攻角影響戰斗部侵徹效應數值模擬分析*

張學倫，皮愛國，劉宗偉，毛 川

（1重慶紅宇精密工業有限責任公司，重慶 402760;2北京理工大學，北京 100081）

圖1 彈體著靶姿態示意圖

0 引言

目前，鉆地戰斗部對混凝土類硬目標侵徹效應的試驗及理論研究大多局限于正侵徹［1－5］，對有初始攻角時侵徹效應的研究還不夠系統和深入［6－7］。然而，由于導彈制導的調姿作用，以及彈體飛行的不穩定性，戰斗部在侵徹目標時彈軸與速度方向V通常都存在如圖1所示的夾角（即初始攻角），這是單一動能戰斗部和隨進戰斗部工程設計時必須要分析和解決的問題。文中利用LS-DYNA 3D有限元程序，分析了初始攻角對戰斗部侵徹效應的影響。

1 數值模擬方法

戰斗部侵徹混凝土的二分之一仿真模型如圖2所示，其中圖2（a）用于模擬和分析初始攻角對單一動能戰斗部侵徹效應的影響，圖2（b）在混凝土內部沿彈軸方向預設了孔徑為0.5倍彈徑的通孔，用于模擬和分析初始攻角對隨進戰斗部侵徹效應的影響。圖2（a）的靶標厚度為100cm，圖2（b）的靶標厚度為200cm，戰斗部的侵徹速度均為240m/s。混凝土靶標、戰斗部殼體、裝填炸藥等網格均采用拉格朗日算法，殼體和混凝土采用侵蝕接觸，殼體采用Johnson-Cook模型，裝填物采用彈性模型，混凝土采用JHC模型。殼體材料參數列于表1，單一動能戰斗部的混凝土材料參數見文獻［8］，隨進侵徹戰斗部的預損傷混凝土材料參數見文獻［9］。

圖2 仿真模型

表1 戰斗部殼體材料參數 單位:cm-g-μs

2 攻角對單一動能侵徹戰斗部侵徹效應影響

圖3 0°時侵徹速度時間歷程曲線

圖4 3°時侵徹效應數值模擬結果

2.1 攻角為0°

初始攻角為0°時，速度方向和彈軸方向均垂直靶面（即正侵徹）的侵徹速度時間歷程曲線如圖3所示，戰斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標后，剩余速度約 75m/s，剩余動能為10%。

2.2 攻角為3°

戰斗部速度方向垂直靶面，攻角為3°時的仿真結果如圖4所示。戰斗部以3°攻角在侵徹混凝土靶標的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，但彈道偏轉逐漸增大，然后因偏轉力矩的存在，導致新的攻角產生和彈道偏轉方向的轉變。戰斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標后的剩余速度為54m/s，剩余動能為初始動能的約5%，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約5%。

2.3 攻角為9°

戰斗部速度方向垂直靶面，攻角為9°時的仿真結果如圖5所示。戰斗部以9°攻角侵徹混凝土靶標的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸0，但彈道偏轉逐漸增大，然后因偏轉力矩的存在，導致新的攻角產生和彈道偏轉方向的改變。戰斗部貫穿1.0m厚混凝土靶標后的剩余速度為27m/s，剩余動能為初始動能的約1.3%，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約8.7%。

3 攻角對隨進戰斗部侵徹效應影響

圖5 9°時侵徹效應數值模擬結果

圖6 0°時隨進侵徹效應數值模擬結果

3.1 攻角為0°

攻角為0°時，前級侵孔中心線與后級彈體軸線及速度方向一致時（即正侵徹）的仿真結果如圖6所示。由于預侵孔混凝土的不均勻性，后級彈體以 0°攻角侵徹有預置孔的混凝土靶標的過程中仍然發生了輕微的彈道偏轉，戰斗部的侵徹深度為1.6m。

3.2 攻角為3°

預置侵孔軸線與彈體軸線方向一致、攻角為3°、彈著靶點距離孔洞中心設置2.9cm（考慮前級戰斗部炸高的影響）時的仿真結果如圖7所示。后級彈體在侵徹有預置侵孔混凝土靶標的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，然后因偏轉力矩的存在，導致新的攻角產生。由侵徹彈體的軌跡線可知，因彈體兩側的阻力存在差異，使彈體在侵徹過程中發生多次彈道偏轉。后級彈體的隨進侵徹深度為1.48m，比0°攻角（即正侵徹）情況降低約7%。

圖7 3°時隨進侵徹效應數值模擬結果

3.3 攻角為9°

侵徹孔中心線與彈體軸線方向一致、攻角為9°、彈著靶點距離孔洞中心8.7cm時的仿真結果如圖8所示。后級彈體以9°攻角在侵徹有預置孔混凝土靶標的過程中，攻角在侵徹早期逐漸歸零，但由于大攻角情況下的不對稱載荷和偏轉力矩過大，使彈道很快發生較大偏轉，導致后級彈體在橫向侵徹時消耗了大量的動能，大大降低了其隨進能力，彈體的隨進侵徹深度僅為1.12m，比0°攻角情況降低了約30%。

圖8 3°時隨進侵徹效應數值模擬

4 結論

利用LS-DYNA 3D非線性動力學仿真軟件，采用二分之一仿真模型分析了初始攻角對單一動能侵徹戰斗部及隨進侵徹戰斗部侵徹效應的影響。主要結論有:

1）初始攻角會使單一動能侵徹戰斗部在侵徹過程中的橫向載荷不再對稱，從而導致彈道發生偏轉，降低其終點侵徹效應。當攻角為3°時，侵徹效應降低約5%;當攻角為9°時，侵徹效應降低約8.7%。

2）初始攻角會使隨進侵徹戰斗部的后級隨進彈體在侵徹過程中的橫向載荷不再對稱，從而導致彈道較大偏轉，降低其侵徹效應。初始攻角對隨進戰斗部終點侵徹效應影響相對更大，當攻角為3°時，隨進侵徹效應降低約7%;當攻角為9°時，隨進侵徹效應降低約30%。

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