半穿甲彈侵徹爆炸綜合毀傷純鋼靶的數值仿真研究

賈振鐸，趙 錚

(南京理工大學 能源與動力工程學院，南京 210094)

半穿甲彈包括穿甲爆破彈和穿甲燃燒彈，其中穿爆彈被廣泛應用于軍事打擊中，典型的半穿甲彈戰斗部有美國的“捕鯨叉”、法國的“飛魚”、德國的“鸕鶿”以及挪威的“企鵝”等。穿爆彈依靠自身動能侵徹到目標中后由彈底引信起爆裝藥，通過爆炸產生的氣體產物和殼體破片以及壓縮周圍氣體介質產生的沖擊波對目標進行毀傷。半穿甲彈經常被用來打擊機場跑道、水面艦艇、導彈發射井防護結構等。其中，軋制鋼板作為典型的防護結構，具有良好的承載能力、可加工性及價格低廉，被廣泛的用于防護領域中，在復合防護結構中一般將鋼板當做面板以及背板以增加防護結構抗侵爆及沖擊的能力，故進行半穿甲彈對鋼靶的抗侵徹爆炸作用分析對于裝甲防護結構設計具有重要意義。

目前對半穿甲彈侵徹爆炸綜合作用防護結構的研究進行的并不多，多是對侵徹過程分析的研究，而對爆炸過程進行研究分析的較少。Song.W等[1]對單層靶及多層靶進行了侵徹分析的數值模擬，得到了靶板的變形與破壞結果。Shokrieh.M.M等[2]使用LS-DYNA對彈丸斜侵徹陶瓷纖維復合裝甲進行了數值模擬，得到了復合裝甲的彈道極限速度。Ali.M.W等[3]對穿甲彈侵徹復合裝甲進行了試驗和仿真分析，研究了復合裝甲的失效現象，通過仿真預測彈孔的形成以及穿透現象。Seifert.W等[4]對穿甲彈侵徹有間隙的陶瓷靶板進行了試驗研究，隨著間隙寬度的增加及粘合劑剛度的降低，裝甲的防彈性能降低。朱建方等[5]對半穿甲彈不同入射角侵徹不同厚度及加筋靶板進行了研究，得到了侵徹規律與撞擊速度的關系，同時運用ALE算法和流固耦合方式對艦艇艙室內爆流場及毀傷效應進行了動態描述。杜宏寶等[6]進行了侵爆子彈侵徹混凝土介質及對混凝土介質爆破效應的數值模擬研究。陳勇軍等[7]運用ANSYS/LS-DYNA對穿爆彈以不同著角不同著速侵徹不同厚度均質鋼靶板進行了仿真，表明改變彈體頭部形狀和尺寸可以提升半穿甲彈的穿甲性能。馮春等[8]基于一虛擬工況，分析了鉆地彈侵徹及爆炸的雙重效應對周邊巖體及地下構筑物的影響規律。齊文龍[9]在模擬半穿甲彈戰斗部侵徹過程中，對半穿甲彈建立了不同的頭部結構模型，對比頭部結構對穿甲效果的影響，結果表明尖頂型頭部有更好的侵徹效果。宋萬成[10]以靶板層數作為仿真變量，對半穿甲彈侵徹靶板過程進行了數值模擬，在靶板總厚度相同情況下，靶板層數越多，抗侵徹能力越弱。候曠怡等[11]對半穿甲彈著靶時不同攻角和著角對穿甲過程的影響進行了研究，結果證明著角、攻角都會對穿甲過程產生影響，攻角影響更大。苗潤等[12]對半穿甲彈侵徹復合防護結構加筋靶板進行了數值計算，得到了彈體穿靶剩余速度和穿靶能量消耗等數據。

本文對半穿甲彈侵爆純鋼靶的侵徹毀傷過程及后續的爆炸毀傷過程進行數值模擬分析。通過二次建模還原鋼靶穿孔形態，并進行半穿甲彈對鋼靶的爆炸毀傷作用分析。擬選取美國的AN-M43半穿甲彈(圖1)作為研究對象，為了便于分析，將彈形進行簡化。同時，選取純鋼結構作為靶板，通過對侵徹爆炸綜合過程的模擬，對不同著靶速度下，半穿甲彈對純鋼靶的侵爆毀傷結果展開分析，并進行了爆炸沖擊波對靶后防護設備安全性分析。

1 模型及材料參數

半穿甲彈侵徹鋼靶防護結構有限元模型見圖2，侵徹過程仿真模型由半穿甲彈殼體、炸藥、靶板組成，均采用拉格朗日網格。半穿甲彈彈長1.48 m，彈徑0.273 m，彈重500 lb，裝藥量60 kg；靶板防護結構厚1 m，半徑1.5 m。為節省運行時間，可將模型簡化為1/2對稱模型，并在對稱面施加對稱約束，靶板的周向設置為全約束，半穿甲彈與靶板之間的接觸定義為侵蝕接觸，炸藥和殼體之間接觸定義為自動面-面接觸。

