提高破甲彈破甲威力的引信帽褶臺結(jié)構(gòu)

劉 奇，李 娜，李美亞，武 澎，李安邦

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.新疆軍區(qū)保障部裝備保障四隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引言

對于破甲彈攻擊而言，其形成的聚能射流是對裝甲裝備內(nèi)部的器件和人員造成傷害的最主要因素[1]。因此，針對破甲彈戰(zhàn)斗部在大著角打擊裝甲目標(biāo)過程中，射流斜侵徹裝甲板厚，如何提高破甲威力,提升射流毀傷效果是目前研究的主要方向。到目前為止，提高破甲威力，提升射流毀傷效果的研究方向主要為提高射流穿深和增大穿孔直徑。方法主要包括：改善藥型罩結(jié)構(gòu)[2]、改變炸高[3]、通過隔板改變爆轟波方向[4]、設(shè)計新藥型罩材料[5]、改變著靶角度[6]等。

如何改變著靶角度從而減少射流需要穿透靶板厚度方面，程劍等從戰(zhàn)斗部角度提出了在破甲彈尾部安裝炸藥[6]。通過炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟驅(qū)動力，改變著靶角度。但只是進(jìn)行了可行性分析，尚未研制出原理樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。針對破甲彈戰(zhàn)斗部在大著角打擊裝甲目標(biāo)過程中，射流斜侵徹裝甲板厚，破甲威力較低的問題，本文提出了提高破甲彈破甲威力的引信帽褶臺結(jié)構(gòu)。

1 破甲過程分析

1.1 破甲彈穿透均質(zhì)鋼靶板原理

聚能裝藥破甲戰(zhàn)斗部之所以能對裝甲車輛內(nèi)部形成有效毀傷 ，其機(jī)理為在引信作用后，引爆破甲彈內(nèi)部聚能裝藥。金屬藥型罩在軸線處發(fā)生碰撞，碰撞后在高壓作用下，形成一股連續(xù)的高溫、高壓、高速金屬射流，從而實(shí)現(xiàn)對裝甲的侵徹毀傷[7]。

破甲彈引信主要包括彈底引信、頭部引信帽、連接導(dǎo)線等。為了實(shí)現(xiàn)破甲彈引信具有較高的瞬發(fā)度，引信的碰合開關(guān)需要裝配在彈丸頭部。通過彈丸頭部引信帽和接電體的碰合實(shí)現(xiàn)頭部開關(guān)的碰合[8]。依賴于破甲彈引信較高的瞬發(fā)度，破甲彈在引信帽碰擊裝甲板10～20 μs即產(chǎn)生射流，依靠射流能量穿透主均質(zhì)鋼板及后效靶板[9-10]。

1.2 改進(jìn)設(shè)計的理論

破甲彈碰擊裝甲如圖1所示。

圖1 破甲彈碰靶示意圖Fig.1 Armor hit target

根據(jù)圖1可知，在一定時刻，射流穿透裝甲板行程為：

h=d/cosθ

(1)

式(1)中，d為均質(zhì)裝甲厚度，θ為彈丸與裝甲的垂直法向夾角。

由式(1)可知，當(dāng)彈丸侵徹靶板角度θ減少時，射流穿透裝甲板行程量隨之減少。

θ減小對射流穿透靶板的影響如表1所示。

表1 θ減小對射流穿透靶板的影響

2 提高破甲彈破甲威力的引信帽褶臺結(jié)構(gòu)

由式(1)可知，在裝甲板厚度d不變的條件下，減小破甲彈著靶角度θ，即可實(shí)現(xiàn)射流穿透裝甲板行程h變短。

原有的破甲彈裝配的錐形結(jié)構(gòu)引信帽如圖2所示，彈丸侵徹靶板著角為68°。由于彈丸著角過大，在碰靶過程中引信帽錐角先接觸靶板，在彈丸作用前會產(chǎn)生向上的滑移。使破甲彈侵徹靶板角度變大，射流需要穿透靶板厚度增大。

本文提出的提高破甲彈破甲威力的引信帽褶臺結(jié)構(gòu)，在原有的錐形結(jié)構(gòu)引信帽基礎(chǔ)上增加一道褶臺，結(jié)構(gòu)如圖3所示。使得裝配該引信帽的破甲彈在大著角碰靶板時(當(dāng)著角大于63°時)褶臺先接觸靶板，彈丸在其作用下產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)，使彈丸侵徹靶板著角適當(dāng)減小，從而使射流需要穿透靶板行程減少，提高破甲威力。

圖2 錐形結(jié)構(gòu)引信帽Fig.2 Tapered structure fuze cap

圖3 褶臺結(jié)構(gòu)引信帽Fig.3 Fold structure fuze cap

3 褶臺結(jié)構(gòu)引信帽的仿真驗(yàn)證

3.1 仿真參數(shù)

本文采用125 mm破甲彈進(jìn)行仿真，破甲彈彈重18.5 kg，速度900 m/s，攻角0°，靶標(biāo)厚度220 mm，后傾角68°。

3.2 有限元建模

建模時，在不影響計算結(jié)果的前提下進(jìn)行幾何簡化處理，去掉螺紋連接結(jié)構(gòu)，采用共節(jié)點(diǎn)建模，等效螺紋連接。裝藥僅作為配重，侵徹歷程中作為彈塑性材料模型，不發(fā)生爆炸。考慮幾何模型的對稱性，建立二分之一模型，在不影響計算結(jié)果的前提下減少計算機(jī)時。

仿真計算使用ANSYS/LS-DYNA 14.0有限元分析軟件，計算采用Largrange坐標(biāo)描述增量算法，采用八節(jié)點(diǎn)六面體SOLID 164單元建模。

