半穿甲炮弹对小型舰船目标毁伤效能评估研究

王玉，王树山，李文哲，董晓明，舒彬

(1.海军大连舰艇学院 水武与防化系，辽宁 大连 116018；2.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；3.北京中恒天威防务科技有限公司，北京 100081)

大口径舰炮主要用于对岸火力支援和舰与舰之间的火力打击。随着信息化弹药的发展，舰炮武器命中精度逐渐提升，且大口径舰炮的射程、弹药威力得到了增强。目前对一种大口径半穿甲炮弹提出了新的需求，该种炮弹是一种在侵彻过程中或穿透以后很短的距离内爆炸的炮弹，主要用来打击小型舰船(护卫舰及以下级别)侧舷结构，造成侧舷破口进水，进而影响舰船的生命力。因此为了对这种新型舰炮武器的选取类型及作战性能进行综合论证，需要对舰炮的终点毁伤情况进行研究，综合考核舰炮武器的毁伤能力。

二战时期舰船结构毁伤实例表明，舰船侧舷或其他部位产生局部破坏，致使舰船整体强度减弱造成舱室进水，是舰船毁伤的主要模式[1]。舰船可以认为是由若干板架连接而成，因此在研究舰船结构毁伤时，研究人员通常简化为研究舰船板架的毁伤情况。Ramajeyathilagam[2-3]采用试验和数值仿真方法开展了侧舷板架在爆炸载荷作用下毁伤情况的研究，进行了不同爆距、不同装药量下矩形板的破坏情况。周姝[4]应用LS-DYNA数值仿真软件分别就炸药当量为50，150，240 kg作用下舰船板架破损情况进行比较分析。吴震等[5]采用试验方法研究破片和冲击波对舰船板架的耦合毁伤效应，得出光板在破片和冲击波共同作用下破坏模式主要有花瓣弯曲和拉伸断裂两种。李樱等[6]利用LS-DYNA数值仿真软件研究在药包水下近场和接触爆炸两种情况下舰船侧舷的毁伤特性。赵倩等[7]开展了含铝炸药水中爆炸能量输出规律和舰船目标响应情况的数值仿真研究，得出近场冲击波能是舰船毁伤的主要原因。

半穿甲弹所装的引信为延时引信，在多少穿深爆炸对舰船舱室破坏效果最好，不同弹药的起爆点应该有一定的差异[8]。焦立启等[9]利用LS-DYNA软件研究半穿甲反舰战斗部舱内爆炸对固支单向加筋板的毁伤作用进行数值仿真计算，得到舰船加筋板在冲击载荷作用下变形破坏特点及规律。杜志鹏等[10]进行了实尺度舱室内爆试验，认为当在舱室内爆、爆距小于0.25倍板架宽时，板架受到局部高压载荷作用并产生花瓣破口；孔祥韶[11]在进行缩比舱室内爆试验时发现，当弹药爆炸的位置和舱室壁的距离较近时，从舱壁破口处会有较明显的爆炸流出现象。因此，对于装药量相对鱼雷、导弹等来说较小的炮弹，为达到较佳毁伤效果，爆点位置距离舰船侧舷的距离还需具体分析。

笔者针对大口径半穿甲炮弹对典型小型舰船目标的毁伤效能评估问题，进行了典型船体靶板毁伤试验及数值仿真，验证了数值仿真模型及材料参数的可靠性，在此基础上利用AUTODYN数值仿真软件进行半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤数值仿真，并建立了毁伤效能数学模型，为新型舰炮武器系统综合论证和作战效能评估提供技术支撑，为舰船防护设计提供理论基础。

1 典型舰船目标特性分析

1.1 目标结构分析

典型小型舰船结构按照舱室类型主要可以划分为电子武备舱室、生活保障舱室、机电设备舱室和其他舱室等，同时各类舱室是由各种功能类似的舱室所组成。

1.2 毁伤等级与毁伤准则判据

舰船在外力的作用下致使舱室破损进水后，仍能保持稳定、漂浮的能力称为不沉性。目前关于舰船不沉性有如下说法：将舰船分为几舱制，一舱制舰船即满足舰船在某一个舱室进水后仍能保持不沉；二舱制舰船即相邻2个舱室进水后仍能保持舰船的安全性；三舱制舰船即在相邻3个舱进水后仍能满足不沉性。舰船除了受到航行时的外力作用外，还可能遭到敌方武器的打击，被破坏的几率较大，因此舰船的不沉性要求较高[12]，文献[13]认为当舰船的损坏状态为三舱连破情况时将逐渐沉没。对于一些中小型舰船，文献[14]认为当舰船的破口尺寸达到6～7 m时就可以导致舰船在短时间内沉没。

