双层柱壳和单层柱壳战斗部侵彻性能对比分析

吴世永，王伟力，黄雪峰

（海军航空工程学院a.基础部；b.兵器科学与技术系；c.研究生管理大队，山东烟台264001）

半穿甲爆破型战斗部利用导弹自身动能来穿透舰船舱壁，在舰船内部引爆主装药，利用爆炸产生的冲击波和壳体破碎形成的破片来摧毁舰船[1]。为了提高战斗部的侵彻能力，半穿甲爆破型战斗部的壳体通常采用硬度大、强度高的金属材料，外壳由卵形头部和单层圆柱壳体组成。目前，国外部分反舰导弹的战斗部开始采用双层柱壳结构。战斗部采用双层柱壳可以有效地增加战斗部破片数量，提高战斗部的杀伤力，还可以防止战斗部穿甲过程中在外层壳体产生的裂纹扩展到内层壳体从而影响战斗部的结构完整。但是在侵彻过程中，采用双层柱壳是否会对战斗部的强度产生影响，这是需要认真研究的。国内对单层柱壳的半穿甲爆破型战斗部的侵彻特性进行了一系列的实验、理论和数值模拟研究[2-7]，但是对于双层柱壳战斗部的研究还很少。

本文使用LS-DYNA动力学有限元软件对双层柱壳和单层柱壳战斗部在不同工况下的侵彻过程进行了数值模拟，对比分析了2类战斗部壳体的形变、破坏和应力分布情况及2类战斗部的侵彻性能。

1 计算模型

战斗部壳体由卵形头部、圆柱外壳和底盖组成，材料为30CrMNsiA，中间装药是TNT 炸药，总质量为93 kg，靶板是907#船用钢。圆柱外壳和头部及后盖均为焊接结构，在建模时，采用共节点方式处理，即认为焊接强度与壳体材料强度一样。圆柱外壳分别考虑双层柱壳和单层柱壳，双层柱壳的内外壳体之间处于贴合状态，两层壳体之间、壳体与装药之间、战斗部与靶板之间的计算采用带失效的侵蚀接触算法。计算采用二分之一模型，如图1所示，在对称面上施加对称约束。为了节省计算时间，在不影响计算精度的前提下，在靶板的战斗部侵彻区域采用加密网格，而在其余区域则采用大尺寸网格。

图1 有限元计算模型Fig.1 Finite element models used in simulations

计算中，战斗部壳体和靶板均采用带失效应变，且与应变率相关的随动塑性材料模型[8]。应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，屈服应力与应变率的关系为：

式（1）、（2）中：σY为屈服应力；ε˙为应变率；C、P为Cowper-Symonds应变率参数；σ0为初始屈服应力；β为硬化参数，在0 和1 之间取值，取0时表示仅随动硬化，取1时表示仅各向同性硬化；是有效塑性应变；EP是材料的塑性硬化模量；E是材料弹性模量；Etan是切线模量。

不考虑内部炸药的冲击起爆性质，故采用Null流体动力模型与GRUNEISEN状态方程来描述其行为。

2 数值计算结果及分析

为全面分析双层柱壳战斗部的侵彻性能，分别对双层柱壳与单层柱壳战斗部以0°、30°、45°和60°侵彻角，对厚度为20 mm 和25 mm的靶板的侵彻过程进行数值模拟。战斗部的初始侵彻速度均为800 m/s。

2.1 侵彻角度对双层柱壳和单层柱壳战斗部的侵彻性能影响

对双层柱壳和单层柱壳这2类战斗部以0°、30°、45°和60°角侵彻20 mm 厚的靶板进行了数值计算。穿透靶板后，靶板呈现出花瓣型破坏[9-10]，而战斗部壳体的变形情况如图2所示，为了便于观察，图中没有显示装药部分。

从计算结果可以看出，垂直侵彻时，2类战斗部的壳体形变均不大，当有角度侵彻时，与靶板最先接触的战斗部头部右侧被压缩变形，随着侵彻的进行，该处靶板产生失效破坏，战斗部头部左侧壳体继续与靶板作用，引起不同程度的变形，在接近卵形头部与圆柱外壳连接处的形变最严重，最终战斗部穿透靶板。各种角度侵彻时，2类壳体战斗部的卵形头部变形情况类似，而在圆柱外壳靠近卵形头部连接处附近，双层柱壳战斗部的壳体变形比单层柱壳的变形要略为严重，严重的程度随着侵彻角度的增大略有增加。当侵彻角为60°时，2类战斗部最先破坏位置均出现在卵形头部同一位置。

因此，影响半穿甲爆破型战斗部侵彻性能的主要因素是战斗部卵形头部的强度，而采用双层柱壳不会对战斗部整体的侵彻能力产生显著影响。

图2 战斗部壳体的变形与破坏情况Fig.2 Distortion and damage of the warhead shell

图3给出了2类战斗部以30°角侵彻靶板时，在t=0.2 ms时刻战斗部壳体上的应力分布情况。可以看出，2类战斗部的卵形头部的应力分布几乎相同，而在圆柱壳体部分，应力在双层柱壳的内外壳体传播不是同时的，造成内外壳体的应力传播略有不同，导致应力在壳体的分布相比单层柱壳战斗部更为复杂。对其他角度的侵彻过程，存在同样的现象。

图3 战斗部30°侵彻时壳体的应力分布情况Fig.3 Stress distribution in the warhead shell penetrating with 30° angle