圖2 侵徹過程有限元模型

仿真模型由彈體、炸藥、空氣、鋼靶組成。根據在大應變及高應變率下的動力學研究對比得出，半穿甲彈彈體材料選用4340鋼較為合理[9]，靶板材料選用603裝甲鋼，均使用Johnson-Cook模型進行描述，靶板材料的失效由最大失效塑性應變來決定是否刪除失效單元。4340鋼和603裝甲鋼的材料參數如表1。其中A為屈服應力常數，B為應變硬化常數，n為應變硬化指數，c為應變率相關系數，m為溫度相關指數。

黑索金(RDX)材料參數如表2。其中:D為爆速，PCJ為爆壓，A、B、R1、R2為JWL狀態方程中的擬合參數。由于篇幅所限，文中僅給出主要參數。

表1 殼體及靶板材料參數

表2 炸藥材料參數

2 侵徹過程分析

侵徹過程中將彈體視為剛體，彈的著靶速度分別為600 m/s、700 m/s、800 m/s以及 900 m/s，侵徹過程計算3 000 μs，使用LS-DYNA求解計算得到侵徹結果，采用LS-PREPOST軟件進行后處理，得到不同著靶速度下的侵徹結果以及彈體的速度時間曲線圖3所示。

由圖3可以看出，半穿甲彈的穿深隨著靶速度的增大而增大，侵徹擴孔也隨著著靶速度的增大而增大，靶板的殘余厚度隨著靶速度的增大而減小，著靶速度600～900 m/s情況下靶板的殘余厚度分別為39.60 cm、28.41cm、17.26 cm和0，可見著靶速度為900 m/s時，半穿甲彈剛好穿透鋼靶防護結構，其后續爆炸毀傷會對防護結構中設備及人員造成致命打擊，在靶板未穿透情況下，爆炸過程的作用使靶板形成擾動，爆炸過程只進行著靶速度600 m/s、700 m/s及800 m/s情況的仿真分析，用以得到靶后沖擊波壓力大小。

3 爆炸過程分析

由于計算侵徹過程的拉格朗日網格大變形導致運算終止，爆炸過程分析需要二次建模?；谇謴亟Y果重新建立靶板模型，還原穿孔形態。靶板、彈殼采用拉格朗日算法，炸藥、空氣域采用歐拉算法，使用流固耦合算法對侵徹爆炸過程進行數值模擬。有限元模型如圖4所示，在對稱面施加對稱約束，靶板周向采用全約束，空氣域周向采用透射邊界。炸藥起爆方式采用后置中心起爆。

選取著靶速度800 m/s情況給出爆炸過程中的壓力云圖如圖5。由壓力云圖可以看到半穿甲彈由底部起爆，爆轟波開始向彈頭方向傳遞，在159 μs炸藥完全被起爆，在213 μs爆炸產生的爆轟波傳遞到靶板的底部，可以明顯的觀察到爆炸所產生的爆轟波傳遞過程。不同著靶速度下的爆炸過程完成后得到爆炸對鋼靶的毀傷結果以及靶板后方20 cm處沖擊波壓力時間曲線分別如圖6所示。

圖3 侵徹結果及彈速時間曲線

圖5 爆炸過程壓力云圖

圖6 爆炸后靶板毀傷結果及靶板后方20 cm處沖擊波壓力時間曲線

由圖6可以看出，隨著半穿甲彈著速的增加，彈坑深度逐漸增加，炸藥起爆后靶板的毀傷情況出現了增大的趨勢，靶板背面發生了明顯的形變，且彈坑再度出現擴孔，防護能力明顯減弱。炸藥爆炸產生的爆轟沖擊波透過靶板產生透射波，由靶板后方20 cm處的沖擊波壓力曲線，可以看出著速600 m/s情況下，靶板后方20 cm處的沖擊波壓力峰值為1.707 MPa；著速700 m/s情況下，沖擊波壓力峰值為2.695 MPa，較彈速600 m/s情況峰值壓力增大；著速800 m/s情況下，靶板防護結構被炸穿，且后方20 cm處沖擊波峰值壓力達到了273.783 MPa，較前兩種著靶速度情況有了階躍型的提升，可有效毀傷防護設備。

4 結論

1) 半穿甲彈著靶速度越高，侵徹穿深越深，形成彈坑的孔徑越大，防護結構的殘余厚度越小，防護結構背面形變越大，防護能力越低。

2) 600 m/s、700 m/s和800 m/s三種著靶速度下，由于爆炸作用使靶板形成擾動，得到防護結構后方20 cm處爆炸沖擊波峰值壓力分別為1.707 MPa、2.695 MPa和273.783 MPa，可以看出經過侵徹毀傷后，靶板的殘余厚度越大，抗沖擊波能力越強。600 m/s及700 m/s情況下，經爆炸毀傷后防護結構后方沖擊波壓力提升并不明顯，說明純鋼靶防護結構在中低速半穿甲彈侵徹爆炸綜合毀傷作用下有較好的防護能力。著靶速度800m/s情況下，經爆炸毀傷后，靶板防護結構被炸穿，后方沖擊波壓力階躍性提升，表明當靶板被侵徹貫穿或被侵徹后續的爆炸效應炸穿后，將失去防護能力，對其中的設備造成致命打擊。