該值后反而會(huì)降低射彈侵徹能力。

4) 侵徹過程是多因素共同作用的結(jié)果，不同時(shí)期，不同因素占據(jù)主次位置。分析各因素在侵徹過程的不同時(shí)期的影響因子是總結(jié)侵徹規(guī)律的重要步驟。

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[10] 尹建平，王志軍.彈藥學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

EffectofProjectileParametersonPenetrationProtectionTank

HUANG Yangyang1,2，WANG Zhijun1， ZHAO Pengduo2，ZHANG Lei2， ZHANG Peng1,2， WANG Qing1,2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China， Taiyuan 030051, China; 2.Naval Academy of Armament， Beijing 100161, China)

In order to explore the effect of different initial velocity, slenderness ratio and mass, AUTODYN was used to simulate the process of copper projectile in various states. Residual velocity and penetration depth was analyzed and compared. Results as follows: Higher initial velocity make a worse impact when it between 1 800 m/s to 2 400 m/s;enhancement of slenderness ratio can improve the penetration obviously; increasing the mass before a critical value can also improve penetration.

safety liquid cabin; copper projectile; residual velocity; penetration depth

2017-09-06；

2017-09-27

黃陽洋(1991—)，男，碩士研究生，主要從事復(fù)合材料侵徹與防護(hù)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.021

本文引用格式：黃陽洋，王志軍，趙鵬鐸，等.射彈參數(shù)對(duì)侵徹防護(hù)液艙效果的影響研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):90-92,97.

formatHUANG Yangyang，WANG Zhijun， ZHAO Pengduo,et al.Effect of Projectile Parameters on Penetration Protection Tank [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):90-92,97.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0090-03

(責(zé)任編輯唐定國)