高速動能體對飛機(jī)毀傷數(shù)值仿真

趙汝巖，盧洪義，朱 敏

(海軍航空工程學(xué)院 a.7系;b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001)

高速動能體為惰性破片，不含引燃成分，與目標(biāo)作用后不會釋放化學(xué)能。對飛機(jī)的毀傷包括穿孔、切割、引燃和引爆幾種，對飛機(jī)作戰(zhàn)性能會產(chǎn)生影響。被高速動能體沖擊的對象，可抽象成為靶板，此類問題屬于非線性的瞬態(tài)侵徹響應(yīng)問題，目前廣泛的采用數(shù)值仿真的方式進(jìn)行研究。紀(jì)霞等［1］對彈丸侵徹三層均質(zhì)靶板進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同彈速、不同彈重產(chǎn)生的彈丸速度及加速度的變化;劉洋［2］利用ANSYS/LS－DYNA模擬著靶速度為2.0 Ma和2.5 Ma的戰(zhàn)斗部對多層間隔靶板侵徹的過程。對于飛機(jī)、導(dǎo)彈之類武器裝備的毀傷研究多集中于毀傷概率的研究［3－6］。本文借助ABAQUS軟件，采用Lagrange法對高速動能體對飛機(jī)不同部件的毀傷過程進(jìn)行數(shù)值仿真研究，分析對飛機(jī)造成毀傷的動能體的直徑與速度，為高速動能體對對飛機(jī)的毀傷工程應(yīng)用提供參考。

1 飛機(jī)的毀傷級別

1)KK級殺傷。飛機(jī)遭到打擊后受到的損傷會引起飛機(jī)立即解體，有時(shí)也稱之為災(zāi)難性殺傷;

2)K級殺傷。飛機(jī)遭到打擊后，30 s之內(nèi)其損傷將引起飛機(jī)失控;

3)A級殺傷。飛機(jī)遭到打擊后，5 min內(nèi)其損傷將引起飛機(jī)失控;

4)B級殺傷。飛機(jī)遭到打擊后，30 min內(nèi)其損傷將引起飛機(jī)失控;

5)C級殺傷。飛機(jī)的損傷程度使它無法完成規(guī)定任務(wù)，但尚不足以將它從編制中去掉，也叫任務(wù)放棄殺傷。

2 高速動能體對飛機(jī)的毀傷模式

2.1 高速動能體對駕駛艙的毀傷模式

高速動能體撞擊駕駛艙時(shí)，如果駕駛員頭部和軀干被擊中，認(rèn)為駕駛員死亡，飛機(jī)無人控制，必然毀壞;駕駛員的左右上臂或左右下臂同時(shí)受傷，飛機(jī)無法控制，導(dǎo)致機(jī)毀人亡;如果大腿或小腿不管是單獨(dú)受傷或同時(shí)受傷，短時(shí)間內(nèi)可以支撐，時(shí)間長了，流血過多，駕駛員昏迷導(dǎo)致機(jī)毀人亡，所以大小腿4個(gè)部分同時(shí)受傷，會導(dǎo)致K級殺傷。

2.2 高速動能體對發(fā)動機(jī)艙的毀傷模式

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)裝有發(fā)動機(jī)、進(jìn)氣道、飛行控制機(jī)構(gòu)、彈上電源等。發(fā)動機(jī)的任何一部分遭到破壞，都會使發(fā)動機(jī)損壞。壓氣機(jī)殼體大約為15 mm硬鋁，如穿孔會使尾部噴管溫度升高、推力下降;燃燒室殼體大約為20 mm硬鋁，如穿孔會使燃燒室損傷;發(fā)動機(jī)油管損壞，會使發(fā)動機(jī)油壓不足而失靈且點(diǎn)燃燃油;燃油調(diào)節(jié)裝置(油泵或?yàn)V油器)損傷可能使發(fā)動機(jī)失靈;尾噴管是投影面積最大最易損壞的部件;進(jìn)氣道、飛行控制機(jī)構(gòu)、彈上電源等受損也會導(dǎo)致KK級殺傷。

