關(guān)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)對(duì)金屬射流侵徹效果影響的研究
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作者：張毅
本文就主要對(duì)靶板的運(yùn)動(dòng)對(duì)射流侵徹的影響進(jìn)行了分析，通過(guò)理論分析和ANSYS/LS-DYNA仿真計(jì)算分析了靶板運(yùn)動(dòng)速度對(duì)射流穿深和穩(wěn)定性及射流破甲威力的影響。
1 靶板運(yùn)動(dòng)對(duì)聚能射流的影響
靶板運(yùn)動(dòng)速度對(duì)射流破甲威力的影響主要表現(xiàn)在靶板對(duì)射流的橫向剪切力矩。相對(duì)于靜止靶板，運(yùn)動(dòng)靶板的剪切力矩會(huì)使射流發(fā)生嚴(yán)重的彎曲、偏轉(zhuǎn)、變形，導(dǎo)致射流的斷裂和分散。隨著靶板速度的增加，靶板剪切力矩的影響也逐漸增大，干擾影響也趨于明顯，射流變形越劇烈，對(duì)其后續(xù)侵徹能力也將產(chǎn)生越大的影響。
運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流的干擾影響還體現(xiàn)在對(duì)射流能量的無(wú)效消耗上。在對(duì)靜止靶板的侵徹過(guò)程中，射流只在軸向方向上侵徹消耗能量，形成近似筆直的侵徹孔；而對(duì)運(yùn)動(dòng)靶板的侵徹，射流要受到靶板運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的橫向作用，浪費(fèi)射流能量，擴(kuò)大侵徹孔徑，形成一個(gè)類(lèi)似于槽型的侵徹孔。并且隨著靶板運(yùn)動(dòng)速度的增加，槽型孔的寬度增大，消耗射流能力也越大。
2材料模型及參數(shù)的確定
在仿真計(jì)算中，本文主要建立藥型罩、主裝藥、殼體、空氣和目標(biāo)靶板五種材料的破甲戰(zhàn)斗部有限元模型，調(diào)整適宜的網(wǎng)格密度，設(shè)置恰當(dāng)?shù)倪吔缂s束（空氣域無(wú)反射邊界約束），使用正確的算法（ALE算法），確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，材料模型以及材料各參數(shù)的選取直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性，一些重要參數(shù)值已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。
2.1 靶板參數(shù)的確定
2.1.1 靶板材料與厚度的確定
本文以美軍著名的BLU-113/B鉆地彈為目標(biāo)建立模型，按照深侵徹戰(zhàn)斗部的壁厚來(lái)確定靶板的厚度。BLU-113/B鉆地彈侵徹戰(zhàn)斗部使用的彈體材料為HP9-4-20合金鋼，抗拉強(qiáng)度為1 380 MPa，殼體厚度為1. 75英寸(44. 45 mm)。等效靶板為45鋼，其抗拉強(qiáng)度為685 MPa;原靶板為合金鋼，其抗拉強(qiáng)度為1 380 MPa，厚度為44. 45 mm。本文等效近似是按照強(qiáng)度等效的原則，主要是將任意材料的部件換算成具有一定厚度等效材料的靶板。其近似等效公式表示為：
其中：h為等效靶板的厚度；ho為原靶板的厚度；d．，為原靶板的強(qiáng)度極限；d為等效靶板的強(qiáng)度極限。
將相關(guān)參數(shù)代入公式(1)，得到等效靶板的厚度為88.9 mm。由于當(dāng)前鉆地彈的壁厚有越來(lái)越大的趨勢(shì)，為了保證射流在任何情況下都能夠擊穿鉆地彈的彈體，本文對(duì)等效靶板的厚度進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾樱褂昧?00 mm厚度的45鋼。
2.1.2靶板速度的確定
BLU-113/B侵徹戰(zhàn)斗部撞擊地面的速度為600m/s～800 m／s，考慮到深侵徹戰(zhàn)斗部撞擊地面的速度受到天氣等因素的影響，一般不會(huì)達(dá)到其撞擊地面的最高速度，故將目標(biāo)的速度范圍定為400 m／s～800 m／s。為了便于建模計(jì)算，本文將對(duì)靶板速度為400 m/s、500 m／s、600 m/-s、700 m／s、800 m／s五種情況進(jìn)行仿真計(jì)算。
