長徑比對彈體斜侵徹多層混凝土靶姿態影響研究

張 博，張丁山，呂永柱，趙永剛，全嘉林

(西安近代化學研究所，西安 710065)

1 引言

地面建筑物目標是鉆地彈的重點打擊對象，一般為多層鋼筋混凝土結構。李江濤等研究了不同著角和速度對彈丸侵徹多層鋼混靶的彈道特性；吳普磊等研究了攻角對彈體斜侵徹多層混凝土靶的彈道偏轉影響；李鵬飛等研究了2種不同頭部結構彈體斜侵徹多層混凝土靶的偏轉規律；劉宗偉等建立了彈丸斜侵徹多層混凝土靶的彈道姿態計算模型；朱戰飛等研究了鋼混靶間距及層數對彈體斜侵徹彈道性能的影響；其他許多學者對彈體斜侵徹混凝土的機理及模型進行了深入研究，但是由于力學模型的缺乏，關于彈體參數對斜侵徹多層混凝土靶的姿態偏轉影響研究相關文獻較少。

為此，本文針對長徑比對彈體斜侵徹多層混凝土靶姿態偏轉影響的問題，采用數值仿真及次口徑侵徹試驗研究了不同長徑比彈體在710 m/s初速、10°著角情況下侵徹5層混凝土靶的姿態偏轉規律；結合彈體受力情況，從理論上定性分析了長徑比對彈體姿態的影響規律，為鉆地彈的結構設計提供參考。

2 試驗研究

2.1 試驗彈體結構參數

彈體由殼體、裝藥及后蓋組成,如圖1所示。殼體及后蓋材料為G50鋼，內部裝藥為HMX炸藥，各材料主要性能參數列于表1中。3種彈體方案參數列于表2中，為彈體長度，為彈體質心到彈體前端面長度，為彈體外徑，為彈體頭部弧段半徑，為彈體質心比，為彈體曲徑比；在方案設計中通過調整內部結構保證3種彈體結構質心比相同。

圖1 彈體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of projectile structure

表1 彈體材料主要性能參數Table1 The mechanical parameters of projectile

表2 3種方案彈體結構參數Table 2 The structural parameters of three projectiles

2.2 試驗過程

根據表2參數加工試驗彈體，如圖2所示。彈體采用320 mm平衡炮次口徑發射，利用高速攝影對彈體侵徹混凝土靶全過程進行追蹤記錄，試驗后分析彈體的速度及偏轉情況。5層混凝土靶如圖3所示，試驗前實測混凝土靶抗壓強度為41.3 MPa；第1層厚度300 mm，后4層厚度為180 mm，靶面垂直間距2 mm，靶面與水平夾角80°；第1～3層靶迎彈面尺寸為1.5 m×1.5 m，第4～5層靶迎彈面尺寸為2 m×2 m；試驗現場布局如圖4所示。

圖2 彈體實物圖Fig.2 Experimental projectile

圖3 5層混凝土靶實物圖Fig.3 Experimental concrete targets

圖4 試驗現場布局示意圖Fig.4 Layout of the experiment

2.3 試驗結果及分析

彈體侵徹5層混凝土靶后完整回收，彈體未出現彎折或斷裂，如圖5所示。3種長徑比彈體侵徹過程如圖6～圖8所示，彈體偏轉角度為彈體軸線與水平方向夾角，試驗結果列于表3。

圖5 回收彈體狀態圖Fig.5 Projectile after the test

圖6 長徑比4.01彈體侵徹過程示意圖Fig.6 Penetration process of the projectile with length-diameter ratio 4.01

圖7 長徑比4.46彈體侵徹過程示意圖Fig.7 Penetration process of the projectile with length-diameter ratio 4.46

圖8 長徑比4.92彈體侵徹過程示意圖Fig.8 Penetration process of the projectile with length-diameter ratio 4.92

表3 試驗結果Table 3 The experimental results

如圖9所示，隨著長徑比增大，彈體偏轉角度逐漸減小；長徑比從4.01增加至4.92時，偏轉角度從50.9°減小至31.5°，減小38.11%。

圖9 3種長徑比彈體試驗偏轉角度曲線Fig.9 Comparison of experimental trajectory deflection angle of three length-diameter ratio projectiles

3 數值仿真計算研究

3.1 數值仿真模型

利用ANSYS/LS-DYNA 軟件，依據表2彈體參數及試驗中靶板尺寸建立數值仿真模型，如圖10所示。殼體及后蓋G50材料選用帶應變率效應的Johnson-Cook材料模型；內部裝藥材料選擇Plastic-Kinematic模型；混凝土靶采用HJC強度模型，密度為2 440 kg/m，抗壓強度為41.3 MPa；HJC模型的主要性能參數見表4。