一般情况下，水线处多为生活保障舱室，该类舱室长度约为2～3 m，即2～3个连续舱室产生无法修复的破口，就足以使中小型舰船沉没。因此根据舰船结构损坏造成舰船毁伤的研究进展[12-14]，将舰船由舱室损坏造成的毁伤划分为3个毁伤等级，毁伤准则与判据如下：

1)重度毁伤：舰船任意连续3个或3个以上舱室损坏，损坏的舱室进水且无法修复。

2)中度毁伤：舰船任意连续2个舱室损坏，损坏的舱室进水且无法修复。

3)轻度毁伤：舰船任意1个舱室损坏，损坏的舱室进水且无法修复。

1.3 典型侧舷结构特性分析

目前中小型舰船的侧舷结构通常为纵骨架式，为减少纵骨尺寸提高船体强度，纵骨架式舷侧结构会采用强肋骨作为横向型材[15]，船体的主要制造材料有钢、铝合金和玻璃钢等[16]，其中常用的中小型舰船船体材料为921A钢，921A钢的材质为10CrNi3MoV，其屈服强度为590～745 MPa，同时舰船侧舷外钢板作为舰船要求较高的关键要害构件，其厚度往往选取在12～16 mm范围内[12]，由于生活保障舱室的防护相对薄弱，因此选取厚度为12 mm的侧舷外钢板作为研究对象。

根据典型侧舷结构可知，由于纵骨和强肋骨的存在，当半穿甲炮弹对舰船侧舷进行侵彻时，若侵彻位置不同，侧舷的动态响应也会不同，同时弹药不同的着角、侵彻深度对侧舷结构的破坏程度均会有较大的差异。在研究半穿甲炮弹对侧舷侵彻作用后战斗部爆炸对侧舷毁伤特性时，侧舷被侵彻后的破坏状态是研究侧舷受到爆炸作用后响应情况的初始状态，因此为了保证研究的初始条件具有一致性，对典型中小型舰船侧舷结构进行简化等效，采取的方法为将纵骨和强肋骨等效为板厚，均布到侧舷平板上，将侧舷结构简化为等厚板，简化公式[17]为

(1)

式中：h表示等效后的板厚；h′表示侧舷平板的厚度；L和B分别表示侧舷的长和宽；n表示纵骨骨架数；Fi表示骨架的横断面积；m表示强肋骨骨架数；Fj表示强肋骨骨架的横断面积。等效后的舰船侧舷厚度为14 mm。

2 船体靶板毁伤试验与数值仿真验模

2.1 典型船体靶板毁伤试验

利用φ50 mm×85 mm的带壳装药及典型船体靶板进行毁伤试验，其中炸药为8701，装药量为190 g，在结构为1 m×1 m×8 mm的921A船体靶板中心预留一个直径略大于带壳装药直径(50 mm)的孔，设计2种工况分别为：靶板固定在支架上并保持水平，将带壳装药嵌入到靶板预制破口中，使带壳装药沿轴线方向与地面垂直，保持带壳装药轴线中心与靶板预制破口平齐并固牢试验场地；将带壳装药放置在靶板预制破口上方，使带壳装药沿轴线方向与地面垂直，保持带壳装药底盖与靶板预制破口平齐并固定牢固。试验场地布置如图1所示。为避免试验结果的偶然性，对工况1和工况2各进行2次试验。

2.2 典型船体靶板毁伤数值仿真

2.2.1 数值仿真模型

在AUTODYN软件中建立与毁伤试验中应用的结构尺寸完全相同的船体靶板和带壳装药的数值仿真模型。为简化计算，建立1/4模型结构，并赋予和试验完全相同的材料模型，采用Velocity类型边界条件从而实现靶板的固定，带壳装药沿轴线方向垂直放置在靶板预留破口处的上方和中心，建立包含带壳装药与部分靶板在内的空气域，空气域设置FLOW-OUT边界条件，实现在仿真软件中还原试验现场环境，靶板和带壳装药壳体采用拉格朗日算法，空气和炸药采用欧拉算法，采用流固耦合算法保证拉格朗日单元和欧拉单元能够相互作用。建立2种工况的数值仿真模型如图2所示。

2.2.2 材料模型

数值仿真采用的材料模型如表1所示，其中试验靶板和壳体的失效模型均包含随机失效模型(Stochastic failure)，利用概率算法表征材料固有缺陷而产生的裂纹和破坏，进行典型船体靶板毁伤数值仿真研究。

