射彈參數對侵徹防護液艙效果的影響研究

黃陽洋，王志軍，趙鵬鐸，張 磊，張 鵬，王 慶

(1. 中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

【彈藥工程】

射彈參數對侵徹防護液艙效果的影響研究

黃陽洋1,2，王志軍1，趙鵬鐸2，張 磊2，張 鵬1,2，王 慶1,2

(1. 中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.海軍裝備研究院， 北京 100161)

為研究射彈速度、長徑比、質量對彈體侵徹能力的影響，利用AUTODYN軟件模擬了不同條件下銅質射彈侵徹防護液艙的過程，分析比較了射彈剩余速度和侵徹深度。結果表明：在1 800～2 400 m/s速度區間內，射彈速度越大，對液艙侵徹效果越差；提高射彈長徑比可有效增加侵徹效果；射彈質量增加到某一臨界值前，也可有效提高侵徹效果。

防護液艙；銅射彈；剩余速度；侵徹深度

隨著反艦武器的快速發展，艦船面臨著更為嚴峻的生存壓力，大型水面艦艇多在舷側設置更多的防護層以抵御攻擊[1](如圖1)。

防護液艙可以吸收破片的動能以減緩破片速度，從而降低其對艦船的毀傷效果。現有文獻對于此類問題的研究多集中在爆炸產生的不規則破片對防護液艙的侵徹作用。趙留平等[2]模擬了不同形狀的破片對液艙的侵徹效果，得出了球形破片的剩余速度比柱狀破片大得多的結論。沈曉樂等[3]研究了破片形狀對破片阻力系數的影響。孔祥韶等[4]研究了艙內液體中沖擊波的疊加效應。但越來越多的反艦武器的戰斗部殼體采用特殊結構，在戰斗部殼體周側安裝大錐角藥型罩或球缺罩，爆炸后產生質量更大、速度更高、氣動性更好的彈丸狀自鍛破片：射彈。德國的鸕茲Ⅰ、Ⅱ型均采用自鍛破片戰斗部以增大毀傷效果[5]。圖2即為周向組合式MEFP戰斗部[6]，其爆炸產生的射彈形狀大致為圓臺+半球狀。

圖1 艦艇舷側多層防護結構

圖2 周向MEFP戰斗部結構圖

本文對形狀較為規則的超高速射彈侵徹防護液艙展開研究，模擬了不同初速、長徑比、質量的射彈侵徹防護液艙的過程。通過分析比較仿真數據，提出了三者影響射彈侵徹防護液艙的一般規律。

1 模型建立

模型使用AUTODYN-2D軸對稱建模，如圖3。射彈、前后板均使用拉格朗日算法，可清晰表達材料的變形和邊界；水模型使用SPH算法。

射彈材料為被廣泛用作藥型罩的紫銅，狀態方程為Shock，強度模型為Steinberg Guinan,各參數同AUTODYN材料庫。水模型尺寸為400 mm×180 mm，狀態方程為Polynomial，參數同材料庫。前、后板尺寸均為10 mm×180 mm，以Vx=0的邊界條件固定上邊緣，材料為917鋼，選用Shock狀態方程和J-C強度模型，模型部分參數[7]為：A=341 MPa，B=692 MPa,C=0.029,n=0.64。

圖3 模型結構

2 射彈初速度對侵徹效果的影響

為了研究初速度對射彈侵徹防護液艙的影響，固定射彈的質量和長徑比。設計射彈尺寸為，小徑d=20 mm、大徑D=30 mm、長l=40 mm、質量m=152.0 g、長徑比1.6。由于射彈的初速度比自然破片更大，約為2 100～2 400 m/s,甚至更高[5]。所以設計了4種初速度，分別為V1=1 800 m/s、V2=2 000 m/s、V3=2 200 m/s、V4=2 400 m/s。經仿真，得出不同初速度下的剩余速度和侵徹深度與時間的關系曲線，結果如圖4、圖5所示。

圖4 剩余速度-時間關系曲線

圖5 侵深-時間關系曲線

根據上述曲線，射彈速度約為指數式衰減：先是在短時間內銳減，且初速度越大，衰減越嚴重，后來衰減趨勢減緩。導致這種現象的原因有兩個，其一為防護液艙前板的阻擋作用，短時間內使得射彈速度銳減；二是水的慣性作用，射彈穿透前板入水的瞬間，彈頭接觸區域的液體表現出巨大的慣性效應，射彈的動能快速轉化為水的動能和勢能；隨著射彈速度的降低，射彈與接觸水域的速度梯度減小，慣性作用減弱，速度衰減放緩[8]。

磯部孝[9]將破片在水下運動的阻力系數視為常數，得出了破片水下侵徹阻力F，侵徹距離L和侵徹速度V的計算公式

F=CdρtAV2

(1)

(2)

(3)

式中：Cd表示水的阻力系數;ρt為水的密度;A為破片迎流面積;m為破片質量;V0為破片初速度。

根據式(2)、式(3)，剩余速度和侵深會隨初速度的增加而增加，但模擬結果卻并非如此，初速度增加，剩余速度和侵深反而下降。原因在于射彈阻力系數是變化的。射彈高速侵徹時，射彈頭部承受巨大壓縮應力，速度越大壓應力越大。當應力超過材料的動態屈服強度時，彈體會發生敦粗變形，增加迎流面積，阻力系數也相應增加。當初速度帶給剩余速度和侵深的增益小于由其導致的阻力系數的變化帶來的負面影響時，射彈侵徹能力就會下降。

