基于某主動防護的彈丸撞擊網板過載特性分析*

尚宇晴,杜忠華,吳 勇,陳 曦

(1 南京理工大學機械工程學院,南京 210094;2 河北太行機械工業有限公司,石家莊 050000)

0 引言

為提高防護目標的戰場生存能力,許多國家都在積極研究主動防護系統。目前,國內外的近程主動防護攔截誘爆系統[1-2]主要采用雷達探測來襲彈丸的方位,并把探測信息傳遞給中央控制系統,控制系統解算最佳攔截誘爆時間及方位,指揮對抗系統發射多種彈藥,在距離防護目標一定距離處形成彈藥毀傷區域,誘爆或偏轉來襲彈丸。大部分的主動防護系統存在防御彈藥對防護目標產生附帶傷害,雷達對來襲彈丸的探測精度不夠導致指揮系統的指揮出現偏差降低了防護的效率。針對目前這些方面的不足,文中提出一種新型近程主動防護攔截誘爆系統,其對抗系統通過發射四個牽引體,牽引體牽引網板飛出,與來襲彈丸相撞,誘爆來襲彈丸。該主動防護系統作用原理如圖1所示。該新型主動防護系統突破傳統思想,采用點面式的攔截誘爆模式,網板具有一定的面積,可減小由于探測誤差而引起的攔截失誤。且牽引體無需裝填炸藥,安全性好,不存在防御彈藥對保護目標產生傷害。

對于網板與來襲彈丸相撞是否能夠誘爆來襲彈丸,需進行來襲彈丸與網板的撞擊過載特性探究,得出不同情況下的過載力情況,為對抗系統做出判斷提供依據,實現以最佳的狀態進行撞擊誘爆。針對過載特性的研究,國內外諸多學者[3]在研究彈丸侵徹混凝土靶板的過載特性方面頗有造詣,分析不同速度、不同著靶角、不同彈丸對不同厚度混凝土的過載特性[4-6]。而對于此新型主動防護系統,若采用很厚的混凝土靶板是不切實際的,質量太重給整個發射裝置帶來難點以及厚重的靶板在空中飛行不確定因素太多,會影響攔截的精度,故此主動防護系統采用質量較輕的網板進行攔截誘爆。針對攔截誘爆的情況,文中進行了不同參數網板與來襲彈丸在不同速度、不同質量、不同著靶角下過載特性的研究,為此新型主動防護的設計及中央控制系統的指揮做出理論依據。

圖1 系統作用原理示意圖

1 有限元數值仿真模型的建立

1.1 網板模型

圖2 網板的三維示意圖

針對需要依靠撞擊目標產生的過載力引爆自身的來襲彈丸,此主動防護通過發射網板,使網板與來襲彈丸相撞,誘爆來襲彈丸。該主動防護的網板三維示意如圖2所示,能否成功誘爆來襲彈丸通過網板與來襲彈丸相撞時的過載力進行判斷。對來襲彈丸與網靶的數值仿真在保證模擬可信度的條件下對模型進行合理的簡化[4-6],其網板整體尺寸為1 m×1 m,因網板由一根根具有一定直徑的鋼絲組成,故網板材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATI塑性隨動強化模型,密度為7.86 g/cm3,楊氏模量為207 GPa,屈服強度為1 770 MPa,泊松比為0.3[7],采用Cowper-Symonds模型來考慮材料的塑性應變效應,單元采用BEAM單元,通過偶合節點處理鋼絲之間的連接。網板的仿真模型局部放大示意如圖3所示。

圖3 網板的仿真模型局部放大示意圖

1.2 彈丸模型

需要過載力引爆的引信可用于多種彈丸上,在數值仿真時,將彈體進行簡化,文中將來襲彈丸彈頭近似卵形,忽略細微的外形尺寸,仿真模型簡化如圖4所示。彈丸撞擊網板過程中,彈丸幾乎不發生變形或變形很小,可視為剛體,故彈丸采用*MAT_RIGID剛體模型,楊氏模量為210 GPa,泊松比為0.3[7]。