表1 计算所用材料模型

2.3 结果对比分析

带壳装药毁伤典型船体靶板的试验与数值仿真结果如图3、4所示。

从图3可以看出，对于带壳装药放置在靶板中的工况1，试验和数值仿真中靶板破口均向内、向外翻卷，破口直径变化量较大，在破口处沿45°方向有剪切的现象。

从图4可以看出，对于带壳装药放置在靶板上的工况2，试验与数值仿真中靶板在破口处有明显的崩落现象，靶板的破口尺寸变化量较少，崩落呈45°方向剪切，同时在靶板上有大量破片打击后的痕迹。

分别测量2种工况下船体靶板在毁伤试验与数值仿真中的破口直径，结果数据如表2所示，对比2种工况试验和数值仿真中船体靶板的平均破口尺寸数据，可以看出试验与数值仿真结果误差在15%内。

表2 试验与数值仿真结果数据表

综合对比试验和数值仿真中典型靶板毁伤形态及破口尺寸数据，可以得出毁伤试验和数值仿真结果吻合较好，建立的数值仿真模型及选取的仿真参数具有较高的可信性，可以用于半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤数值仿真研究。

3 半穿甲炮弹对侧舷毁伤的数值仿真

为得到半穿甲炮弹对舰船侧舷的毁伤特性数据，采用验证后的典型船体靶板数值仿真模型及参数，进行半穿甲炮弹对典型小型舰船侧舷毁伤的数值仿真研究。

3.1 计算方案

半穿甲炮弹直径为155 mm，装药质量为12 kg，装药为8701高能炸药，末端速度为300 m/s，采用延时引信起爆。

综合考虑侧舷破口尺寸误差和仿真计算时间，利用Truegrid软件建立几何模型，建立的舰船侧舷仿真模型结构网格尺寸为2.5 mm。设计的数值仿真工况分别为：当战斗部垂直打击时，起爆点至侧舷的距离为1/4弹长处，即Δ=0.25L(L为弹长)，除此之外还有Δ=0.5L，0.75L，L，1.5L，2L，共6种；除了研究起爆位置对舰船侧舷结构的关联特性外，以半穿甲炮弹的起爆点距侧舷1/2弹长处时(Δ=0.5L)起爆为例，在相同的数值仿真环境条件下，开展着角γ(弹道线与侧舷平面法线的夹角)对舰船侧舷毁伤的关联特性研究，主要研究当着角γ为0°，15°，30°和45°时半穿甲炮弹对舰船侧舷的破坏情况。

3.2 仿真结果

利用数值仿真计算方法，得到了半穿甲炮弹在不同起爆位置条件下，仿真初始工况布置及爆炸作用后的舰船侧舷结构破坏仿真结果如图5所示，由于篇幅限制，只列举其中部分仿真结果。

当半穿甲炮弹中心嵌入到舰船侧舷时，不同着角起爆对舰船侧舷结构破坏仿真结果如图6所示。

对图5、6中各仿真工况中舰船侧舷结构破坏数据进行整理，采用破口尺寸表征半穿甲炮弹对舰船侧舷的毁伤特性，得到半穿甲炮弹的起爆位置、着角和舰船侧舷破口直径的关系，如图7、8所示。

分析比较侧舷结构破坏仿真结果图5、6和数据曲线图7、8可以得出：

1)当半穿甲炮弹起爆位置为起爆点距离侧舷1/2弹长处时，舰船侧舷结构破坏最严重，发生了明显的崩落现象，但沿侧舷平面法线方向形变量较小；随着起爆位置逐渐远离舰船侧舷结构，侧舷结构破坏逐渐由崩落现象到产生花瓣形破口，再到仅产生凹陷，不产生裂纹，毁伤模式主要为拉伸断裂和花瓣破口，与文献[5]的结果相同；同时破口直径先增大后减小，此过程存在一个最佳炸点，使得舰船侧舷破口直径达到了极大值，极点为352 mm。

2)当半穿甲炮弹起爆位置为起爆点距离侧舷1/2弹长、着角在0°～45°范围内时，侧舷结构产生明显崩落现象，侧舷破口周围钢板向外翻卷，随着着角的增加舰船舷侧结构的破口直径先减小后增大，当着角为45°时，对舰船侧舷结构造成的破坏程度最严重，破口直径达到367 mm。

4 半穿甲炮弹对舰船的毁伤效能评估

4.1 毁伤效能计算模型

建立如图9所示的舰船目标坐标系O-xyz，选取舰船目标的中心为坐标原点O，其中Oz轴与海平面重合，其正方向为沿舰船中心指向船头，Ox轴垂直于海平面，向上为正方向，Oy轴向外为正方向。选取的瞄准点为舰船中心点O。