2.3 高速動能體對飛機(jī)油箱的毀傷模式

油箱被穿孔，可使油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，在飛機(jī)振動和大過載飛行中，使油箱斷裂成幾部分或?qū)е嘛w機(jī)漏油，從而使飛機(jī)全部或部分失去燃油或使燃油燃燒，對戰(zhàn)機(jī)能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被切割，可使油箱被切割成幾部分，致使飛機(jī)漏油，從而使飛機(jī)全部或部分失去燃油、燃油燃燒，對戰(zhàn)機(jī)能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被引燃，可使油箱的燃油燃燒，致使飛機(jī)燃油減少、燃燒環(huán)境處的飛機(jī)零部件和電氣元件等被燒毀，從而使飛機(jī)全部失去燃油、失去控制、飛機(jī)發(fā)生爆炸，對戰(zhàn)機(jī)能造成C級以上的毀傷或KK級毀傷。

油箱被引爆，使飛機(jī)的油箱內(nèi)部壓力急劇升高，超過油箱所能承受的壓力而發(fā)生爆炸，可立即對戰(zhàn)機(jī)能造成KK級毀傷。

對于高速動能體對飛機(jī)的毀傷級別，一種毀傷可能導(dǎo)致其他幾種毀傷。當(dāng)穿孔或切割分布密度較高時(shí)，孔與孔之間可以產(chǎn)生開裂和應(yīng)力集中，使毀傷面擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致更高級別的毀傷。

3 高速動能體對飛機(jī)毀傷數(shù)值仿真研究

根據(jù)高速動能體對飛機(jī)的毀傷模式分析可知，只要高速動能體對飛機(jī)的重要部件(發(fā)動機(jī)、油箱等)進(jìn)行打擊，就可能對飛機(jī)造成不同級別的毀傷。

3.1 高速動能體對飛機(jī)發(fā)動機(jī)部位的毀傷仿真

3.1.1 有限元仿真模型

進(jìn)行高速動能體對飛機(jī)發(fā)動機(jī)部位的毀傷仿真研究時(shí)，將發(fā)動機(jī)部位中殼體最厚的燃燒室部位作為研究對象，將其等效為20 mm的硬鋁板。對不同直徑(Φ3 mm、Φ5 mm、Φ10 mm、Φ15 mm)的動能體以不同的速度(2 000 m/s，3 000 m/s，4 000 m/s)進(jìn)行毀傷仿真。

建立幾何模型時(shí)，把高速動能體和等效靶板看作是均勻連續(xù)介質(zhì)，認(rèn)為整個(gè)侵徹過程是絕熱的，不計(jì)空氣阻力，不考慮重力作用。靶板的側(cè)邊施加邊界條件，用以模擬各層靶板四周被固定的情況。體靶有限元計(jì)算模型如圖1。

圖1 有限元模型

3.1.2 材料模型

1)屈服準(zhǔn)則。計(jì)算中，動能體和靶板仿真模型材料采用具有彈塑性屬性的Johnson-Cook模型。其屈服函數(shù):

2)損傷準(zhǔn)則?？紤]應(yīng)力三軸度、應(yīng)變率和溫度效應(yīng)，并通過累積損傷的概念考慮變形路徑的影響，定義單元損傷:

式中:D為損傷參數(shù)，在0～1之間變化，初始時(shí)D=0，當(dāng)D=1.0時(shí)材料失效;Δεp為一個(gè)時(shí)間步的塑性應(yīng)變增量;εf為當(dāng)前時(shí)間步的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)變率和溫度下的破壞應(yīng)變，其表達(dá)式:

式中:D1－D5為材料參數(shù);σ*=p/σeff為應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)，其中p為壓力，σeff為等效應(yīng)力。