2.2 其他參數(shù)的確定
綜合安全、成本、制作工藝等因素，仿真中選取一種最為常見(jiàn)的炸藥即B炸藥（參數(shù)見(jiàn)表1）。材料模型為:HIGH _EXPL()SIVE _BURN。
在炸高的選擇中，通常都是選擇有利炸高的上限，這樣既能保證破甲深度，又可減輕彈重。有利炸高隨藥型罩錐角的增加而增加，對(duì)于一般常用藥型罩，有利炸高是罩底直徑的2倍～3倍，本文選取炸高為3倍的罩底直徑。
藥型罩是形成金屬射流的關(guān)鍵部位，本文選用的藥型罩材料為紫銅，材料模型為：JOHNSON_COOK,狀態(tài)方程為：GRUNEISEN。本文選擇110。錐角的藥型罩戰(zhàn)斗部，這種藥型罩形成的射流既有小錐角射流的高速特性，又有大錐角射流的高穩(wěn)定性特性，同時(shí)可以滿(mǎn)足抵御靶板速度對(duì)其的剪切干擾和侵徹大壁厚的要求。
3仿真模型及計(jì)算方案
3.1 彈目交匯條件的確定
為了使鉆地彈對(duì)靶板有最大的侵徹效果，要使鉆地彈盡量垂直地攻擊目標(biāo)。攔截鉆地彈通常是由地面的高射炮發(fā)射破甲彈，其理論上，高炮發(fā)射破甲彈的速度與鉆地彈彈體軸線(xiàn)的夾角理論上為30�！�60。。但在實(shí)際打靶中，彈目夾角為45。是最為常見(jiàn)的情況。而本文研究的重點(diǎn)是藥型罩對(duì)運(yùn)動(dòng)體的侵徹，彈目交匯條件的變化不是研究重點(diǎn)，故而本文的彈目交匯就選擇在實(shí)際中最為常見(jiàn)的45。。
3.2有限元模型的建立
若建立整個(gè)彈體模型，則數(shù)值計(jì)算量非常大，浪費(fèi)不必要的人力和物力，因此將鉆地彈彈體的圓柱部簡(jiǎn)化為100 mm的平面厚靶板，取其一段以縮小數(shù)值計(jì)算量，并建立等效模型。結(jié)合真實(shí)彈目交匯條件，本文在以前簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，賦予靶板一定初速和傾角。
圖1為戰(zhàn)斗部侵徹高速運(yùn)動(dòng)靶板的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型。其中2a為藥型罩錐角，v為運(yùn)動(dòng)靶板速度�？紤]到戰(zhàn)斗部和目標(biāo)靶板結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)性，簡(jiǎn)化模型為二分之一模型，主裝藥、藥型罩和空氣設(shè)置多物質(zhì)ALE算法，采用Euler網(wǎng)格建模，靶板和殼體采用Lagrange網(wǎng)格建模，并且各材料之間使用耦合算法。
4仿真結(jié)果分析
為了分析研究在入射角45。的情況下，110。錐角的藥型罩戰(zhàn)斗部侵徹體對(duì)運(yùn)動(dòng)靶板的侵徹影響，下面將靶板速度取為400 m/s、500 m/s、600 m／s、700 m/s、800 m／s五種情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)斜侵徹分析仿真計(jì)算。對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)主要從侵徹過(guò)程、侵徹孔、后效作用三方面進(jìn)行分析。
文中所使用到的主要參數(shù)符號(hào)、解釋及單位制如下：v(m/s)為運(yùn)動(dòng)靶板速度；2a(。)為藥型罩錐角；u，。。。( m/s)為侵徹前射流頭部速度；u，。(m/s)為侵徹后射流頭部速度軸向分量；v，( m/s)為侵徹后射流頭部速度，由射流侵徹后剩余軸向速度vjz和射流受高速運(yùn)動(dòng)靶干擾后附加給射流的徑向速度ujx合成；T（uS）為侵徹時(shí)間；D(cm)為入口長(zhǎng)度；V(cm3)為通孔體積；d，(mm)為侵徹后射流頭部直徑；vfd，(m3／S2)為侵徹后射流能量。射流侵徹不同速度運(yùn)動(dòng)靶數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
4.1 侵徹過(guò)程分析
圖2為110。錐角藥型罩戰(zhàn)斗部對(duì)不同速度的運(yùn)動(dòng)靶板侵徹分析圖。
