旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈的毀傷效應分析*

付 超，錢建平，牛公杰

(南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

在主動防護系統的研究中，如何防御、攔截動能穿甲彈，主要是尾翼穩定桿式脫殼穿甲彈，是一個特殊的領域。與反坦克導彈和火箭彈不同，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，依靠目前主動防護系統的對抗彈藥爆炸形成的破片不能有效對付它們[1]。當前各國正在研究的對抗技術包括：利用爆炸沖擊波沖擊穿甲彈體、發射大質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側擊兩種方式對桿式穿甲彈進行攔截、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，高速旋轉的飛盤利用刀桿對桿式穿甲彈進行旋轉側擊，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。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系曲線基本為拉長的S型，曲線在1000m/s＜v0＜2000m/s范圍內變化較陡。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，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重要因素。圖4是直徑d=6.5mm、長細比λ=30的鎢合金桿彈以1500m/s的著靶速度侵徹鋼靶時，侵徹深度隨著靶攻角變化的曲線[3]。

從圖4中看出，當攻角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

假設旋飛毀傷盤驅動裝置安裝于坦克頂部兩側，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，旋飛毀傷盤對桿式穿甲彈進行迎面撞擊和旋轉側擊的LS-DYNA有限元仿真模型，并在模型中建立一個半無限靶，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

采用SOLID164八節點單元對旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及裝甲鋼靶板劃分網格，網格邊長為2mm，并將靶板中心直徑100mm范圍內的網格加密，網格邊長為1mm。設置靶板底面與圓周面上的網格節點為透射邊界，以模擬出半無限靶的狀態。采取拉格朗日算法進行有限元計算，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、高應變率的問題，故選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態方程，旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及靶板的材料參數見表 1[4]。

3.2 毀傷結果及效應分析

為了研究旋飛毀傷盤的速度、轉速對攔截桿式穿甲彈效果的影響，按以下幾種情況進行LS-DYNA有限元仿真：①迎面撞擊方式下，旋飛毀傷盤的轉速為15000r/min，速度分別取 300m/s、400m/s、500m/s;②旋轉側擊方式下，旋飛毀傷盤的速度為400m/s，轉速分別取 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時刻的應力狀態云圖。迎面正碰時，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產生了飛散的小碎片。旋轉側擊時，旋飛毀傷盤主要是依靠高速旋轉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刻應力狀態

3.2.1 折彎、損傷穿甲彈

細長的桿式穿甲彈在旋飛毀傷盤的迎面撞擊或刀桿旋轉側擊的作用下很容易被折彎，圖6是通過LS-DYNA有限元仿真計算的桿式穿甲彈變形結果。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側擊后都發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果，還能發現旋飛毀傷盤的速度和轉速越高，桿式穿甲彈的彎曲變形越大。發生彎曲變形、頭部損傷的桿式穿甲彈氣動力及飛行穩定性都將受到影響，在侵徹過程中也會惡化受力狀態。

3.2.2 造成脫靶

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

圖7 桿式穿甲彈碰撞過程中軸向速度、偏轉速度的變化

從圖7中可以看出，經過旋飛毀傷盤的迎面撞擊或旋轉側擊，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;旋飛毀傷盤的轉速越高，桿式穿甲彈的偏轉速度越大。旋飛毀傷盤迎面撞擊時，旋飛毀傷盤速度為300m/s時對桿式穿甲彈的影響較小，使其軸向速度降低了約60m/s，偏轉速度達到80m/s左右;旋飛毀傷盤速度為500m/s時對桿式穿甲彈的影響較大，使其軸向速度降低了約150m/s，偏轉速度達到160m/s左右。在旋轉側擊作用下，旋飛毀傷盤轉速為10000r/min時對桿式穿甲彈的影響較小，使其軸向速度降低了約25m/s，偏轉速度達到75m/s左右;旋飛毀傷盤轉速為20000r/min時對桿式穿甲彈的影響較大，使其軸向速度降低了約75m/s，偏轉速度達到120m/s左右。

表2 桿式穿甲彈撞擊后的偏轉角度

按照桿式穿甲彈在距坦克10m處與旋飛毀傷盤發生碰撞，假設碰撞后的桿式穿甲彈按撞擊后的軸向速度、偏轉速度及偏轉角度，穩定的直線飛向坦克。那么被旋飛毀傷盤迎面碰撞后的桿式穿甲彈達到坦克時最小偏轉位移達到0.6m，最大能達到1.2m;被旋飛毀傷盤旋轉側擊后的桿式穿甲彈達到坦克時最小偏轉位移達到0.5m，最大能達到0.9m。若再考慮桿式穿甲彈彎曲變形后的氣動力、飛行穩定性等性能指標大大降低的影響，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有限元軟件仿真計算了桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤迎面撞擊和旋轉側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束時刻的應力分布云圖。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的轉速迎面撞擊后再侵徹裝甲鋼靶板結束時刻的應力分布云圖。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的轉速旋轉側擊后再侵徹裝甲鋼靶板結束時刻的應力分布云圖。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側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、轉速撞擊桿式穿甲彈的過程進行有限元仿真計算分析，可得出以下結論：

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、轉速越高，造成桿式穿甲彈的偏轉越大，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，并使桿式穿甲彈發生偏轉，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)考慮到驅動裝置膛線的強度及導旋自鎖角，旋飛毀傷盤在較低線速度時不能達到很高的轉速，設計時可選擇旋飛毀傷盤的線速度為400m/s、轉速為15000r/min，這樣既能滿足驅動要求，又能保證對桿式穿甲彈有較好的攔截、毀傷效果。

[1]張衛東.國外裝甲車輛主動防護系統發展[J].國外坦克，2008(2)：7－14.

[2]王慶明.戰車的保護神——主動防護系統[J].現代軍事，2004(3)：38－40.

[3]趙國志.穿甲工程力學[M].北京：兵器工業出版社，1992.

[4]時黨勇，李裕春，張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA 8.1進行顯示動力分析[M].北京：清華大學出版社，2005.

[5]鄧啟斌，夏智勛，王成學，等.電磁發射攔截系統攔截效應仿真[J].彈道學報，2008，20(3)：49－52.