鎢破片侵徹艦艇裝甲薄弱部位毀傷效能評估

許俊祥，田曉麗，陳　宇，王　超，楊　東

(1.中北大學 機電工程學院,太原　030051； 2.晉西工業集團有限公司,太原　030027;3.豫西工業集團有限公司,河南 南陽　473000)

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鎢破片侵徹艦艇裝甲薄弱部位毀傷效能評估

許俊祥1，田曉麗1，陳宇2，王超1，楊東3

(1.中北大學 機電工程學院,太原030051； 2.晉西工業集團有限公司,太原030027;3.豫西工業集團有限公司,河南 南陽473000)

摘要：模擬了末端制導反艦導彈在侵徹艦艇裝甲時末制導彈爆炸模型，得出破片飛行的初速度，再通過ANSYS/LS-DYNA進行不同速度和質量及形狀的鎢合金破片侵徹裝甲薄弱部位的數值模擬，得出高速自鍛破片能夠對裝甲毀壞，但會使裝甲出現反彈，侵徹深度不及中等速度破片；尖頭破片出現較大應力集中，未到侵徹深度會使破片破壞；得到毀壞薄裝甲的最小破片質量，為薄弱裝甲防護提供了參考。

關鍵詞：爆炸模型；鎢合金；自鍛破片；薄弱裝甲；數值模擬

本文引用格式：許俊祥，田曉麗，陳宇，等.鎢破片侵徹艦艇裝甲薄弱部位毀傷效能評估[J].兵器裝備工程學報，2016(7):33-36.

Citation format:XU Jun-xiang, TIAN Xiao-li, CHEN Yu,et al.Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):33-36.

反艦導彈成為現代海戰中的主要武器，戰斗部既是它的唯一有效載荷,又是直接執行戰斗任務的部件。在一定條件下,反艦導彈戰斗部的威力和對艦船的毀傷效果與其結構、類型關系很大。隨著制導精度的提高，艦艇防護能力的增強，反艦導彈一般會在接近艦艇或者艦艇上空進行爆炸，所以有必要分析自鍛破片和隨機破片對艦艇薄裝甲的侵徹效果。文獻[1]通過理論公式對不同鎢合金破片對靶板穿透極限速度進行了計算，但沒有通過數值模擬方式來論證破片侵徹靶板的效果。文獻[2]說明破片形狀對破片侵徹靶板過程中速度的影響，對靶板的侵徹效果沒有提及，所以有必要從破片的速度、質量、形狀多方面分析破片對薄裝甲的侵徹效果。為裝甲防護提供參考。

1彈丸爆炸有限元模型的建立與材料參數的選取

1.1爆炸原理

炸藥爆炸產生大量的碎片和沖擊波破壞裝甲目標。雖然這些破片很難穿透艦艇上方裝甲，但可以攻擊弱頂部裝甲，并有大量碎片被鑲嵌在艦艇頂部。因此，有必要研究末制導的攻擊效果對艦艇頂端裝甲和外載艦艇炮結構的損傷效應。

1.2彈丸爆炸的有限元模型的建立

采用ANSYS/LS-DYNA對彈丸爆炸進行模擬仿真，建立彈丸爆炸的有限元模型如圖1所示。彈體的直徑為155 mm，長度為960 mm。考慮模型的對稱性同時為了節約計算時間，建立彈體和裝藥的1/4模型。在X-Y對稱面上施加對稱約束，戰斗部殼體采用鎢合金，單位制為cm-g-us，其材料參數如表1所示，炸藥采用TNT裝藥，材料參數如表2所示。

圖1　炸藥爆炸有限元模型

表1　鎢合金材料參數

表2　TNT的材料參數

空氣以1.293E-3 g/cm3的密度，并以關鍵字*MAT_NULL和*EOS_LINEAR_POLYNOMIA來定義，爆炸后取中間兩個節點分別是560和879查看初始爆炸速度，其時間歷程曲線如圖2所示。

圖2　破片不同節點處的初始速度

圖2速度都在1 000 m/s以上，根據文獻[3]可知，此速度在合理速度范圍之內，說明數值模擬可靠。

2破片侵徹靶板有限元模型的建立和材料參數的選擇

2.1破片侵徹靶板的有限元模型的建立

由于碎片相對于裝甲目標非常小，裝甲目標的薄弱環節可以視為被分析的損傷效應均質鋼板片段與薄弱部位。彈丸的材料模型外殼的碎片和裝甲部分可以采用圓的一部分和正方形靶板顯式實體單元SOLID164，單位統一為cm-g-us。建立該片段的薄弱部位的滲透簡化1/4 模型，破片建立成直徑為25 mm圓的一部分，薄裝甲板選擇的模型如圖3所示，靶板為30 cm×30 cm×30 cm的正方形模型。