3)材料屬性。動能體采用鎢合金材料，等效靶板為硬鋁合金。其屬性參照參考文獻(xiàn)［7］。

3.1.3 仿真結(jié)果及分析

圖2為不同直徑的動能體分別以不同的速度侵砌等效靶板的速度變化圖。通過圖2可以看出，直徑為Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm侵徹等效靶板過程中，動能體的速度震蕩下降，這是由于侵徹靶板過程中靶板與動能體之間復(fù)雜的相互作用的結(jié)果。通過速度變化圖可以看出，直徑為Φ5 mm的動能體侵徹靶板過程中速度急劇下降，而隨著直徑的增大，動能體侵徹過程速度損耗不明顯，穿透靶板后仍具有較高的速度，即動能體具有較高的比動能，仍能繼續(xù)侵砌靶板。而對于直徑為Φ5 mm的動能體以2 000 m/s的速度侵徹20 mm等效靶板，穿透后剩余速度為750 m/s，不足以繼續(xù)侵徹更厚的靶板。

因此要對發(fā)動機(jī)部位進(jìn)行毀傷必須采用直徑為Φ5 mm的動能體以速度2 000 m/s以上進(jìn)行毀傷。一旦動能體穿透等效靶板，則意味著發(fā)動機(jī)被擊穿，則會對飛機(jī)造成A級以上的殺傷。

圖2 不同直徑的高速動能體速度變化

3.2 高速動能體對飛機(jī)燃油箱的毀傷仿真

［8，9］中指出燃油箱在動能體的高速沖擊條件下的毀傷模式主要包括:機(jī)械穿透、殼體鼓包、慣性爆裂、燃油冒煙及燃油的沖擊引燃。

圖3為直徑Φ15 mm的動能體以速度為1 850 m/s在燃油箱內(nèi)形成沖擊波的歷程圖。高速動能體在箱內(nèi)所形成的強(qiáng)沖擊波不但加強(qiáng)了霧化的油滴發(fā)生汽化、蒸發(fā)及熱解、裂化的程度，還使混合氣體的壓力和溫度急劇升高。評價(jià)投射物對目標(biāo)毀傷效應(yīng)的判據(jù)主要采用兩種準(zhǔn)則，即比動能準(zhǔn)則和比沖量準(zhǔn)則。對于燃油的沖擊引燃問題，普遍采用比沖量準(zhǔn)則［10］。當(dāng)高速動能體的比沖量大于臨界值時(shí)則會引燃燃油。一旦發(fā)生沖擊引燃必定對飛機(jī)造成KK級殺傷。

圖3 沖擊波變化

圖4為直徑為Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm的動能體以不同的速度產(chǎn)生的比沖量與速度關(guān)系曲線圖。

通過圖4可以看出，直徑為Φ5 mm動能體在4 000 m/s以下的速度范圍內(nèi)都不可能達(dá)到臨界比沖量，即不可能引燃模擬油箱的燃油，直徑為Φ10 mm的動能體當(dāng)速度高于2 300 m/s時(shí)，其比沖量高于臨界比沖量，可以引燃燃油;直徑為Φ15 mm的動能體當(dāng)速度高于2 000 m/s時(shí)即引燃燃油，這與參考文獻(xiàn)［10］的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。即直徑為Φ5 mm的動能體以2 000～4 000 m/s的速度撞擊油箱后即可以穿透油箱，但不能將燃油引燃;直徑為Φ10 mm的動能體以2 000～2 300 m/s以下的速度撞擊油箱可以穿透油箱，但仍不能將燃油引燃;當(dāng)速度高于2 300 m/s時(shí)即可將燃油沖擊引燃，進(jìn)而導(dǎo)致油箱爆炸，對飛機(jī)造成KK級毀傷;直徑為Φ15 mm的動能體以2 000 m/s以上的速度撞擊油箱即可導(dǎo)致飛機(jī)KK級毀傷。

