LEFP切割杆式穿甲弹的数值模拟研究

成乐乐，赵太勇，陈智刚，印立魁，王维占

(中北大学 地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西 太原 030051)

聚能型爆炸反应装甲在坦克防御系统中扮演着关键性的角色，其作用原理是依靠本身爆炸产生的线性自锻破片对射流和动能穿甲弹进行干扰，降低对坦克主装甲的毁伤威力。利用圆缺型药型罩压合形成的线性爆炸成型侵彻体(LEFP)，能够有效地对杆式穿甲弹进行切割干扰。形成LEFP的药型罩与形成EFP的药型罩横截面相同，但其纵向延伸的结构在线性聚能装药作用下形成类似“刀”状的LEFP，也称为线性自锻破片。目前，国内一些学者进行了相关研究，李歌、李小笠等[1-2]对线性自锻破片干扰杆式穿甲弹进行了研究；李勇等[3]对多段线性聚能装药干扰杆式穿甲弹进行了试验研究；黄正祥等[4]对聚能型反应装甲的结构参数进行了详细分析。

有关线性自锻破片干扰穿甲弹的最佳角度等因素的研究较少，具有相对充足的研究空间。笔者主要利用LS-DYNA软件[5]对线性自锻破片切割穿甲弹的过程进行数值模拟，对影响线性自锻破片干扰穿甲弹的切割角度和穿甲弹速度等因素进行相关研究。

1 数值模拟

1.1 数值建模

对杆式穿甲弹受LEFP的切割干扰时侵彻后效靶的过程进行仿真模拟，并简化了仿真模型，模型由炸药、LEFP药型罩、杆式穿甲弹及后效靶组成，如图1所示。

穿甲弹初速选择1 200、1 500和1 700 m/s，入射方向与靶板法线夹角为30°，穿甲弹轴线与LEFP结构轴线的夹角记为切割角θ，分别选择45°、60°、75°、90°、105°、120°和135°。穿甲弹几何模型的基本结构参数为：弹径10 mm；长度100 mm；长径比为10。线性聚能装药结构的基本参数为：装药直径为30 mm；装药高度30 mm；线性球缺罩内圆半径15.45 mm；外圆半径17 mm。

为了节约计算时间，采用1/2结构建立三维有限元模型，并设置对称约束条件于模型的对称面上。计算网格采用Solid164八节点六面体单元，炸药、药型罩、空气采用ALE算法，与穿甲弹、后效靶板之间的接触作用采用流固耦合算法[6]。在模型的边界节点上施加压力留出边界条件，避免压力在边界上的反射。数值模型采用cm-g-μs单位制。

1.2 材料模型

本算例中，药型罩材料采用紫铜，后效靶板采用45#钢，穿甲弹采用钨合金材料，所有金属材料都采用JOHNSON-COOK材料模型[6]和GRUNEISEN状态方程，各金属的材料参数如表1所示，表1中C为应变率相关系数，n为应变硬化指数，m为温度相关系数。主装药选择8701炸药，选用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL状态方程来描述，材料参数如表2所示。空气采用空物质材料(NULL)描述，状态方程为多线性状态方程。炸药起爆方式为线起爆。

表1 药型罩、穿甲弹、靶板的材料参数

表2 8701炸药参数

2 数值模拟结果与分析

2.1 切割角度对不同速度穿甲弹的变形影响分析

结构不同的模型，线性自锻破片切割干扰穿甲弹的角度以及作用点均不同。仿真模拟中，穿甲弹首先接触并侵彻靶板，随后在线性自锻破片的切割干扰下继续侵彻。图2为弹体受高速线性自锻破片干扰后的4种典型变形情况。选取穿甲弹速度为1 200 m/s，线性自锻破片切割角度分别为60°、90°、120°和135°的情况进行分析。表3详细记录了不同速度的穿甲弹受自锻破片干扰作用点的位置，以穿甲弹尾部为起始点进行测量。其中弹初速为1 700 m/s，线性自锻破片切割角为45°的模型中，由于初速过快，线性自锻破片并未与弹体接触。