图4给出了2类战斗部不同工况下侵彻靶板的速度时程曲线。从曲线看出，侵彻开始阶段，侵彻角为45°时，战斗部速度下降得最快，0°和30°次之，60°下降得最慢。随着侵彻的进行，0°角侵彻最先穿透靶板，剩余速度最大。而在斜侵彻时，由于战斗部与靶板的作用时间变长，战斗部的剩余速度随着侵彻角度的增加而减小。虽然2类战斗部在同角度侵彻过程中速度数值大小略有差异，此差异随着侵彻角度的增加而增大，但是战斗部的速度变化趋势相同。

图4 战斗部侵彻过程中的速度时程曲线Fig.4 Velocity-time curves of the warhead in the process of penetration

2.2 靶板厚度对双层柱壳和单层柱壳战斗部侵彻性能的影响

从图2可以看出，双层柱壳与单层柱壳战斗部以45°角侵彻20 mm 靶板时，在圆柱外壳靠近卵形头部连接处会出现比较大的形变，如果增大靶板的厚度，2类战斗部就有可能在连接处出现不同的破坏。

从图5给出了双层柱壳与单层柱壳战斗部以45°角侵彻25 mm 靶板时不同时刻的形变。

侵彻0.6 ms时，在2类战斗部的位置A 处开始出现单元破坏，随着侵彻的进行，A 处壳体破坏增大，B处壳体的变形越来越严重，逐渐在连接处出现破坏，而且双层柱壳战斗部的变形明显比单层柱壳要严重，出现了褶曲现象。

侵彻完成后，双层柱壳战斗部连接处完全断开，而单层柱壳战斗部的虽然有部分破坏，但是壳体还是连接在一起。

这说明双层柱壳战斗部的卵形头部和圆柱壳体连接处的强度相比单层柱壳战斗部稍弱，但只有在战斗部大角度侵彻较厚靶板时，单层柱壳战斗部才会体现出明显较好的侵彻性能。

2.3 焊接强度对双层柱壳和单层柱壳战斗部侵彻性能的影响

通过前面的计算发现，战斗部的卵形头部和底盖与圆柱壳体之间采用共节点方式连接，此时认为焊接强度达到或者超过战斗部壳体的强度，在侵彻一般厚度靶板时，双层柱壳不会明显降低战斗部侵彻性能。但是在实际应用中，由于焊渣、气孔、残余应力的影响，在焊接区域结构强度可能会降低。为了分析焊接强度对双层柱壳和单层柱壳战斗部的侵彻性能的影响，用固连失效接触代替共节点方式来模拟焊接面。固连失效接触通过定义拉伸失效应力σn,fail和剪切失效应力σs,fail作为固连接触失效的判据[11]，即当接触面的拉伸应力σn和剪切应力σs满足

时，就判定固连接触失效，焊接处断开。通过调整拉伸失效应力σn,fail和剪切失效应力σs,fail可以模拟不同焊接强度对战斗部壳体侵彻性能的影响。

图5 战斗部侵彻25 mm 靶板后壳体的变形和破坏情况Fig.5 Distortion and damage of the warhead shell after penetrating the target with 25 mm thickness

取焊接强度略小于战斗部壳体材料强度，对双层柱壳和单层柱壳战斗部侵彻20 mm 靶板的过程进行数值模拟计算。通过计算发现，当0°角和30°角侵彻时，2类战斗部的壳体变形相似，焊接处均不会出现断裂。但是当侵彻角度增加到45°时，双层柱壳战斗部左侧的连接处出现断裂，卵形头部与圆柱壳体出现分离，而单层柱壳战斗部的壳体连接没有失效，如图6所示。而当侵彻角度增加到60°时，双层柱壳战斗部的卵形头部遭到破坏，与圆柱壳体完全分离，而单层柱壳战斗部仅在卵形头部出现破坏，连接处没有失效。这说明当焊接强度较小的战斗部大角度侵彻靶板时，双层柱壳战斗部的焊接处相对单层柱壳战斗部来说更容易失效，而在小角度侵彻时，2类战斗部的侵彻性能没有明显区别。因此，采用较好的焊接工艺来提高焊接区域的强度和冲击韧性，对提高双层柱壳战斗部的侵彻性能具有重要作用。

图6 焊接结构战斗部侵彻靶板后壳体的变形与破坏情况Fig.6 Distortion and damage of the welded warhead shell after penetrating the target

3 结论

1）战斗部对20 mm 靶板进行斜侵彻时，双层柱壳和单层柱壳战斗部的变形相似，没有明显区别。当侵彻角为60°时，2类战斗部最先破坏的位置均为其卵形头部。

2）战斗部对25 mm 靶板进行大角度斜侵彻时，在圆柱外壳与卵形头部连接处附近，双层柱壳战斗部壳体的变形比单层柱壳的变形更严重，出现严重破坏。

3）焊接强度较小的战斗部对20 mm 靶板进行斜侵彻时，若侵彻角度较小，2类战斗部的侵彻性能没有明显不同；但是大角度侵彻时，双层柱壳战斗部的焊接处相对单层柱壳战斗部来说更容易出现断裂。

双层柱壳战斗部具有前文所述的增加破片数量等优点，而且在侵彻20 mm 靶板时，采用双层柱壳不会对其侵彻性能产生明显影响，所以反舰导弹采用双层柱壳半穿甲爆破型战斗部来打击一般水面舰艇具有一定的优越性。本文仅从侵彻过程壳体破坏方面分析了双层柱壳战斗部侵彻性能，可是战斗部的壳体结构还会对炸药爆炸空气冲击波能量[12]和装药的安定性[13]等产生影响，因而双层柱壳对半穿甲爆破型战斗部其他作战性能的影响尚需进一步的研究。

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