3.3 計算參數(shù)設(shè)置

破甲彈、靶板材料本構(gòu)模型及其主要參數(shù)見表2。

表2 破甲彈建模參數(shù)

破甲彈和靶板采用面-面侵蝕接觸(Eroding Surface to Surface Contact)模型，并對鋼靶材料模型引入侵蝕算法刪除破壞的單元，當(dāng)表面單元失效后繼續(xù)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部定義新的接觸面。材料失效判據(jù)采用最大塑性應(yīng)變失效判據(jù)和拉伸負(fù)壓力失效判據(jù)，即認(rèn)為在計算過程中，當(dāng)單元的等效塑性應(yīng)變或者負(fù)壓力達(dá)到設(shè)定值時，單元不再承受應(yīng)力并被刪除，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部對靶標(biāo)的侵徹。

建模過程采用cm-g-μs單位制，仿真計算時間為100 μs，每0.2 μs輸出一次計算結(jié)果文件。

3.4 仿真結(jié)果及分析

由于破甲彈發(fā)射速度為900 m/s左右，頭部引信帽結(jié)構(gòu)的改變對彈丸碰靶速度的影響較小，對碰靶過程中飛行動力學(xué)影響可以忽略。

本文引信帽改進(jìn)的主要目的是產(chǎn)生轉(zhuǎn)正角度，縮短射流侵徹行程，射流侵徹功能部分未做改動。故仿真僅建立固體力學(xué)模型，進(jìn)行轉(zhuǎn)正角度的仿真，分析引信帽改進(jìn)后的受力特性和轉(zhuǎn)正角度。

由于破甲彈引信瞬發(fā)作用時間為10 μs左右，所以對兩種結(jié)構(gòu)引信帽破甲彈在碰靶10 μs時的侵徹應(yīng)力及褶臺結(jié)構(gòu)引信帽破甲彈侵徹靶板的轉(zhuǎn)正角度進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 引信帽碰靶后10 μs受力圖Fig.4 Fuze cap attacks target 10 μs force

由圖4可看出錐形結(jié)構(gòu)引信帽破甲彈，其應(yīng)力集中主要在引信帽和彈丸頭螺處；褶臺結(jié)構(gòu)引信帽破甲彈，其應(yīng)力集中主要在靶板，彈丸應(yīng)力頭螺處應(yīng)力較小。

由于彈丸在碰擊靶板過程中，引信帽和靶板接觸點(diǎn)在其質(zhì)心運(yùn)動方向下方，彈丸尾部會產(chǎn)生向上的旋轉(zhuǎn)力矩，彈丸頭部向上滑移，在引信帽和彈丸頭螺處形成應(yīng)力集中，同時抵消了旋轉(zhuǎn)力矩使得彈丸侵徹靶板角度不會減少。裝配褶臺結(jié)構(gòu)引信帽的破甲彈在侵徹靶板過程中，由于褶臺的存在，使彈丸無法滑移，從而使得彈丸在碰靶過程中在旋轉(zhuǎn)力矩的作用下，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)，使得彈丸侵徹靶板角度減小，從而減少了射流需要穿透靶板的行程，提高了射流穿透效果。

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證褶臺結(jié)構(gòu)引信帽設(shè)計的實(shí)用有效性，分別用5發(fā)原錐形結(jié)構(gòu)引信帽125 mm破甲彈，5發(fā)褶臺結(jié)構(gòu)引信帽125 mm破甲彈進(jìn)行了動破甲試驗(yàn)。動破甲試驗(yàn)試驗(yàn)靶板為厚220 mm鋼靶，后效靶為10層、厚10 mm Q235后效鋼板/層，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 兩種引信帽結(jié)構(gòu)破甲彈對220 mm鋼靶動破甲試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果分析：通常采取射流對后效鋼板的毀傷平均層數(shù)來作為破甲彈戰(zhàn)斗部毀傷威力的衡量指標(biāo)，通過表3可以看出，裝配錐形結(jié)構(gòu)引信帽的戰(zhàn)斗部對220 mm厚鋼靶的毀傷效果為：主靶均可穿透，但是平均后效層數(shù)只達(dá)到2.6層。而裝配褶臺結(jié)構(gòu)引信帽的戰(zhàn)斗部對220 mm厚鋼靶的毀傷效果為：主靶均可穿透，平均后效層數(shù)可達(dá)3.7層。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后戰(zhàn)斗部毀傷效果較改進(jìn)前有明顯提高。

4 結(jié)論

本文提出了提高破甲彈破甲威力的引信帽褶臺結(jié)構(gòu)。該引信帽褶臺結(jié)構(gòu)通過在原有的錐形結(jié)構(gòu)上增加褶臺，使得裝配該引信帽的破甲彈在大著角碰靶板時褶臺先接觸靶板，彈丸在其作用下產(chǎn)生一定旋轉(zhuǎn)，使彈丸侵徹靶板著角適當(dāng)減小，從而使射流需要穿透靶板行程減少，提高破甲威力。經(jīng)仿真驗(yàn)證表明，在彈丸碰擊靶板過程中，褶臺結(jié)構(gòu)引信帽能夠使彈丸在碰擊靶板過程中著角彈丸侵徹靶板角度由68°減少為65.7°，射流穿透主裝甲板的行程減少約52 mm，減少約8%。經(jīng)試驗(yàn)證明，裝配褶臺結(jié)構(gòu)引信帽的戰(zhàn)斗部動破甲平均后效層數(shù)由原來的 2.6層增加到3.7層，破甲威力提高，驗(yàn)證了設(shè)計的有效性。考慮到最新的坦克裝甲設(shè)計中均加裝反應(yīng)裝甲，對破甲彈射流的影響更加復(fù)雜，后續(xù)將分析在反應(yīng)裝甲條件下該結(jié)構(gòu)對破甲效果的影響。