圖4 來襲彈丸仿真簡化圖

1.3 接觸及邊界條件

對于傳統研究的彈丸侵徹靶板均采用侵蝕接觸,而侵蝕接觸用于一個或兩個表面的單元在接觸時發生材料失效,接觸依舊在剩余的單元中進行,它只能用于實體單元表面發生失效貫穿的問題等。而本模型靶板為梁單元的網板,不符合侵蝕接觸的使用范疇[8]。對于本模型類型采用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL。來襲彈丸與網板撞擊的仿真三維模型如圖5所示。

圖5 彈丸與網板仿真模型圖

對于主動防護系統,來襲彈丸種類比較繁多,其大多數速度在200～500 m/s之間[9],故對該速度范圍的彈丸進行仿真;由于此主動防護系統通過發射網板進行撞擊來襲彈丸,故網板具有一定的初速度,且網板飛行距離較短,在10 m左右,所以網板可以簡化為勻速直線運動,仿真時可將網板的速度轉換到來襲彈丸速度上?，F對著角(即來襲彈丸軸線與網板法線之間的夾角)范圍為0°～40°進行仿真;考慮彈丸的尺寸及網板的重量,對網板的鋼絲直徑為4～7 mm,網孔邊長為16～30 mm的情況下進行仿真。

根據牛頓第二定律F=ma,當m一定時,可通過來襲彈丸的加速度來體現其所受過載力的情況?，F對來襲彈丸不同速度、不同直徑、不同質量、不同著角及網板不同鋼絲直徑、不同網孔尺寸,利用dyna軟件進行仿真,得不同情況下的最大加速度值。

2 仿真結果分析

2.1 來襲彈丸速度及著角對過載的影響

當彈徑100 mm、網板鋼絲直徑為4 mm及網孔邊長為20 mm時,對不同著速及不同著角的來襲彈丸撞擊網板進行仿真分析過載特性,著速200～500 m/s及著角0°～40°的情況下來襲彈丸最大加速度仿真數值如圖6所示。

圖6 來襲彈丸速度及著角對最大加速度的影響

從圖6中可以看出,隨著來襲彈丸速度增加來襲彈丸最大過載力增加,故此主動防護系統在其他相同情況下,為使引信獲得較大的過載力,此模型較宜適用于攔截較高速度的彈丸。根據此特性,在設計此主動防護時可適當提高網板的發射速度。從仿真結果可以看出,當著角為0°即來襲彈丸垂直撞擊網板時,來襲彈丸所受過載力最大,當來襲彈丸與網板相撞有一定角度時,來襲彈丸所受最大過載力迅速減少,隨著著角度數的增加,來襲彈丸所受最大過載力增加,但當著角大于25°時,過載力增加緩慢甚至可能會出現稍微的下降,考慮過載力方向對激發慣性觸發引信的影響,主動防護系統應盡量避免網板與來襲彈丸相撞角度超過25°。

2.2 網板鋼絲直徑對過載的影響

當彈徑100 mm、網板網孔邊長為20 mm,來襲彈丸與網板垂直相撞時,來襲彈丸最大加速度與網板鋼絲直徑的關系,仿真結果如圖7所示。

圖7 網板鋼絲直徑對最大加速度的影響

從圖7中可以看出,來襲彈丸的最大過載力隨著鋼絲直徑的增加而增加,故此主動防護系統網板鋼絲直徑的選擇可根據誘爆來襲彈丸需要的過載力進行選擇,在主動防護系統發射裝置所能承受的最大重量程度情況下,選擇讓來襲彈丸獲得最大過載力的網板類型。

2.3 來襲彈丸質量對過載的影響

在網板鋼絲直徑為4 mm及網孔20 mm,彈徑100 mm來襲彈丸垂直撞擊網板時,來襲彈丸質量(通過改變彈丸密度改變彈丸質量)對最大加速度的影響,仿真結果如圖9所示。

圖8 來襲彈丸質量對最大加速度的影響

從圖8中可以看出,在其它相同情況下,來襲彈丸最大加速度隨著彈丸質量增加而減小。在一定的來襲彈丸速度與質量變化范圍內,根據牛頓第二定理F=ma可知,來襲彈丸與網板相撞的最大過載力大體相同。

