2022, Vol. 44
2. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081
2. State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081, China
现代战争中，大型水面舰艇的防御和攻击是影响海上作战成败的关键之一[1]。反舰武器主要利用战斗部爆炸冲击波载荷及战斗部壳体碎裂破片对舰船结构及内部设备产生破坏。国内外学者对大型舰船的抗侵彻能力开展了大量研究[2～8]，对不同弹体的侵彻毁伤机理进行了分析。以上研究多关注不同形状弹体对多层甲板侵彻能力的影响，但缺少战斗部装填比对侵彻能力影响的研究。
本文设计多种半穿甲战斗部装填比方案，运用 LS-DYNA有限元软件，通过仿真模拟，对比研究了半穿甲战斗部在不同着角、攻角条件下对甲板的侵彻效果及弹道偏转情况，探究装填比对战斗部侵彻能力的影响。
1 数值计算模型建立战斗部质量250 kg，不同装填比方案战斗部结构参数如表1所示。
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表 1 不同装填比方案的战斗部参数 Tab.1 Parameters of different loading ratio warhead |
采用Hypermesh软件建立战斗部及甲板的有限元模型。战斗部采用渐变过渡网格，战斗部头部网格与靶板网格尺寸比为1∶2。垂直侵彻采用1/4模型，斜侵彻采用1/2模型。不同装填比战斗部的模型如图1所示。甲板长1 000 mm、宽1 000 mm，厚度依次为76 mm，19 mm，31 mm，12 mm，12 mm，12 mm。各层甲板的间隔依次为2 m，5.8 m，2 m，2 m，2 m，如图2所示。
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图 1 不同装填比战斗部的模型 Fig. 1 Models of different loading ratio warhead |
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图 2 6层甲板间隔尺寸示意图 Fig. 2 Diagrammatic sketch of distance between decks |
甲板材料采用921A钢，战斗部壳体材料采用30CrMnSiNi2A超高强度钢，战斗部内含装填物采用密度与炸药相同的惰性填充材料。甲板及战斗部壳体采用Johnson-Cook本构模型[9]，战斗部内含填充物采用线弹性材料模型。各材料本构方程参数如表2所示。
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表 2 材料本构方程参数 Tab.2 Parameters of material constitutive equation |
战斗部侵彻甲板过程中，着角越大，战斗部受力越不对称，局部过载越大，从而使战斗部头部发生不均匀塑性变形，对靶板破孔形状有较大影响[10]。0.4装填比战斗部以不同着角侵彻6层甲板，甲板破坏情况如图3所示。
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图 3 0.4装填比战斗部侵彻6层甲板破坏情况 Fig. 3 Decks damage with penetration of 0.4 loading ratio warhead |
以0.3装填比战斗部为例，分析着角对战斗部侵彻多层甲板后剩余速度的影响。如表3所示，0°～10°，速度衰减比从11.66%增加到12.95%，衰减变化不明显。着角增加到20°，速度衰减比增加到16.90%，衰减变化明显。图4为0.3装填比战斗部以不同着角侵彻6层甲板后的剩余速度。可以看出，战斗部穿透第1和第2层甲板后，在0°～10°着角状态下剩余速度衰减较小，基本可忽略；着角增加到20°，剩余速度出现明显减小。战斗部穿透第3层至第6层甲板后的剩余速度受着角变化影响较大，随着着角的增加，战斗部穿透每层甲板后的剩余速度逐渐减小，且随着甲板层数增加，战斗部剩余速度的减小更加明显。
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表 3 0.3装填比战斗部侵彻6层甲板后速度衰减比 Tab.3 Penetration speed decay of 0.3 loading ratio warhead |
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图 4 0.3装填比侵彻6层甲板剩余速度 Fig. 4 Penetration residual velocity of 0.3 loading ratio warhead |
图5为0.35装填比战斗部侵彻6层甲板过程。与甲板接触时的受力不均导致战斗部运动路径发生偏转，使得战斗部在侵彻下一层甲板时着角增大，甲板破孔面积随之增大，破孔形状逐渐由圆形发展为椭圆形。随着装填比的增加，战斗部侵彻多层甲板后，甲板破孔面积有明显增大的趋势。
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图 5 0.35装填比战斗部不同着角侵彻6层甲板 Fig. 5 Decks penetration of 0.35 loading ratio warhead |
各战斗部侵彻每层甲板后弹体轴线偏转角度变化如图6所示。可以看出，着角5°时，各战斗部在穿透前3层甲板后轴线偏转均较小，穿透第3层甲板后0.3和0.35装填比战斗部的轴线偏转方向及趋势有所不同。着角超过10°时，不同装填比战斗部随着侵彻甲板层数的增加，弹体轴线逆时针转动角度增加。
