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        旋飛毀傷盤對(duì)桿式穿甲彈的毀傷效應(yīng)分析*

        2012-12-10 02:23:30錢建平牛公杰
        關(guān)鍵詞:穿甲彈桿式刀桿

        付 超,錢建平,牛公杰

        (南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

        0 引言

        在主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的研究中,如何防御、攔截動(dòng)能穿甲彈,主要是尾翼穩(wěn)定桿式脫殼穿甲彈,是一個(gè)特殊的領(lǐng)域。與反坦克導(dǎo)彈和火箭彈不同,動(dòng)能穿甲彈飛行速度很高,大多采用貧鈾或鎢合金材料制造,依靠目前主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)的對(duì)抗彈藥爆炸形成的破片不能有效對(duì)付它們[1]。當(dāng)前各國(guó)正在研究的對(duì)抗技術(shù)包括:利用爆炸沖擊波沖擊穿甲彈體、發(fā)射大質(zhì)量飛盤撞擊穿甲彈體等[2]。文中提出了一種旋飛毀傷盤,通過(guò)迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊兩種方式對(duì)桿式穿甲彈進(jìn)行攔截、毀傷。

        1 旋飛毀傷盤的作用方式

        旋飛毀傷盤由本體圓盤和安裝在本體上的8根刀桿組成,如圖1所示,通過(guò)高速撞擊桿式穿甲彈使其折彎和損傷,并偏轉(zhuǎn)其飛行方向,從而降低其侵徹威力。

        旋飛毀傷盤旋與桿式穿甲彈遭遇時(shí)主要有以下兩種形式:一是旋飛毀傷盤的本體圓盤與桿式穿甲彈迎面撞擊,如圖2(a)所示;二是桿式穿甲彈從旋飛毀傷盤刀桿間飛過(guò),高速旋轉(zhuǎn)的飛盤利用刀桿對(duì)桿式穿甲彈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)側(cè)擊,如圖2(b)所示。

        圖1 旋飛毀傷盤

        2 影響桿式穿甲彈威力的因素

        2.1 著靶速度

        桿式穿甲彈的侵徹威力與著靶速度密切相關(guān)。圖3所示為鋼彈和鎢合金彈對(duì)半無(wú)限鋼靶碰擊的相對(duì)侵徹深度L/l與碰擊速度v0/c(c=5950m/s為鋼的彈性波速)關(guān)系[3]。

        圖2 旋飛毀傷盤對(duì)桿式穿甲彈的作用方式

        從圖3看出,無(wú)論是鋼彈還是鎢彈,侵徹深度與著靶速度的關(guān)系曲線基本為拉長(zhǎng)的S型,曲線在1000m/s<v0<2000m/s范圍內(nèi)變化較陡。目前桿式穿甲彈的著靶速度約為1500~1700m/s,正處于曲線的變化劇烈區(qū),這表明即使桿式穿甲彈的著靶速度有少量降低,其侵徹深度也將會(huì)降低許多。

        圖3 鋼、鎢彈在半無(wú)限靶中的侵徹深度

        2.2 著靶攻角

        著靶攻角是影響桿式穿甲彈侵徹深度的另一個(gè)重要因素。圖4是直徑d=6.5mm、長(zhǎng)細(xì)比λ=30的鎢合金桿彈以1500m/s的著靶速度侵徹鋼靶時(shí),侵徹深度隨著靶攻角變化的曲線[3]。

        從圖4中看出,當(dāng)攻角δ>2°之后,侵徹深度隨攻角的增大而顯著下降。故通過(guò)撞擊桿式穿甲彈,增大其著靶時(shí)的攻角,可以降低其侵徹深度。

        圖4 鎢合金桿λ=30有攻角侵徹鋼靶

        2.3 其他

        若桿式穿甲彈的彈體在外力作用下發(fā)生了彎曲變形或者損傷,都將惡化彈體在侵徹過(guò)程中的受力情況,降低其侵徹深度。

        3 旋飛毀傷盤對(duì)穿甲彈的毀傷效應(yīng)