圖4 比沖量與速度的關(guān)系曲線

3.3 高速動能體對飛機(jī)蒙皮的毀傷仿真

通過3.1的分析可以看出，直徑為 Φ5 mm，Φ10 mm，Φ15 mm的動能體以速度2 000 m/s可以穿透厚度為20 mm的動能體，因此對于厚度一般為2～3 mm厚的飛機(jī)蒙皮來說，其能量足以穿透。以此本部分只考慮高速動能體以不同的角度撞擊時(shí)是否會產(chǎn)生跳彈。

3.3.1 入射角度為45°

圖5 Φ5 mm v=2 000 m/s

3.3.2 入射角度為75°

通過圖5和圖6可以看出，直徑為Φ5mm的動能體以2 000 m/s的速度分別以45°及75°的角度可以穿透飛機(jī)蒙皮，不會產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)隨著入射角度的增大，動能體對飛機(jī)蒙皮的切口長度增加，對飛機(jī)的飛行狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，有可能導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生C級以上毀傷。

圖6 Φ5 mm v=2 000 m/s

4 結(jié)論

本文通過對飛機(jī)毀傷模式及等級進(jìn)行了分析，通過不同直徑的動能體以不同的速度對飛機(jī)的重要部位進(jìn)行毀傷數(shù)值仿真研究，得到如下結(jié)論:

1)要對發(fā)動機(jī)部位進(jìn)行毀傷必須采用直徑為Φ5 mm的動能體以速度2 000 m/s以上進(jìn)行毀傷，飛機(jī)導(dǎo)致A級以上毀傷。

2)要對飛機(jī)油箱進(jìn)行毀傷必須以直徑為Φ10 mm的動能體以高于2 300 m/s速度撞擊或者采用直徑為Φ15 mm的動能體以2 000 m/s以上的速度撞擊油箱可導(dǎo)致飛機(jī)KK級毀傷。

3)直徑為Φ5 mm以上，速度在2 000 m/s以上的動能體撞擊飛機(jī)蒙皮不會產(chǎn)生跳彈現(xiàn)象，同時(shí)飛機(jī)蒙皮的切口長度隨撞擊角度的增大而加大，有可能導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)生C級以上毀傷。

參考文獻(xiàn):

［1］ 紀(jì)霞，王利.彈丸侵徹多層靶板數(shù)值分析［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2006，28(2):42 －45.

［2］ 劉洋，姚江濤，李國林，等.用數(shù)值模擬法研究戰(zhàn)斗部侵徹多層間隔靶［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24(2):144－151.

［3］ 盧湘江，李向榮，張慶明.破片戰(zhàn)斗部打擊下導(dǎo)彈毀傷評估仿真［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(6):83 －85.

［4］ 高士英，魏志毅.殺爆戰(zhàn)斗部對地面飛機(jī)的毀傷仿真研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28(1):109 －114.

［5］ 盧軍民，李向東，毛東方.破片式戰(zhàn)斗部作用下固定翼飛機(jī)的易損性評估［J］.南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(6):695－700.

［6］ 王濤，唐宴虎.脫殼穿甲彈對巡航導(dǎo)彈的毀傷模型及仿真［J］.火力與指揮控制，2010，35(10):110 －113.

［7］ ABAQUS Inc.ABAQUS Manual.2006.

［8］ 曹兵.破片對巡航導(dǎo)彈燃油艙沖擊引燃的實(shí)驗(yàn)研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2008，31(6):45 －49.

［9］ 陳文，王紹慧，楊華楠.不同破片殺傷元對飛機(jī)油箱的毀傷試驗(yàn)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31(12):32－34.

［10］曹兵.不同破片對模擬巡航導(dǎo)彈油箱毀傷實(shí)驗(yàn)研究［J］.火工品，2008(5):10－13.

(責(zé)任編輯周江川)