2.4 來襲彈丸直徑與網板網孔邊長比值對過載的影響

來襲彈丸質量對最大加速度有很大的影響,為避免質量對該因素仿真結果產生影響,通過改變彈丸密度保證在相同來襲彈丸質量的前提下進行仿真,當著角為0°、網板鋼絲直徑為4 mm時,分析不同來襲彈丸直徑與網板網孔邊長比值情況下,對過載力的影響,由于來襲彈丸直徑與網板網孔邊長比值不能過小,過小會增大來襲彈丸直接從網板的網孔中穿過的可能性,使得網板失去主動防護的意義,故現對來襲彈丸直徑與網板網孔比值大于4的情況下進行仿真,其仿真結果如圖9所示。

圖9 來襲彈丸直徑與網板網孔比值對最大加速度的影響

從圖9中可以看出,隨著來襲彈丸直徑與網板網孔邊長比值的增大來襲彈丸最大過載力增加。來襲彈丸直徑與網板網孔比值越大意味著網板與來襲彈丸相撞時接觸作用于來襲彈丸上的鋼絲數越多,故來襲彈丸所承受的力在一定程度上越大。為此主動防護系統選擇攔截誘爆來襲彈丸的種類以及設計網板網孔大小提供了理論依據。在設計網板網孔大小時,要充分考慮到來襲彈丸直徑與網板網孔比值不能過小,避免來襲彈丸可能直接從網板的網孔中穿過或者網板對來襲彈丸產生極小的過載力,失去主動防護攔截的意義,故選擇網孔直徑時,要充分考慮來襲彈丸的直徑,保證兩者的比值在合理的范圍內。

圖10 來襲彈丸加速度隨時間變化曲線

在進行數值仿真實驗時,在相同條件下,當來襲彈丸隨機垂直撞擊網板時,最大加速度值不變;當來襲彈丸隨機傾斜撞擊網板時,最大加速度值只有輕微的小波動,但波動較小,不影響結果。通過模擬來襲彈丸撞擊網板的動態過程,得出來襲彈丸加速度隨時間變化曲線如圖10所示。

從圖10曲線可以看出,當來襲彈丸的彈頭某一位置運動至與網板接觸時達到最大加速度如圖11所示,所以初始狀態來襲彈丸與網板撞擊的位置為縱橫向鋼絲交會處還是網孔中心對仿真結果影響不大。

圖11 最大加速度時來襲彈丸與網板的相對位置

3 試驗

為驗證此仿真模型的正確性,此新型主動防護系統是否成功誘爆來襲彈丸,現進行網板誘爆來襲彈丸的試驗,總體試驗方案示意如圖12所示,將網板固定在靶架上,在距離靶架50 m處放置來襲彈丸的發射裝置,來襲彈丸實物圖如圖13所示,其彈道垂直指向網板中心,在兩者之間靠近發射裝置一側放置兩銅箔靶,兩銅箔通過導線與速度測量儀器相連,用于測量來襲彈丸飛行速度,其中速度測量儀器如圖14所示,高速攝像裝置放置在網板靶架一側合適位置上,用于觀測和記錄試驗過程。

圖12 總體試驗方案示意圖

圖13 來襲彈丸

來襲彈丸撞擊網板,試驗結果如圖15所示。

從實驗結果可以看出成功誘爆了來襲彈丸,可以得出仿真模型的正確性以及此新型主動防護系統誘爆原理的可行性。

圖14 速度測量儀器

圖15 來襲彈丸試驗圖

4 結論

文中通過數值仿真軟件LS/DYNA研究了來襲彈丸撞擊網板的過載特性,利用單一變量原則,通過仿真的結果得出:

1)來襲彈丸的最大過載力隨著來襲彈丸速度的增大而增加;

2)來襲彈丸垂直撞擊網板時最大過載力最大,當有一定著角時兩者相撞時最大過載力急速下降然后再隨著角的增大最大過載力增加;

3)來襲彈丸最大過載力隨著網板鋼絲直徑的增大而增加;

4)來襲彈丸最大加速度隨著彈丸質量的增加而減小,在一定范圍內,來襲彈丸的最大過載力保持不變;

5)來襲彈丸最大過載力隨著來襲彈丸直徑與網板網孔邊長比值的增大而增加。