2.2材料參數的選擇

破片的材料選擇鎢合金材料，同時定義為彈塑性材料模型。靶板材料選擇為45CrNiMoA合金鋼，同時采用John-cook材料模型和Gruneisen狀態方程描述其力學性能，該材料模型能夠很好的描述金屬材料在加工硬化效應、應變率效應和熱軟化效應共同影響下的力學特性。

2.3不同速度破片侵徹薄靶板

破片分別以不同的入射速度侵徹靶板，不同速度侵徹數值如圖4所示，5種不同速度為1 000 m/s,1 200 m/s,1 400 m/s,1 600 m/s,2 000 m/s，分別以5種不同速度侵徹靶板的侵徹最大深度分別是3.5 cm，3.3 cm，3.1 cm，2.8 cm，2.6 cm。由數值模擬分析可知，破片的侵徹深度隨著速度的增加遞增。但是，在小速度和中等速度侵徹時，靶板的位移較為平緩，當速度超過1 400 m/s時，靶板出現回彈現象，速度越高，靶板的回彈現象越嚴重。

2.4不同形狀破片侵徹薄靶板

分別建立了不同形狀的破片侵徹薄靶板的有限元模型如圖5所示，讓兩種不同形狀破片以相同的速度和質量對相同靶板進行侵徹，初始速度為1 000 m/s。兩種破片侵徹時所受到的應力如圖6所示，由圖6可知鈍頭破片侵徹時的最大應力比尖頭破片較小，同時尖頭破片侵徹過程中由于破損嚴重，會出現多個應力集中峰值，鈍頭侵徹時較為平緩，應力集中峰值較尖頭破片較少。進一步說明了破片的破碎程度能夠增加毀傷效果。

圖5　不同形狀破片侵徹靶板的有限元模型

2.5不同質量破片侵徹薄靶板

破片在戰斗部爆炸過程中會形成不同質量破片，有必要分析不同質量破片的損傷效應，碎片對頂端裝甲和薄弱部位的損傷效果顯而易見。破片的質量越重，對裝甲的損壞效果越嚴重。只要最大的自然破片損害裝甲的目標清楚了解，最嚴重的損壞可以估計。文獻[4]提出，最大破片的質量可以在一致的半徑和均勻壁的圓柱殼條件下計算出來，可計算出彈體碎片的最大質量為0.174 3 kg。分別取質量為0.008 kg，0.01 kg，0.032 kg，計算不同質量的破片侵徹薄靶板為5 cm×5 cm×5 cm時的侵徹深度如表4所示。

不同破片的侵徹深度隨著質量的升高而增大，當破片的質量低于0.005 kg時破片對裝甲的損壞效果不足1 cm，不足以考慮破片對裝甲的毀傷程度。

3結論

1) 研究發現彈丸在發生爆炸時破片的速度范圍為1 000～2 200 m/s。

2) 通過模擬不同速度破片侵徹試驗，得出了中等速度的侵徹深度比高速侵徹過程深度更深，因為速度過大會造成靶板的反彈，造成高速破片侵徹時受到應力集中現象嚴重導致破片碎裂，速度過低侵徹深度不夠，所以中等速度會造成適當侵徹深度，靶板破壞比較均勻。

3) 當破片質量低于0.005 kg時可以忽略破片對薄裝甲的破壞作用，將破片速度和破片質量的影響有效結合起來，找到最佳速度和最小破片質量能夠有效的減少外載艦炮和薄弱裝甲的損壞，有利于為裝甲的防護提供參考。

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(責任編輯周江川)

收稿日期：2016-01-15；修回日期：2016-02-20

基金項目：國家自然科學基金 (11572291)

作者簡介：許俊祥(1990—)，男，碩士，主要從事智能彈藥與系統仿真研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.008

中圖分類號：TJ410

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0033-04

Damage Effectiveness Evaluation of Tungsten Fragments Penetrate the Weak Parts of the Ship Armor

XU Jun-xiang1, TIAN Xiao-li1, CHEN Yu2, WANG Chao1, YANG Dong3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;2.Jin West Machine Industry Group Co., LTD, Taiyuan 030027, China;3.Yuxi Industries Group Co., Ltd, Nanyang 473000, China)

Abstract:The terminally guided anti-ship missile during the naval armor penetration simulated the explosion model of end missile system to get the initial velocity of fragments flying, and we simulated different speeds and quality and shape of Tungsten Fragments to penetrate the weak parts armor by ANSYS / LS-DYNA, and then we obtained the conclusion that high speed fragments are capable of forging armor destroy, but it will rebound in a armor, and penetration depth is less than medium speed fragments; and the pointed fragments have greater stress concentration, and if it has not come to penetration depth it will get wrecked; and we got the smallest fragment thin quality of destroyed armored, which provides a reference for thin armor protection.

Key words:explosion model; tungsten alloy; self-forging fragment; weak armor; numerical simulation

【裝備理論與裝備技術】