攻角影响战斗部侵彻效应数值模拟分析*

张学伦，皮爱国，刘宗伟，毛 川

（1重庆红宇精密工业有限责任公司，重庆 402760;2北京理工大学，北京 100081）

图1 弹体着靶姿态示意图

0 引言

目前，钻地战斗部对混凝土类硬目标侵彻效应的试验及理论研究大多局限于正侵彻［1－5］，对有初始攻角时侵彻效应的研究还不够系统和深入［6－7］。然而，由于导弹制导的调姿作用，以及弹体飞行的不稳定性，战斗部在侵彻目标时弹轴与速度方向V通常都存在如图1所示的夹角（即初始攻角），这是单一动能战斗部和随进战斗部工程设计时必须要分析和解决的问题。文中利用LS-DYNA 3D有限元程序，分析了初始攻角对战斗部侵彻效应的影响。

1 数值模拟方法

战斗部侵彻混凝土的二分之一仿真模型如图2所示，其中图2（a）用于模拟和分析初始攻角对单一动能战斗部侵彻效应的影响，图2（b）在混凝土内部沿弹轴方向预设了孔径为0.5倍弹径的通孔，用于模拟和分析初始攻角对随进战斗部侵彻效应的影响。图2（a）的靶标厚度为100cm，图2（b）的靶标厚度为200cm，战斗部的侵彻速度均为240m/s。混凝土靶标、战斗部壳体、装填炸药等网格均采用拉格朗日算法，壳体和混凝土采用侵蚀接触，壳体采用Johnson-Cook模型，装填物采用弹性模型，混凝土采用JHC模型。壳体材料参数列于表1，单一动能战斗部的混凝土材料参数见文献［8］，随进侵彻战斗部的预损伤混凝土材料参数见文献［9］。

图2 仿真模型

表1 战斗部壳体材料参数 单位:cm-g-μs

2 攻角对单一动能侵彻战斗部侵彻效应影响

图3 0°时侵彻速度时间历程曲线

图4 3°时侵彻效应数值模拟结果

2.1 攻角为0°

初始攻角为0°时，速度方向和弹轴方向均垂直靶面（即正侵彻）的侵彻速度时间历程曲线如图3所示，战斗部贯穿1.0m厚混凝土靶标后，剩余速度约 75m/s，剩余动能为10%。

2.2 攻角为3°

战斗部速度方向垂直靶面，攻角为3°时的仿真结果如图4所示。战斗部以3°攻角在侵彻混凝土靶标的过程中，攻角在侵彻早期逐渐归零，但弹道偏转逐渐增大，然后因偏转力矩的存在，导致新的攻角产生和弹道偏转方向的转变。战斗部贯穿1.0m厚混凝土靶标后的剩余速度为54m/s，剩余动能为初始动能的约5%，比0°攻角（即正侵彻）情况降低约5%。

2.3 攻角为9°

战斗部速度方向垂直靶面，攻角为9°时的仿真结果如图5所示。战斗部以9°攻角侵彻混凝土靶标的过程中，攻角在侵彻早期逐渐归0，但弹道偏转逐渐增大，然后因偏转力矩的存在，导致新的攻角产生和弹道偏转方向的改变。战斗部贯穿1.0m厚混凝土靶标后的剩余速度为27m/s，剩余动能为初始动能的约1.3%，比0°攻角（即正侵彻）情况降低约8.7%。

3 攻角对随进战斗部侵彻效应影响

图5 9°时侵彻效应数值模拟结果

图6 0°时随进侵彻效应数值模拟结果

3.1 攻角为0°

攻角为0°时，前级侵孔中心线与后级弹体轴线及速度方向一致时（即正侵彻）的仿真结果如图6所示。由于预侵孔混凝土的不均匀性，后级弹体以 0°攻角侵彻有预置孔的混凝土靶标的过程中仍然发生了轻微的弹道偏转，战斗部的侵彻深度为1.6m。

3.2 攻角为3°

预置侵孔轴线与弹体轴线方向一致、攻角为3°、弹着靶点距离孔洞中心设置2.9cm（考虑前级战斗部炸高的影响）时的仿真结果如图7所示。后级弹体在侵彻有预置侵孔混凝土靶标的过程中，攻角在侵彻早期逐渐归零，然后因偏转力矩的存在，导致新的攻角产生。由侵彻弹体的轨迹线可知，因弹体两侧的阻力存在差异，使弹体在侵彻过程中发生多次弹道偏转。后级弹体的随进侵彻深度为1.48m，比0°攻角（即正侵彻）情况降低约7%。

图7 3°时随进侵彻效应数值模拟结果

3.3 攻角为9°

侵彻孔中心线与弹体轴线方向一致、攻角为9°、弹着靶点距离孔洞中心8.7cm时的仿真结果如图8所示。后级弹体以9°攻角在侵彻有预置孔混凝土靶标的过程中，攻角在侵彻早期逐渐归零，但由于大攻角情况下的不对称载荷和偏转力矩过大，使弹道很快发生较大偏转，导致后级弹体在横向侵彻时消耗了大量的动能，大大降低了其随进能力，弹体的随进侵彻深度仅为1.12m，比0°攻角情况降低了约30%。

图8 3°时随进侵彻效应数值模拟

4 结论

利用LS-DYNA 3D非线性动力学仿真软件，采用二分之一仿真模型分析了初始攻角对单一动能侵彻战斗部及随进侵彻战斗部侵彻效应的影响。主要结论有:

1）初始攻角会使单一动能侵彻战斗部在侵彻过程中的横向载荷不再对称，从而导致弹道发生偏转，降低其终点侵彻效应。当攻角为3°时，侵彻效应降低约5%;当攻角为9°时，侵彻效应降低约8.7%。

2）初始攻角会使随进侵彻战斗部的后级随进弹体在侵彻过程中的横向载荷不再对称，从而导致弹道较大偏转，降低其侵彻效应。初始攻角对随进战斗部终点侵彻效应影响相对更大，当攻角为3°时，随进侵彻效应降低约7%;当攻角为9°时，随进侵彻效应降低约30%。

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