低碳金屬板對帶攻角侵徹彈體的動態響應仿真分析

張昆 羅剛 謝偉

摘要：為提高水面艦船結構抗半穿甲彈侵徹防護設計水平，采用LS-DYNA仿真分析45鋼Tayler桿撞擊效應，并與試驗結果進行對比分析，驗證仿真分析方法的正確性。仿真分析圓柱形彈體斜侵徹和帶攻角侵徹低碳金屬靶板，認為彈體斜侵徹低碳金屬板時的侵徹能力比帶攻角侵徹時的侵徹能力差，且隨著斜侵徹角度增加，彈體侵徹能力急劇下降。研究結果為水面艦船結構抗半穿甲彈侵徹設計提供思路，改變彈體姿態比改變彈體的攻角更有效。

關鍵詞：低碳金屬板;半穿甲彈;侵徹;攻角;動態響應;彈體姿態

中圖分類號：O385;TG113.2

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2019）02-0063-05

0?引?言

半穿甲彈（如反艦導彈）是水面艦船最大的威脅，其主要通過侵徹艦船結構進入艦船內部爆炸，從而實現對艦船的毀傷。對該類型武器的防御主要有2種方法：（1）使半穿甲彈遠離重要艙室降低其穿甲能力;（2）提高重要艙室抗內爆的防護能力。其中，降低半穿甲彈的穿甲能力是最有效的方法，各國學者均從理論、實驗、數值計算等多方面開展大量研究。[1-5]熊飛等[6]研究不同頭部形狀半穿甲戰斗部侵徹薄板的侵徹能力，提出針對不同裝甲板厚度選定不同彈頭形狀的建議;陳小偉等[7-8]分析平頭彈穿透金屬靶板模式，并據此給出穿甲的理論模型。對于水面艦船結構設計而言，降低半穿甲彈穿甲能力有2種思路：增加彈體的斜侵徹角度或者增加彈體的攻角。到底哪種思路更有效，是至關重要的問題。

首先，本文采用LS-DYNA對陳剛等[9]的試驗進行仿真分析，驗證仿真方法的正確性;然后，仿真分析圓柱形剛體彈斜侵徹和帶攻角侵徹某船用低碳金屬材料靶板后彈體的剩余速度，以此評估2種侵徹模式對彈體侵徹能力的影響;最后，提出水面艦船結構抗半穿甲彈侵徹防護的設計思想。

1?圓柱形45鋼Tayler桿撞擊靶板試驗仿真驗證

1.1?材料模型

材料模型參數與文獻[9]完全一致，45鋼的本構模型采用Johnson-Cook模型，即

1.2?有限元模型

在ANSYS中建立有限元模型，彈體材料為45鋼，形狀為直徑25 mm、長度100 mm的圓柱體，采用1 mm×1 mm×1 mm的SOLID164單元劃分網格;被撞擊鋼板為100 mm×100 mm×20mm的剛體，采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元劃分網格。Tayler桿撞擊鋼板有限元模型示意見圖1。

1.3?初始撞擊速度

為保證仿真計算與試驗的一致性，Tayler桿采用與文獻[9]試驗相同的撞擊速度v，具體見表1。

1.4?仿真計算結果對比分析

45鋼Tayler桿以217 m/s的初速度撞擊鋼板，計算得到的Tayler桿塑性應變云圖見圖2，文獻[9]試驗結果見圖3，可見兩者基本一致。

直徑25 mm的Tayler桿以217 m/s的速度撞擊鋼板后，頂部出現墩粗，直徑約38.2 mm。仿真得到的Tayler桿直徑D變化歷程見圖4，仿真計算結果與試驗結果一致。