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图 6 不同装填比战斗部侵彻6层甲板弹道偏转 Fig. 6 Warheads ballistic deflection after penetration |
各战斗部以不同着角侵彻，弹体纵向位移变化如图7所示。可以看出，着角5°时，0.2装填比战斗部的纵向位移变化较小，其余装填比战斗部纵向位移的变化趋势基本一致。随着侵彻甲板层数的增加，弹体纵向位移逐渐增大。着角10°时，0.2和0.4装填比战斗部的弹体纵向位移随侵彻层数的增加而增加，其中0.2装填比战斗部纵向位移增加幅度非常明显，0.4装填比战斗部在穿过第3层甲板后纵向位移变化较小。着角20°时，0.3装填比战斗部的弹体纵向位移先减小，穿透第3层甲板后纵向位移逐渐增加，位移曲线近似为下凹弧线。其他装填比战斗部随侵彻层数增加，纵向位移逐渐减小。
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图 7 不同装填比战斗部侵彻6层甲板纵向位移 Fig. 7 Warheads longitudinal displacement after penetration |
不同装填比战斗部带初始攻角侵彻6层甲板后的剩余速度对比如图8所示。随着装填比的增加，战斗部侵彻多层甲板后的剩余速度逐渐减小，3°～8°的攻角变化对相同战斗部侵彻多层甲板时的速度变化影响较小。不同装填比战斗部中，侵彻第2层甲板后战斗部剩余速度的衰减最大。
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图 8 不同装填比战斗部侵彻6层甲板剩余速度 Fig. 8 Warheads residual velocity after penetration |
通过数值模拟获得不同装填比战斗部以不同攻角侵彻后，甲板的破坏情况。随着装填比的增加，战斗部侵彻后甲板破孔面积逐渐增大，0.2，0.3，0.35装填比战斗部均能完全穿透6层甲板，0.4装填比战斗部仅能穿透前3层甲板。图9为0.3装填比战斗部以不同攻角侵彻后，6层甲板的破坏情况。
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图 9 0.3装填比战斗部侵彻6层甲板破坏情况 Fig. 9 Decks penetration damage of 0.3 loading ratio warhead |
以不同装填比战斗部6°初始攻角侵彻6层甲板为例，分析侵彻后甲板破孔面积的变化，如图10所示。不同装填比战斗部侵彻后，甲板破孔面积的变化趋势基本一致。随着侵彻层数的增加，前5层甲板的破孔面积不断增大，第6层甲板的破孔面积有所减小。
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图 10 不同装填比战斗部6°攻角侵彻甲板破孔面积比值 Fig. 10 Ratio of warheads penetration hole areas by 6°angle of attack |
0.35装填比战斗部不同攻角侵彻6层甲板的数值模拟结果，如图11所示。各战斗部以不同攻角侵彻6层甲板后的弹道偏转，如图12所示。战斗部以不同攻角侵彻多层甲板后弹道偏转变化趋势基本相同，且随着侵彻层数增加，偏转角度增大。0.3装填比战斗部以不同攻角侵彻6层甲板后弹体纵向位移变化，如图13所示。从图13可以看出，穿透前3层甲板过程中弹体纵向位移逐渐增加，从4层甲板开始弹体纵向位移开始反向变化，且随着攻角增加，弹体纵向位移变化更为明显，纵向偏离距离逐渐增大。
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图 11 0.35装填比战斗部不同攻角侵彻6层甲板 Fig. 11 Decks penetration of 0.35 loading ratio warhead by various angles of attack |
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图 12 不同装填比战斗部不同攻角侵彻6层甲板弹道偏转变化 Fig. 12 Warheads ballistic deflection after penetration by various angles of attack |
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图 13 0.3装填比战斗部不同攻角侵彻6层甲板纵向位移 Fig. 13 Longitudinal displacement after penetration of 0.3 loading ratio warhead by various angles of attack |
通过数值仿真分析，研究了4种装填比战斗部侵彻多层甲板的弹道性能。对比仿真结果，得出以下结论：
1）0.2，0.3，0.35，0.4装填比战斗部以820 m/s的初速度垂直侵彻，能够完全穿透6层甲板，且随着侵彻层数增加，战斗部壳体头部侵蚀程度加深，壳体头部厚度逐渐变薄，头部伴有镦粗现象。
2）着角5°，10°侵彻，战斗部侵彻弹道偏转角度较小，不影响战斗部侵彻目标舱室；着角20°侵彻，战斗部穿透6层甲板后弹道偏转角度较大，可能会偏离预定的目标舱室。对于壳体强度，0.2，0.3装填比战斗部在不同着角侵彻甲板的过程中，能够保持结构完整并穿透6层甲板，但弹体头部一侧受力集中，弹身一侧侵蚀较严重；0.35装填比战斗部壳体厚度较薄，在20°着角时能保持结构完整并穿透5层甲板，0.4装填比战斗部壳体厚度最薄，在20°着角时能保持结构完整但仅可穿透3层甲板。
3）攻角对战斗部侵彻甲板有非常显著的影响。在3°～8°的初始攻角状态，0.2，0.3，0.35装填比战斗部能够保持结构完整并穿透6层甲板，0.4装填比战斗部仅能穿透前3层甲板。
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