圖10 數值仿真模型示意圖Fig.10 Schematic diagram of projectile and target

表4 混凝土HJC模型主要參數Table 4 Parameters of HJC model for concrete

3.2 計算結果

對3種長徑比彈體方案進行數值仿真計算，初速為710 m/s，著角10。計算完成后讀取撞靶時刻彈體姿態偏轉角度，列于表5中。彈體偏轉角度隨靶板層數增加變化情況如圖11～圖13所示。

圖11 長徑比4.01彈體數值仿真結果云圖Fig.11 Simulation results of the projectile with length-diameter ratio 4.01

圖12 長徑比4.46彈體數值仿真結果云圖Fig.12 Simulation results of the projectile with length-diameter ratio 4.46

圖13 長徑比4.92彈體數值仿真結果云圖Fig.13 Simulation results of the projectile with length-diameter ratio 4.92

表5 數值仿真結果Table 5 Simulation results

圖14為3種長徑比彈體數值仿真偏轉角度曲線。

圖14 3種長徑比彈體數值仿真偏轉角度曲線Fig.14 Comparison of numerical simulation trajectory deflection angle of three length-width ration projectiles

3.3 試驗結果與仿真結果對比

圖15～圖17為3種長徑比彈體偏轉角度試驗結果與仿真結果曲線，試驗測得出靶速度與數值計算最大偏差為 8.25%，彈體出靶偏轉角度與數值計算最大偏差為8.06%，數值仿真計算結果與試驗結果符合較好。

圖15 長徑比4.01彈體試驗與仿真結果曲線Fig.15 Comparison of experimental and numerical simulation of the projectile with length-diameter ratio 4.01

圖16 長徑比4.46彈體試驗與仿真結果曲線Fig.16 Comparison of experimental and numerical simulation of the projectile with length-diameter ratio 4.46

圖17 長徑比4.92彈體試驗與仿真結果曲線Fig.17 Comparison of experimental and numerical simulation of the projectile with length-diameter ratio 4.92

4 數值仿真及試驗結果分析

結合試驗及數值仿真結果，將彈體侵徹單層混凝土靶過程分為3個階段，如圖18所示。圖中為戰斗部質心，為等效阻力中心，為戰斗部速度，為靶對戰斗部的等效作用力。第一階段彈體頭部侵入靶板，如圖18(a)所示，彈體頭部受到靶板的反作用力，此時由于著角的存在，作用在彈體頭部的等效作用力為不對稱力，且等效阻力中心距離質心遠，對彈體產生較大的偏轉力矩，導致彈體發生偏轉；第二階段隨著彈體向前運動，彈體中部進入靶板，如圖18(b)所示，此時等效阻力中心逐漸靠近質心，作用力對彈體產生的偏轉力矩減小；第三階段是彈體尾部出靶板的過程，如圖18(c)所示，由于第一階段偏轉力矩的作用，彈體產生偏轉角速度，在尾部出靶時靶板對彈體的等效作用力產生的偏轉力矩將與第一階段的偏轉力矩方向相反，且隨著等效阻力中心逐漸遠離質心，彈體所承受的偏轉力矩隨之增大，使彈體向著與第一階段相反的方向偏轉。

圖18 彈體侵徹混凝土靶受力過程示意圖Fig.18 Schematic diagram of projectile penetrate the concrete target

彈體在侵徹后續混凝土靶時受力狀態與首層類似，主要區別為3個階段偏轉力矩方向的不同，可歸結為第一階段彈體偏轉，第二階段隨進，第三階段修正(反向力矩)。

彈體初始動能一定時，隨著長徑比增大，彈體在穿靶過程中所承受的偏轉力矩及修正力矩均增大。結合試驗及仿真結果得出，所設計的3種長徑比彈體方案在侵徹5層混凝土靶過程中偏轉力矩對彈體的作用大于修正力矩；隨著長徑比的增大，修正力矩的作用增加幅度大于偏轉力矩，因此彈體偏轉角度降低。彈體偏轉角度隨長徑比的增加近似為指數性降低，如圖19所示。

圖19 彈體偏轉角度隨長徑比變化曲線Fig.19 The curve between trajectory deflection angle and length-diameter ratio of projectile

5 結論

1)在初始動能相同條件下，彈體偏轉角度隨長徑比增大而減小；

2)彈體長徑比從4.01增加至4.92時，偏轉角度從50.9°減小至31.5°，減小38.11%；

3)試驗中出靶彈體偏轉角度與數值仿真結果最大偏差為8.06%，數值仿真模型計算精度較高。