不同材料破片侵徹空中目標仿真研究

賈曉玲

(武警工程大學 裝備管理與保障學院，陜西 西安 710086)

0 引言

巡航導彈是一種無人駕駛、攜帶戰斗部、用氣動力支撐其重量、靠吸氣式發動機推動克服前進阻力的有翼自控飛行器。它的出現不僅使戰爭變得非常復雜，而且也成為威脅人類社會最大的武器之一。為了提高攔截巡航導彈的成功率，設計高殺傷效率的戰斗部，尤其是破片殺傷戰斗部，在當今的反導系統研制過程中就顯得尤為重要。

ANSYS/AUTODYN軟件是一個功能強大的用來解決固體、流體、氣體以及相互作用的高度非線性動力學問題的顯式分析模塊，本文使用該軟件對不同材料破片侵徹巡航導彈等效靶的侵徹能力進行仿真模擬，以期能對預制破片戰斗部的材料選用提供幫助。

1 計算模型的建立

1.1 有限元模型

侵徹模型選擇密度高、衰減系數小、直徑為7 mm的球形破片，材料分別為鎢合金和4340鋼，且假設球形破片侵徹目標時破片不具有轉速，目標靜止。等效靶模型的建立如圖1所示，首先將不同于等效靶的材料等效為等效靶材，然后將同一種材料的間隔靶等效成最終的等效靶。

圖1 等效靶模型的建立

等效靶的厚度h可根據原部件本體材料與等效靶材的強度極限比進行折算得到，即：

(1)

其中：h0為原部件的平均抗彈厚度，h0=15.3 mm；σ0為原部件材料的強度極限，σ0=260 MPa；σ為等效靶的強度極限，σ=265 MPa。

根據公式(1)可以將巡航導彈等效為厚度為15 mm的2024硬鋁。

鎢合金和4340鋼球形破片正侵徹等效靶的仿真模型如圖2所示。

圖2 球形破片正侵徹等效靶的仿真模型

1.2 John-cook本構模型

(2)

2 仿真結果與分析

2.1 破片極限穿透速度分析

仿真分析得到的不同材料不同入射角度對破片極限穿透速度的影響如表1所示。

表1 不同材料不同入射角度下的破片極限穿透速度 m/s

由表1可知：對于鎢合金破片，當入射角度由0°～60°變化時，破片極限穿透速度增加量分別為45 m/s、80 m/s、270 m/s、850 m/s；對于4340鋼破片，當入射角度由0°～45°變化時，破片極限穿透速度增加量分別為110 m/s、290 m/s、390 m/s。由此可知，相同材料下，當破片的入射角度越大時，侵徹所經歷的時間越長，破片極限穿透速度呈非線性增加。

2.2 破片形變量分析

首先選擇塑性應變小于靶板的4340鋼球形破片進行仿真，得到的入射角度為90°不同初速下破片正侵徹靶板的形變量如圖3所示。

圖3 4340鋼破片正侵徹時的形變量

再選擇鎢合金球形破片進行仿真，得到的入射角度為90°不同初速下破片正侵徹靶板的形變量如圖4所示。

圖4 鎢合金破片正侵徹時的形變量

由圖3和圖4可知：隨著速度的增大，相同材料破片形變量逐漸增大；4340鋼破片的形變量明顯大于鎢合金破片，隨著初速的增加，4340 鋼破片的剩余質量越來越小，而鎢合金破片的剩余質量幾乎沒有變化。仿真結果表明：4340鋼破片的侵蝕率要大于鎢合金破片，所以，鎢合金破片能夠更好地完成穿透任務。

2.3 撞擊溫度分析

首先選擇穿透性能更好的鎢合金破片進行仿真，入射角度為90°正侵徹時破片以不同初速度侵徹靶板的溫度如圖5所示。

圖5 鎢合金破片以不同初速度撞擊靶板的溫度

再選擇4340鋼破片進行仿真，入射角度為90°正侵徹時以不同初速撞擊靶板的溫度如圖6所示。

圖6 4340鋼破片以不同初速度撞擊靶板的溫度

由圖5和圖6可知：相同材料破片以不同初速正侵徹靶板時，初速度越高，靶板的溫度也越高；兩種不同材料破片，即使初速度相差很多，但靶板的最高撞擊溫度也相差不多。

2.4 等效靶的形貌變化

首先選擇塑性應變大于靶板材料的鎢合金破片進行仿真，破片以相同初速度(1 500 m/s)不同入射角度侵徹靶板時所造成的彈坑形狀如圖7所示。

圖7 鎢合金破片侵徹靶板時的彈坑形狀

再選擇塑性應變小于靶板材料的4340鋼破片進行仿真，破片以相同初速度(1 500 m/s)不同入射角度侵徹靶板時所造成的彈坑形狀如圖8所示。

圖8 4340鋼破片侵徹靶板時的彈坑形狀

由圖7和圖8可知：在相同初速度下，隨著入射角度的增大，破片貫穿靶板時彈口直徑越來越大，鎢合金破片以75°入射角侵徹時已不能貫穿靶板，并且會發生跳彈現象；4340鋼破片以60°入射角侵徹時已經很難穿透目標而達到作戰目的。因此在破片戰斗部的設計中建議選用鎢合金破片而非鋼破片。

3 結論

通過分析鎢合金破片和4340鋼破片侵徹等效靶時的彈道極限速度、撞擊溫度、形變量和侵徹時的彈坑形貌特征，得出了強度和密度都大于4340鋼破片的鎢合金破片更適合作為破片戰斗部，也能更好地完成作戰任務。故對于破片戰斗部來講，高密度材料的穿透性能要高于相對低密度的材料，高密度材料更能達到作戰目的，從而完成作戰任務。