低碳金属板对带攻角侵彻弹体的动态响应仿真分析

张昆 罗刚 谢伟

摘要：为提高水面舰船结构抗半穿甲弹侵彻防护设计水平，采用LS-DYNA仿真分析45钢Tayler杆撞击效应，并与试验结果进行对比分析，验证仿真分析方法的正确性。仿真分析圆柱形弹体斜侵彻和带攻角侵彻低碳金属靶板，认为弹体斜侵彻低碳金属板时的侵彻能力比带攻角侵彻时的侵彻能力差，且随着斜侵彻角度增加，弹体侵彻能力急剧下降。研究结果为水面舰船结构抗半穿甲弹侵彻设计提供思路，改变弹体姿态比改变弹体的攻角更有效。

关键词：低碳金属板;半穿甲弹;侵彻;攻角;动态响应;弹体姿态

中图分类号：O385;TG113.2

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）02-0063-05

0 引 言

半穿甲弹（如反舰导弹）是水面舰船最大的威胁，其主要通过侵彻舰船结构进入舰船内部爆炸，从而实现对舰船的毁伤。对该类型武器的防御主要有2种方法：（1）使半穿甲弹远离重要舱室降低其穿甲能力;（2）提高重要舱室抗内爆的防护能力。其中，降低半穿甲弹的穿甲能力是最有效的方法，各国学者均从理论、实验、数值计算等多方面开展大量研究。[1-5]熊飞等[6]研究不同头部形状半穿甲战斗部侵彻薄板的侵彻能力，提出针对不同装甲板厚度选定不同弹头形状的建议;陈小伟等[7-8]分析平头弹穿透金属靶板模式，并据此给出穿甲的理论模型。对于水面舰船结构设计而言，降低半穿甲弹穿甲能力有2种思路：增加弹体的斜侵彻角度或者增加弹体的攻角。到底哪种思路更有效，是至关重要的问题。

首先，本文采用LS-DYNA对陈刚等[9]的试验进行仿真分析，验证仿真方法的正确性;然后，仿真分析圆柱形刚体弹斜侵彻和带攻角侵彻某船用低碳金属材料靶板后弹体的剩余速度，以此评估2种侵彻模式对弹体侵彻能力的影响;最后，提出水面舰船结构抗半穿甲弹侵彻防护的设计思想。

1 圆柱形45钢Tayler杆撞击靶板试验仿真验证

1.1 材料模型

材料模型参数与文献[9]完全一致，45钢的本构模型采用Johnson-Cook模型，即

1.2 有限元模型

在ANSYS中建立有限元模型，弹体材料为45钢，形状为直径25 mm、长度100 mm的圆柱体，采用1 mm×1 mm×1 mm的SOLID164单元划分网格;被撞击钢板为100 mm×100 mm×20mm的刚体，采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164单元划分网格。Tayler杆撞击钢板有限元模型示意见图1。

1.3 初始撞击速度

为保证仿真计算与试验的一致性，Tayler杆采用与文献[9]试验相同的撞击速度v，具体见表1。

1.4 仿真计算结果对比分析

45钢Tayler杆以217 m/s的初速度撞击钢板，计算得到的Tayler杆塑性应变云图见图2，文献[9]试验结果见图3，可见两者基本一致。

直径25 mm的Tayler杆以217 m/s的速度撞击钢板后，顶部出现墩粗，直径约38.2 mm。仿真得到的Tayler杆直径D变化历程见图4，仿真计算结果与试验结果一致。

采用上述方法，分别计算表1所有初始撞击速度下Tayler杆的最终墩粗直径，计算结果与文献[9]试验结果的对比见表2。

仿真计算得到的墩粗直径与试验值吻合很好，可知本文采用的仿真计算方法合理可行。

2 船用低碳金属材料靶板侵彻响应分析

2.1 有限元模型介绍

靶板材料采用45钢，材料参数同第1.1节，靶板尺寸为200 mm×200 mm×10 mm，网格单元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164单元;弹体圆柱体直径为20 mm，长为100 mm，网格单元采用2 mm×2 mm×2 mm的SOLID164单元，弹体视为刚体，密度ρ=7.85 mg/mm3，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.33。圆柱弹体和靶板有限元模型见图5。