        假設(shè)旋飛毀傷盤驅(qū)動(dòng)裝置安裝于坦克頂部?jī)蓚?cè),需要在距坦克10m外攔截桿式穿甲彈,則旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈的遭遇夾角約為12°。建立在此遭遇夾角時(shí),旋飛毀傷盤對(duì)桿式穿甲彈進(jìn)行迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊的LS-DYNA有限元仿真模型,并在模型中建立一個(gè)半無(wú)限靶,以評(píng)估桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤作用后剩余的侵徹能力。

        3.1 有限元模型

        桿式穿甲彈彈芯直徑24mm,桿長(zhǎng)700mm,材料為鎢合金。旋飛毀傷盤直徑100mm,厚度30mm,刀桿長(zhǎng)×寬×高 =60mm×20mm×20mm,飛盤質(zhì)量3.5kg,材料為 35CrMnSi。靶板模型直徑 300mm,厚度1000mm,材料為裝甲鋼。

        表1 材料參數(shù)

        采用SOLID164八節(jié)點(diǎn)單元對(duì)旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及裝甲鋼靶板劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長(zhǎng)為2mm,并將靶板中心直徑100mm范圍內(nèi)的網(wǎng)格加密,網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1mm。設(shè)置靶板底面與圓周面上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為透射邊界,以模擬出半無(wú)限靶的狀態(tài)。采取拉格朗日算法進(jìn)行有限元計(jì)算,將旋飛毀傷盤和桿式穿甲彈之間、桿式穿甲彈與靶板之間均定義為面-面侵蝕接觸。由于撞擊和侵徹過(guò)程為大變形、高應(yīng)變率的問題,故選用Johnson-Cook材料模型和Gruneisen狀態(tài)方程,旋飛毀傷盤、桿式穿甲彈及靶板的材料參數(shù)見表 1[4]。

        3.2 毀傷結(jié)果及效應(yīng)分析

        為了研究旋飛毀傷盤的速度、轉(zhuǎn)速對(duì)攔截桿式穿甲彈效果的影響,按以下幾種情況進(jìn)行LS-DYNA有限元仿真:①迎面撞擊方式下,旋飛毀傷盤的轉(zhuǎn)速為15000r/min,速度分別取 300m/s、400m/s、500m/s;②旋轉(zhuǎn)側(cè)擊方式下,旋飛毀傷盤的速度為400m/s,轉(zhuǎn)速分別取 10000r/min、15000r/min、20000r/min。桿式穿甲彈的速度均為1500m/s。

        圖5是利用LS-DYNA有限元仿真得到的旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈撞擊過(guò)程中0.15ms時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)云圖。迎面正碰時(shí),桿式穿甲彈從旋飛毀傷盤的本體中間侵徹穿過(guò),在巨大的迎面撞擊力下發(fā)生彎曲變形,從圖5中還可以看到彈體被旋飛毀傷盤撞擊時(shí)產(chǎn)生了飛散的小碎片。旋轉(zhuǎn)側(cè)擊時(shí),旋飛毀傷盤主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的刀桿撞擊桿式穿甲彈,造成桿式穿甲彈的彎曲變形和偏斜。

        圖5 旋飛毀傷盤與桿式穿甲彈撞擊各時(shí)刻應(yīng)力狀態(tài)

        3.2.1 折彎、損傷穿甲彈

        細(xì)長(zhǎng)的桿式穿甲彈在旋飛毀傷盤的迎面撞擊或刀桿旋轉(zhuǎn)側(cè)擊的作用下很容易被折彎,圖6是通過(guò)LS-DYNA有限元仿真計(jì)算的桿式穿甲彈變形結(jié)果。從圖中可以看出,桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤的迎面撞擊或旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后都發(fā)生了不同程度的彎曲變形,并且彈體頭部也均被旋飛毀傷盤撞斷。

        圖6 桿式穿甲彈遭遇撞擊后的彈體塑性變形

        對(duì)比幾種不同撞擊條件下的結(jié)果,還能發(fā)現(xiàn)旋飛毀傷盤的速度和轉(zhuǎn)速越高,桿式穿甲彈的彎曲變形越大。發(fā)生彎曲變形、頭部損傷的桿式穿甲彈氣動(dòng)力及飛行穩(wěn)定性都將受到影響,在侵徹過(guò)程中也會(huì)惡化受力狀態(tài)。