表3 LEFP作用点与弹尾部的距离 mm

将穿甲弹沿轴线量化，并沿线性自锻破片作用点分为前后段，由表3可知线性自锻破片的作用点从靠近弹体尾部延伸到距离尾部约70 mm处。根据量化结果，选取4个典型的模型进行详细分析，分别为线性自锻破片的作用点靠近弹体尾部、中部、头部的4种情况。在线性自锻破片干扰穿甲弹之前，穿甲弹先与靶板接触，且已进行了28 μs的侵彻运动。图2中在θ=60°时，线性自锻破片作用点靠近弹体尾部，此时自锻破片对穿甲弹的变形影响较小，弹体前半段发生轻微翘曲，穿甲弹未断裂；当θ=90°时，自锻破片作用点基本处于穿甲弹中间部位，在穿甲弹穿透靶板瞬间，弹体前半段断裂成块，随后向后飞离；在θ=120°和θ=135°时，线性自锻破片作用点在弹体前半段，结合图3的截面应力曲线，此时弹体受到很大的剪切冲击作用，弹体在靶内直接被切断，剩余弹体的头部呈现为凸头状，且120°和135°时剩余弹体弯曲方向相反。线性自锻破片切割穿甲弹的角度及作用点的不同，会导致弹体的截面应力和变形程度产生差异。变形较大或被切断的穿甲弹在继续侵彻厚靶时，侵彻深度会大幅度降低，侵彻效能会进一步降低。

从图3可以得知，当线性自锻破片切割穿甲弹的角度为120°和135°时，作用点处的截面应力短时间内突变增大，应力峰值已远远大于钨材料的屈服极限，导致弹体仍在靶内时其头部就被切断并完全破碎；线性自锻破片的切割角为90°时，作用点处的截面应力变化较120°和135°时小，没有超过材料的屈服极限，但造成弹体较大的形变，导致弹头部在侵彻过程中被压缩成团，随后在穿甲弹贯穿靶板过程中被逐渐拉断直至脱落；当切割角θ为60°时，线性自锻破片作用点截面处的应力增大较小，仅使弹体被冲击出凹坑和发生轻微偏转。

2.2 被切割穿甲弹侵彻靶板的姿态分析

穿甲弹侵彻靶板经历了3个阶段：飞溅开坑即穿甲弹侵入靶体的阶段；稳定侵彻阶段,即穿甲弹在靶体中稳定运动阶段；穿甲弹穿透靶体的阶段。如图4所示，选取杆速为1 200 m/s的5种典型模型，详细分析了穿甲弹侵彻靶板过程中的稳定运动和穿透阶段的姿态变化。由于受不同方向以及不同作用点的线性自锻破片干扰，穿甲弹侵彻后效靶的姿态也存在差异。由图4可以看出，在穿甲弹稳定侵彻靶板阶段，线性自锻破片对穿甲弹的干扰影响较小，穿甲弹头部均发生不同程度的“墩粗”现象，但区别不太明显，仅当θ=135°时，穿甲弹头部即将被切断，产生较大的变形。

在穿甲弹穿透靶板阶段，当θ=75°时，弹体后半段紧贴靶板空腔进入靶内，头尾部均发生轻微翘曲，穿甲弹未断裂，但在贯穿靶板后弹体的弯曲变形仍持续进行。当θ=90°时，弹体后半段紧贴空腔上壁进入靶内，头部被压缩成团，在穿甲弹贯穿靶板的瞬间，块状头部断裂飞离。当θ=105°时，弹体前半段的变形程度进一步加大，弹体整体向下偏转，不利于进一步的侵彻；弹体头部在靶内很短距离的侵彻过程中完全破碎，穿透靶板时仅剩后半部分，且此时弹体的弯曲变形曲率较θ=120°时大，弹体整体向上弯曲。当θ增大到135°时，弹体在靶内直接被切断，弹体碎裂的头部向后飞散，由剩余部分对靶板进行侵彻，在后续侵彻过程中弹体没有被墩粗变形进而出现“蘑菇状”头部，而是呈现为凸头状，弹体整体弯曲方向与θ=120°时相反。