采用上述方法，分別計算表1所有初始撞擊速度下Tayler桿的最終墩粗直徑，計算結果與文獻[9]試驗結果的對比見表2。

仿真計算得到的墩粗直徑與試驗值吻合很好，可知本文采用的仿真計算方法合理可行。

2?船用低碳金屬材料靶板侵徹響應分析

2.1?有限元模型介紹

靶板材料采用45鋼，材料參數同第1.1節，靶板尺寸為200 mm×200 mm×10 mm，網格單元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元;彈體圓柱體直徑為20 mm，長為100 mm，網格單元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164單元，彈體視為剛體，密度ρ=7.85 mg/mm3，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.33。圓柱彈體和靶板有限元模型見圖5。

2.2?計算工況

討論2種侵徹方式對侵徹性能的影響，從而對艦船抗穿甲防護設計提供技術支持，因此主要研究斜侵徹角度和攻角對彈體侵徹靶板的影響。取彈體的合初速度為450 m/s，計算工況見表3。

斜侵徹角度，即令彈體速度方向與靶板法線相同，彈體中心線與靶板法線的角度;帶攻角侵徹角度，即令彈體速度方向與彈體中心線相同，彈體速度方向與彈體靶板法線的角度。侵徹角度示意見圖6。

2.3?不同工況下彈體侵徹靶板仿真分析

工況1為彈體正向侵徹船用低碳金屬材料靶板，其塑性應變云圖見圖7，彈體的速度曲線見圖8。

采用同樣的計算方法，計算得到各工況下彈體的剩余速度，見表4。

彈體斜侵徹時，隨著侵徹角度的不斷增大，彈體剩余速度下降明顯，特別當彈體斜侵徹攻擊角度達到30°時，彈體被金屬靶板完全防護，未能穿過靶板，此時彈體侵徹靶板的最終塑性應變云圖見圖9，彈體的速度曲線見圖10。

彈體帶攻角侵徹時，攻角等于侵徹角度。隨著攻角的不斷增大，彈體的剩余速度也不斷下降，但下降的趨勢沒有斜侵徹時下降得快。當攻角為30°時，彈體最終侵徹靶板的塑性應變云圖見圖11，彈體的速度曲線見圖12。

2.4?2種侵徹模式對比分析

斜侵徹時，隨著侵徹角度的增大，彈體與靶板的接觸面積會顯著增加，是導致彈體侵徹能力下降的主要原因;帶攻角侵徹時，隨著攻角的增大，彈體侵徹靶板的有效面積也增加，是導致彈體侵徹能力下降的主要原因。隨著侵徹角度的增大，彈體侵徹能力均不斷下降，但斜侵徹侵徹角度增加對彈體侵徹能力下降的影響程度明顯高于帶攻角侵徹時攻角增大的影響程度。

由以上分析可知：彈體斜侵徹船用低碳鋼金屬靶板時，隨著侵徹角度的增大，彈體的侵徹能力不斷下降;在斜侵徹過程中，彈體與靶板的接觸時間和接觸面積明顯增加，彈體侵徹靶板能力大大降低;與正向侵徹相比，彈體帶攻角侵徹靶板時，彈體與靶板的有效接觸面積增加，因此隨著攻角的不斷增大彈體的侵徹能力不斷下降;與彈體帶攻角侵徹相比，彈體斜侵徹時侵徹能力更低。

3?結?論

（1）本文采用LS-DYNA仿真分析45鋼Tayler桿撞擊鋼板試驗，仿真結果與試驗值吻合，證明本文采用的仿真方法合理可行。

（2）對于斜侵徹與帶攻角侵徹2種工況，斜侵徹時彈體的侵徹能力更低。

（3）對于水面艦船防彈體侵徹設計，應著力改變彈體的侵徹角度而不是改變彈體的攻角，這樣既容易實現又更加有效。

采用LS-DYNA仿真分析彈體侵徹船用低碳鋼的侵徹過程，數值計算結果表明斜侵徹時彈體的侵徹能力比帶攻角侵徹時更低，改變彈體侵徹角度能夠有效實現對彈體的高效防護，該結論對水面艦船結構抗半穿甲彈侵徹防護設計大有裨益。

參考文獻：

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（編輯?武曉英）