3 射彈長徑比對侵徹效果的影響

固定射彈質量為152.0 g，初速度為2 000 m/s，研究射彈長徑比對其侵徹液艙能力的影響。由于材料延伸率有限，銅材料形成自鍛破片的長徑比最大為3左右[10]，本文設計了4種長徑比，分別為1.6、2.2、2.8、3.5。其剩余速度變化如圖6，侵深變化如圖7。

圖6 剩余速度-時間關系曲線

圖7 侵深-時間關系曲線

根據模擬結果，可以看出，射彈剩余速度和侵徹深度隨長徑比的增加而增加。由式(1)可知，彈頭受力大小與迎流面積成正比,長徑比越大，迎流面積越小，彈體敦粗變形越不明顯，由敦粗變形導致的阻力系數的變化對彈體的影響減弱，彈體加速度減小，剩余速度和侵深就會增加。但長徑比的選擇并非越大越好，需要綜合考量彈體材料，侵徹穩定性，破孔直徑等因素。

4 射彈質量對侵徹效果的影響

對比不同質量的射彈侵徹防護液艙的效果，固定射彈的長徑比和初速度。射彈長徑比選擇為1.6，初速度選擇2 000 m/s。設計4種不同質量的射彈，M1=77.9 g、M2=152.0 g、M3=202.3 g、M4=262.8 g。經模擬，得到圖8所示的剩余速度曲線和圖9所 示的侵深曲線。

圖8 剩余速度-時間關系曲線

圖9 侵深-時間關系曲線

由模擬結果可以看出，質量變化對射彈侵徹能力有顯著影響。在一定范圍內質量的增加可以有效提高剩余速度和侵徹深度；當質量超出某一極值時，又會大大降低射彈侵徹能力。

由式(2)、式(3)可知，剩余速度和侵徹深度與射彈質量成正相關，與阻力系數和迎流面積負相關。長徑比不變的情況下，質量增加會增加迎流面積，進而增大侵徹阻力，彈體敦粗變形加劇，阻力系數也相應變大。所以，當質量的增加對彈體侵徹能力的提升大于其“副產品”阻力系數增加帶來的消極增量時，侵徹能力就會增加，否則侵徹能力就會下降。

5 結論

高速射彈侵徹液艙是非常復雜的過程，影響因素眾多，目前還沒有完全成熟的理論來描述侵徹過程。計算機數值仿真可以較為精確的模擬侵徹過程，為研究高速射彈侵徹防護液艙的一般規律提供參考：

1) 射彈初速度在1 800～2 400 m/s時，提高初速度反而會降低射彈的侵徹能力。

2) 增大射彈長徑比能有效提高射彈對防護液艙的侵徹效果，但長徑比的選擇并非越大越好，還要綜合材料因素、侵徹穩定性、破孔孔徑要求等條件合理選擇。

3) 質量的增加可以提升射彈侵徹能力，但存在一臨界值，質量超出該值后反而會降低射彈侵徹能力。

4) 侵徹過程是多因素共同作用的結果，不同時期，不同因素占據主次位置。分析各因素在侵徹過程的不同時期的影響因子是總結侵徹規律的重要步驟。

[1] 張振華，朱錫，黃玉瑩，等.水面艦艇舷側防雷艙結構水下抗爆防護機理研[J].船舶力學，2006，10(1)：113-119.

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[3] 沈曉樂，朱錫，候海量，等.高速破片侵徹防護液艙試驗研究[J].中國艦船研究，2011，6(3)：12-15.

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[7] 王曉強，朱錫.艦船用鋼的抗彈道沖擊性能研究進展[J].中國造船，2010，51(1)：228-234.

[8] 沈曉樂，朱錫，候海量，等.高速破片入水敦粗變形及侵徹特性有限元分析[J].艦船科學技術，2012，34(7)：25-29.

[9] 磯部孝.水下彈道的研究[M].北京：國防工業出版社，1983.

[10] 尹建平，王志軍.彈藥學[M].北京：北京理工大學出版社，2014.

EffectofProjectileParametersonPenetrationProtectionTank

HUANG Yangyang1,2，WANG Zhijun1， ZHAO Pengduo2，ZHANG Lei2， ZHANG Peng1,2， WANG Qing1,2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China， Taiyuan 030051, China; 2.Naval Academy of Armament， Beijing 100161, China)

In order to explore the effect of different initial velocity, slenderness ratio and mass, AUTODYN was used to simulate the process of copper projectile in various states. Residual velocity and penetration depth was analyzed and compared. Results as follows: Higher initial velocity make a worse impact when it between 1 800 m/s to 2 400 m/s;enhancement of slenderness ratio can improve the penetration obviously; increasing the mass before a critical value can also improve penetration.

safety liquid cabin; copper projectile; residual velocity; penetration depth

2017-09-06；

2017-09-27

黃陽洋(1991—)，男，碩士研究生，主要從事復合材料侵徹與防護研究。

10.11809/scbgxb2017.12.021

本文引用格式：黃陽洋，王志軍，趙鵬鐸，等.射彈參數對侵徹防護液艙效果的影響研究[J].兵器裝備工程學報，2017(12):90-92,97.

formatHUANG Yangyang，WANG Zhijun， ZHAO Pengduo,et al.Effect of Projectile Parameters on Penetration Protection Tank [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):90-92,97.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0090-03

(責任編輯唐定國)