2.2 计算工况

讨论2种侵彻方式对侵彻性能的影响，从而对舰船抗穿甲防护设计提供技术支持，因此主要研究斜侵彻角度和攻角对弹体侵彻靶板的影响。取弹体的合初速度为450 m/s，计算工况见表3。

斜侵彻角度，即令弹体速度方向与靶板法线相同，弹体中心线与靶板法线的角度;带攻角侵彻角度，即令弹体速度方向与弹体中心线相同，弹体速度方向与弹体靶板法线的角度。侵彻角度示意见图6。

2.3 不同工况下弹体侵彻靶板仿真分析

工况1为弹体正向侵彻船用低碳金属材料靶板，其塑性应变云图见图7，弹体的速度曲线见图8。

采用同样的计算方法，计算得到各工况下弹体的剩余速度，见表4。

弹体斜侵彻时，随着侵彻角度的不断增大，弹体剩余速度下降明显，特别当弹体斜侵彻攻击角度达到30°时，弹体被金属靶板完全防护，未能穿过靶板，此时弹体侵彻靶板的最终塑性应变云图见图9，弹体的速度曲线见图10。

弹体带攻角侵彻时，攻角等于侵彻角度。随着攻角的不断增大，弹体的剩余速度也不断下降，但下降的趋势没有斜侵彻时下降得快。当攻角为30°时，弹体最终侵彻靶板的塑性应变云图见图11，弹体的速度曲线见图12。

2.4 2種侵彻模式对比分析

斜侵彻时，随着侵彻角度的增大，弹体与靶板的接触面积会显著增加，是导致弹体侵彻能力下降的主要原因;带攻角侵彻时，随着攻角的增大，弹体侵彻靶板的有效面积也增加，是导致弹体侵彻能力下降的主要原因。随着侵彻角度的增大，弹体侵彻能力均不断下降，但斜侵彻侵彻角度增加对弹体侵彻能力下降的影响程度明显高于带攻角侵彻时攻角增大的影响程度。

由以上分析可知：弹体斜侵彻船用低碳钢金属靶板时，随着侵彻角度的增大，弹体的侵彻能力不断下降;在斜侵彻过程中，弹体与靶板的接触时间和接触面积明显增加，弹体侵彻靶板能力大大降低;与正向侵彻相比，弹体带攻角侵彻靶板时，弹体与靶板的有效接触面积增加，因此随着攻角的不断增大弹体的侵彻能力不断下降;与弹体带攻角侵彻相比，弹体斜侵彻时侵彻能力更低。

3 结 论

（1）本文采用LS-DYNA仿真分析45钢Tayler杆撞击钢板试验，仿真结果与试验值吻合，证明本文采用的仿真方法合理可行。

（2）对于斜侵彻与带攻角侵彻2种工况，斜侵彻时弹体的侵彻能力更低。

（3）对于水面舰船防弹体侵彻设计，应着力改变弹体的侵彻角度而不是改变弹体的攻角，这样既容易实现又更加有效。

采用LS-DYNA仿真分析弹体侵彻船用低碳钢的侵彻过程，数值计算结果表明斜侵徹时弹体的侵彻能力比带攻角侵彻时更低，改变弹体侵彻角度能够有效实现对弹体的高效防护，该结论对水面舰船结构抗半穿甲弹侵彻防护设计大有裨益。

参考文献：

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[6] 熊飞， 石全， 张成， 等. 不同头部形状半穿甲战斗部侵彻薄钢板数值模拟[J]. 弹箭与制导学报， 2015， 35（1）：55-58.

[7] 陈小伟. 金属靶穿甲的理论模型[C]// 第八届全国爆炸力学学术会议论文集. 吉安：中国力学学会， 2007：403-409.

[8] 陈小伟， 梁冠军， 姚勇， 等. 平头弹穿透金属靶板的模式分析[J]. 力学学报， 2009， 41（1）：84-90.

[9] 陈刚， 陈忠富， 徐伟芳， 等. 45钢的J-C损伤失效参量研究[J]. 爆炸与冲击， 2007， 27（2）：131-135.

（编辑 武晓英）