受线性自锻破片干扰时，弹体偏转和变形程度越大，对后效靶的毁伤效果越大，所造成的空腔容积也越大，但也加剧了弹体的能量损耗，导致残余弹体的侵彻能力进一步减小。

2.3 被切割穿甲弹侵彻后效靶威力分析

后效靶空腔容积及尺寸曲线如图5所示，穿甲弹穿透靶板后的能量损失以及后效靶空腔的容积在一定程度上能够反映出穿甲弹的毁伤效能。

由图5可知，当杆速为1 200 m/s时，随θ增大，空腔容积和尺寸不断增大，当θ超过90°时，后效靶空腔容积和开孔尺寸逐渐下降；当杆速为1 500 m/s时，后效靶空腔容积和开孔尺寸随θ的增大呈现增-减-增-减式的变化趋势，整体上靠近θ=90°时，空腔容积和开孔尺寸较大；当杆速增大到1 700 m/s时，因线性自锻破片的切割干扰以及杆速过高，部分模型中的靶板被穿甲弹穿透时背面会崩落少许碎块，导致开孔尺寸与空腔容积匹配度较差，在θ=90°和θ=135°时，空腔容积和开孔尺寸最大。杆速较低时，穿甲弹侵彻后效靶形成的空腔容积和开孔直径整体上呈现出中间大，两侧小，这是由于线性自锻破片作用点靠近过弹体中部时，所造成穿甲弹弯曲程度较大，弹体在靶内发生偏转，贯穿靶板时所侵彻形成的空腔较大，但穿甲弹也因此损失更多的能量，其速度随之衰减。

穿甲弹的能量损失、剩余速度与切割角的关系如图6所示，穿甲弹侵彻过程的能量损失和剩余速度都与切割角θ存在一定的关联。

从图6可知，当弹体初速为1 200 m/s时，穿甲弹的能量损失随切割角θ先增大后减小，而剩余速度表现为增-减式循环变化，这与线性自锻破片的作用点有很大的关系；当杆速达到1 500 m/s时，穿甲弹的能量损失随角度变化表现为平稳波动到缓慢增长，其剩余速度也表现为平缓的波动；当初速为1 700 m/s时，穿甲弹的能量损失随切割角θ的增大表现为减小-平稳波动-增大的动态变化，但是穿甲弹的剩余速度基本上均为1 580 m/s，与θ的关联较小。从整体上来说，线性自锻破片对低速穿甲弹的干扰作用比较明显，而随着初速的不断升高，这种干扰影响越来越小。

选取穿甲弹速度为1 700 m/s时，穿甲弹受线性自锻破片切割前后的时间段进行分析，将不同切割角的速度-时间曲线整合到一起，如图7所示。虽然线性自锻破片切割角度变化对高速穿甲弹剩余速度的影响较小，但是穿甲弹受不同角度的线性自锻破片干扰时，其速度在x和z方向上的分量也存在一定的差异。穿甲弹x方向的速度分量，以θ=90°为界限，当θ大于90°时，穿甲弹x方向的速度衰减随切割角度的增大而逐渐减小；当θ小于90°时，穿甲弹x方向的速度衰减随切割角度的增大而逐渐增大。从图7中也可以明显看出，穿甲弹受干扰后z方向的速度衰减呈现为当θ小于90°时，穿甲弹速度衰减随切割角θ增大而逐渐减小；当θ大于90°时，穿甲弹的速度衰减随切割角θ增大而不断增大。

当穿甲弹的速度、线性自锻破片切割角度以及作用点不同时，穿甲弹的剩余弹长也不同，如图8所示。

测量各模型中穿甲弹的剩余弹长，当45°<θ<90°时，剩余弹长随θ增大而逐渐减小，在θ=90°时，剩余弹长最小；当θ>90°时，随θ增大，剩余弹长逐渐增大。穿甲弹的剩余弹长表示了弹体的弯曲变形程度，剩余弹长越小，变形程度越大时，残余侵彻能力越弱。

3 结论

LEFP结构对低速穿甲弹的切割干扰影响较大，低速穿甲弹的速度损失比较大，而且变形程度也较大，随穿甲弹初速的不断升高，LEFP结构对弹体的干扰作用逐步减弱。

线性自锻破片切割穿甲弹的作用点与穿甲弹的变形程度有一定关联，当作用点处于弹体中段时，穿甲弹的变形程度最大，为进一步优化反应装甲提供了依据。

LEFP切割穿甲弹的角度为90°时，穿甲弹的变形程度最大，剩余弹长最小，剩余速度较小，穿甲弹侵彻形成的后效靶空腔较大，残余侵彻能力最低。

当45°<θ<90°时，穿甲弹对后效靶的毁伤效果随θ增大而增大，变形程度逐渐增大，残余侵彻能力不断减小；在θ>90°时，穿甲弹变形程度逐渐减小，残余侵彻能力不断增大。

从穿甲弹的毁伤效能方面来说，需要不断优化穿甲弹的侵彻角以达到最好的毁伤效果；从防御系统来说需要优化LEFP的切割角度，加强对穿甲弹的切割干扰作用。

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