從圖2中可以明顯看出，運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流侵徹體的影響主要表現(xiàn)在其對(duì)射流侵徹體的橫向擾動(dòng)作用，在射流侵徹過(guò)程中，由于受到運(yùn)動(dòng)靶板的橫向擾動(dòng)干擾，導(dǎo)致射流變形彎曲，并在侵徹孔內(nèi)左右擺動(dòng)，使射流侵徹體失穩(wěn)，從而降低破甲能力。在藥型罩錐角一定的情況下，隨著靶板的速度不斷增大，射流受到的橫向擾動(dòng)也越大，射流侵徹彎曲的越厲害，破甲效果越差。
4.2侵徹?cái)?shù)據(jù)分析
4.2.1侵徹孔分析
圖3為靶板侵徹后的示意圖。其中入口長(zhǎng)度和通孔體積為衡量射流性能、侵徹效果的重要參數(shù)。
從表2中可以看出，侵徹后靶板表面入口長(zhǎng)度D受外界干擾較大，v=400 m／s時(shí)D=6.06 cm，v=800m/s時(shí)D-7. 97 cm，D增大了1.91 cm，增幅達(dá)到31. 6%，當(dāng)藥型罩錐角一定時(shí)，隨著靶板速度的不斷增大，人口長(zhǎng)度D也不斷增大，說(shuō)明靶板的速度增大，產(chǎn)生的橫向力矩也增大，其對(duì)射流的干擾也越大，導(dǎo)致人口長(zhǎng)度增大；同時(shí)v-400 m/s時(shí)通孔體積V=30. 94 cm3，v=800 m／s時(shí)V=47. 699 cm3，V變化了16. 753 cm3，增幅達(dá)到54.1%，當(dāng)藥型罩錐角一定時(shí)，隨著靶板的速度增大，通孔體積V不斷增大，說(shuō)明靶板運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)越大，射流在內(nèi)部的彎曲變形越厲害，對(duì)射流侵徹效果影響越大。
4.2.2 侵徹時(shí)間分析
從表2中看出藥型罩錐角110。時(shí)，對(duì)不同速度靶板的侵徹時(shí)間只變化了4us，說(shuō)明其形成的射流穩(wěn)定性比較好，受干擾性比較強(qiáng)。
4.2.3射流頭部軸向速度影響
當(dāng)藥型罩錐角一定時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)靶板速度u的增大，射流頭部軸向速度v。逐漸遞減。這是因?yàn)�，隨著運(yùn)動(dòng)靶板速度v的增加，射流受到運(yùn)動(dòng)靶板的橫向干擾影響越來(lái)越大，射流需要消耗更多的能量來(lái)抵御干擾，因此，射流頭部軸向速度v，：逐漸遞減，射流侵徹能力越來(lái)越低，相應(yīng)地射流的破甲能力也降低。
4.2.4侵徹后效作用分析
本文研究的最終目的是射流侵徹運(yùn)動(dòng)靶板后，引爆其后的裝藥，因此分析運(yùn)動(dòng)靶對(duì)射流侵徹后的頭部直徑dj（如圖4所示）和速度的干擾很有必要。參照表2發(fā)現(xiàn)侵徹后射流能量均大于B炸藥的臨界值16×103m3／S2，說(shuō)明侵徹后射流仍然具有一定的侵徹能力，對(duì)深侵徹彈彈體后面的炸藥與器件具有侵徹能力。
通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)藥型罩的錐角一定時(shí)，隨著靶板速度的不斷增大，靶板的運(yùn)動(dòng)給射流帶來(lái)消耗增大，侵徹后射流能量不斷減小，射流的能量降低，剩余射流的侵徹效果變差。
5結(jié)論
外界條件的干擾，即運(yùn)動(dòng)體對(duì)破甲射流橫向擾動(dòng)的影響，主要表現(xiàn)為破壞了射流中部低速段的穩(wěn)定性，使射流發(fā)生嚴(yán)重的彎曲變形，導(dǎo)致破甲威力降低，當(dāng)藥型罩錐角一定時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)靶板速度的增加，侵徹后射流頭部軸向速度逐漸遞減，干擾影響越來(lái)越大，侵徹效果越來(lái)越差。
6摘要：以靶板的運(yùn)動(dòng)對(duì)侵徹效果的影響為重點(diǎn)，利用ANSYS／LS-DYNA有限元分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，著重分析了同一射流對(duì)靶板不同運(yùn)動(dòng)速度下的侵徹情況。