开展半穿甲炮弹对典型舰船目标的毁伤效能评估研究之前，需要明确舱室毁伤的判据，由于认为舰船侧舷结构毁伤导致舱室内部进水则构成毁伤，结合图7、8中的毁伤特性数据，给出舱室进水的判据为

(2)

式中：x为半穿甲炮弹在舰船坐标系中的随机炸点坐标在立轴方向的坐标值；Dmax为数值仿真计算得到的与起爆位置和着角对应的舰船侧舷最大破口直径数据；D为水线下的有效距离。

利用穿甲效应经验公式[19]可以得到半穿甲炮弹在此着角γ下极限穿透速度v50，将v50带入炮弹在水中运动速度衰减方程，即可得出在此落角下炮弹水下运动的极限距离l，则

D=lsinγ.

(3)

假定目标无对抗、系统无故障，由文献[19]采用蒙特卡罗算法抽样得到在舰船目标坐标系下的炮弹随机炸点坐标。结合目标特性分析舰船舱室类型及尺寸，若半穿甲炮弹命中舰船舱室侧舷，判断命中侧舷位置与判据的关系，若满足式(2)，则认为单次打击下舰船舱室毁伤。进行大量的随机抽样，统计每次打击的结果，得到半穿甲炮弹单次打击下各个舱室毁伤概率pc：

(4)

式中：N为抽样总数；nc为命中毁伤c舱室的次数。

结合单次打击下各舱室的毁伤概率，在不考虑累积毁伤的情况下，每个舱室在多次打击下的毁伤概率为

(5)

(6)

将整个事件的所有结果累加，即可得到舰船目标达到重度毁伤等级的毁伤概率P(Q)，如图10所示。

根据概率论与数理统计，当置信水平达到95%时，可认为该事件发生，即当满足式(7)时，便可得出利用舰炮系统打击舰船目标，使其达到重度毁伤等级时所需要的用弹量Q。

P(Q)≥0.95.

(7)

4.2 毁伤效能计算与分析

利用舰船目标特性分析，结合半穿甲炮弹对舰船目标毁伤特性数据及建立的毁伤效能数学模型，以大口径半穿甲炮弹打击某典型2 700 t级护卫舰目标为例，采用用弹量表征毁伤效能，分别计算在着角为0°、起爆相对位置Δ=0.5L的情况下，重度、中度和轻度3个毁伤等级对应的半穿甲炮弹命中精度与毁伤舰船所需用弹量，得到的变化关系如图11所示。

结合半穿甲炮弹的着角与毁伤舰船所需用弹量的数据表，得到当CCEP为5 m、起爆相对位置Δ=0.5L时，舰船达到不同毁伤等级下所需用弹量随着角γ的变化关系如图12所示。

1)当着角γ为0°、起爆相对位置Δ=0.5L时，达到轻度毁伤等级的用弹量随着命中精度的增加而增加；达到重度和中度毁伤等级的用弹量随着命中精度的增加呈先减小后增加的趋势，分别存在最佳的命中精度，使达到3个毁伤等级时所需用弹量最少。

2)当CCEP为5 m、起爆相对位置Δ=0.5L、着角γ在0°～45°时，达到重度、中度和轻度毁伤等级的用弹量随着角的增加呈先增加后减小的变化趋势。从计算结果可以看出，得到的变化趋势符合客观规律，建立的终点毁伤数学模型可以用于计算半穿甲炮弹对舰船目标毁伤效能评估。

5 结论

笔者采用理论分析、试验及数值仿真相结合的方法，研究半穿甲炮弹对舰船目标的毁伤效能，取得的主要研究成果如下：

1)对比典型船体靶板毁伤试验及数值仿真结果中靶板的破坏形态及破口直径，验证了靶板数值仿真模型及参数的准确性。在此基础上，进行了半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤的数值仿真，获得了半穿甲炮弹起爆位置及着角对舰船侧舷的毁伤特性数据，当着角为0°时，起爆相对位置为0.5L时为最佳起爆点；当起爆位置确定时，着角为45°时对侧舷造成的毁伤最严重，可为弹药和引战配合设计提供依据或参考。

2)提出了一种造成侧舷结构毁伤产生破口导致舱室进水的判据，建立了半穿甲炮弹作用于舰船目标的终点毁伤效能数学模型，并以某典型舰船目标为例，验证了终点毁伤效能计算模型的可靠性；同时模型还可以用于计算不同装药量、瞄准点等新型舰炮武器的终点毁伤效能，对新型舰炮武器系统综合论证、作战效能进行评估、弹药设计以及舰船防护设计等具有应用或参考价值，为系统作战效能的研究提供一条技术途径。