榴彈破片對坦克火炮身管毀傷效應的數值仿真

郭尚生，李 帆，吳曉穎，李 響

（1.遼沈工業集團有限公司，沈陽110045；2.北京裝甲兵工程學院，北京100072；3.駐七二四廠軍事代表室，沈陽110045）

進行實際彈藥毀傷實驗時，實驗耗費大、周期長，因此迫切需要尋找到合適的方法來替代實彈實驗。數值仿真不僅可以大大降低靶場試驗中所耗費的大量人力，而且有效地考慮到了經濟問題，提高了效率，降低了成本。隨著計算機計算及數值仿真技術的快速發展，現在可以利用AUTODYN等有限元軟件進行數值仿真計算，分析總結出更加接近實際的毀傷規律，為坦克關鍵部件戰損規律研究提供參考。本文將以125mm滑膛炮身管侵徹為例，在進行大量的數值仿真的基礎上，獲得破片毀傷效應規律。

1 靜爆模擬試驗分析

為獲取數值仿真的基礎數據，驗證數值仿真的可靠性，進行了榴彈破片對火炮身管侵徹毀傷的模擬試驗。試驗方法采用靜態引爆榴彈，毀傷坦克火炮身管。榴彈水平置于托架上，距離坦克身管2m處，侵徹入射角為90°。試驗場具體布置如圖1所示。

圖1 試驗方案

圖2 為破片毀傷火炮身管的效果。由試驗測量與統計分析可知，身管侵徹孔徑在30～40mm之間，平均孔徑為34.8mm，侵徹深度在11.8～12.2mm之間，平均深度為12mm。

圖3為榴彈爆炸形成的典型破片，平均質量為10g。

圖2 火炮身管毀傷

圖3 榴彈破片

2 仿真模型的建立

采取典型的破片進行數值仿真。破片的形狀包括圓形、正方形、長方形和菱形［4］；身管的材質為PcrNi3MOV鋼，身管的壁厚30mm。為簡化情況，設計破片對身管的侵徹角為90°，破片建立一比一模型，建立身管1／4模型，如圖4所示。

圖4 身管的數值仿真模型

破片的材質為STEEL－4340（4340鋼），數值仿真主要考慮破片侵徹速度、破片形狀等主要因素。對速度77～1 272m／s的圓形、正方形、長方形、菱形破片侵徹30mm厚度的身管進行數值仿真，并用軟件自帶的工具采集仿真數據，如圖5所示。

圖5 破片毀傷身管的數值仿真結果

3 數值仿真正確性的驗證

用統計的方法整理數值仿真數據，可以得到不同質量、不同形狀、不同速度的破片對火炮身管的侵徹效果。質量為10g的破片以不同速度v侵徹身管，得到侵徹深度H和侵徹孔徑D，如表1所示。

表1 質量為10g的破片毀傷身管數值仿真數據

為驗證數值仿真的正確性，取實際破片的平均質量為10g，破片撞擊前的速度為980m／s。將模擬試驗與數值仿真數據進行對比，如表2所示。可得H的試驗平均值為12.7mm，仿真平均值為13.8mm，誤差為8.6%；D的試驗平均值為31.8mm，仿真平均值為30.4mm，誤差為4%。模擬試驗結果與數值仿真結果較為接近，且誤差均小于10%，可以認為仿真結果正確。

4 破片形狀對侵徹結果的影響

驗證了數值仿真的正確性，在相同數值仿真條件下可以對數值仿真的結果進行分析，獲取榴彈破片對火炮身管的毀傷規律［5］。選取質量和速度相同的長條形、圓形、方形、菱形破片對目標進行侵徹數值毀傷仿真，觀察分析其毀傷效果，如圖6和圖7所示。

圖6 長方形和圓形破片毀傷目標效果

圖7 正方形和菱形破片毀傷目標效果

表3所示，長方形、圓形、正方形、菱形破片的質量均為10g，速度為1 270m／s，身管壁厚均為45mm，其中長方形、圓形、正方形、菱形的長徑比η依次為1.85，1.25，1.25，1.00。

由毀傷效果分析得到，相同條件下破片的侵徹能力為長方形＞圓形＞正方形＞菱形。這是因為在破片質量不變的情況下，長細比增大、破片單位橫截面積上的動能變大，在貫穿過程中頭部最大應力值（即瞬時加速度）增大，破片的侵徹能力增強。

5 破片速度對侵徹結果的影響

用相同的圓形破片分別以77m／s、156m／s、632m／s和1 270m／s的速度對目標進行侵徹，觀察分析其毀傷效果，如圖8和圖9所示。

圖8 速度為77m／s和156m／s的破片毀傷目標效果

圖9 速度為632m／s和1 270m／s的破片毀傷目標效果

在破片形狀、破片質量和身管壁厚相同的條件下［6］，隨著破片侵徹速度的增加，侵徹深度與孔徑呈增加趨勢。77m／s侵徹時破片出現跳飛現象，不能形成侵徹；速度在156m／s時，保護玻璃裂開；速度阻礙314m／s，當速度超過632m／s，侵徹深度為13.2～21.3mm，運用多元回歸分析方法將表1中的數據整合，如圖10所示。

圖10 速度與侵徹深度關系圖

6 結束語

本文利用數值仿真的方法，對破片毀傷坦克炮身管進行建模和數值分析，得出破片對火炮身管毀傷的大致規律，結論如下：

①破片在形狀和身管壁厚相同的情況下，破片質量越大侵徹能力越強，深度越深，孔徑越大；

②破片在形狀和質量相同的情況下，身管壁厚越厚，侵徹深度越淺，孔徑越大；

③破片在相同質量、同種目標和同一侵徹速度的條件下，破片形狀長細比越大侵徹深度越深，孔徑越大；

④破片在相同質量、同種目標和相同形狀的條件下，破片侵徹速度越大侵徹能力越強［8］。

在實際情況中，影響破片對身管的毀傷效果的因素還有很多，例如破片材料、身管材料、身管自緊技術、破片著角變化等眾多因素，有待進一步分析。

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