        3.2.2 造成脫靶

        旋飛毀傷盤的迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊,不僅使桿式穿甲彈彎曲變形,還造成穿甲彈發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn),圖7是桿式穿甲彈在撞擊過(guò)程中的軸向速度及偏轉(zhuǎn)速度變化曲線,表2中列出了桿式穿甲彈在被撞擊后的偏轉(zhuǎn)角度。

        圖7 桿式穿甲彈碰撞過(guò)程中軸向速度、偏轉(zhuǎn)速度的變化

        從圖7中可以看出,經(jīng)過(guò)旋飛毀傷盤的迎面撞擊或旋轉(zhuǎn)側(cè)擊,桿式穿甲彈的軸向速度均有不同程度下降,并獲得一定的偏轉(zhuǎn)速度。旋飛毀傷盤的速度越高,桿式穿甲彈的軸向速度下降越大;旋飛毀傷盤的轉(zhuǎn)速越高,桿式穿甲彈的偏轉(zhuǎn)速度越大。旋飛毀傷盤迎面撞擊時(shí),旋飛毀傷盤速度為300m/s時(shí)對(duì)桿式穿甲彈的影響較小,使其軸向速度降低了約60m/s,偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到80m/s左右;旋飛毀傷盤速度為500m/s時(shí)對(duì)桿式穿甲彈的影響較大,使其軸向速度降低了約150m/s,偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到160m/s左右。在旋轉(zhuǎn)側(cè)擊作用下,旋飛毀傷盤轉(zhuǎn)速為10000r/min時(shí)對(duì)桿式穿甲彈的影響較小,使其軸向速度降低了約25m/s,偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到75m/s左右;旋飛毀傷盤轉(zhuǎn)速為20000r/min時(shí)對(duì)桿式穿甲彈的影響較大,使其軸向速度降低了約75m/s,偏轉(zhuǎn)速度達(dá)到120m/s左右。

        表2 桿式穿甲彈撞擊后的偏轉(zhuǎn)角度

        按照桿式穿甲彈在距坦克10m處與旋飛毀傷盤發(fā)生碰撞,假設(shè)碰撞后的桿式穿甲彈按撞擊后的軸向速度、偏轉(zhuǎn)速度及偏轉(zhuǎn)角度,穩(wěn)定的直線飛向坦克。那么被旋飛毀傷盤迎面碰撞后的桿式穿甲彈達(dá)到坦克時(shí)最小偏轉(zhuǎn)位移達(dá)到0.6m,最大能達(dá)到1.2m;被旋飛毀傷盤旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后的桿式穿甲彈達(dá)到坦克時(shí)最小偏轉(zhuǎn)位移達(dá)到0.5m,最大能達(dá)到0.9m。若再考慮桿式穿甲彈彎曲變形后的氣動(dòng)力、飛行穩(wěn)定性等性能指標(biāo)大大降低的影響,那么被旋飛毀傷盤撞擊后的桿式穿甲彈脫靶的概率將更大。

        3.2.3 降低侵徹威力

        利用LS-DYNA有限元軟件仿真計(jì)算了桿式穿甲彈在遭遇旋飛毀傷盤迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后侵徹半無(wú)限裝甲鋼靶板的情況如圖8所示。

        圖8中的半剖視圖(a)是桿式穿甲彈在不受到任何干擾、撞擊而直接垂直侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下,桿式穿甲彈的侵徹深度約570mm,彈坑與入侵面基本垂直,這些均與實(shí)際情況相符。半剖視圖(b)是桿式穿甲彈被旋飛毀傷盤以400m/s的速度和15000r/min的轉(zhuǎn)速迎面撞擊后再侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下,侵徹深度明顯降低,深度約為280mm,并且坑道傾斜明顯,形狀不規(guī)則,坑道口部直徑要大于彈丸直徑。半剖視圖(c)是桿式穿甲彈被旋飛毀傷盤以400m/s的速度和15000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)側(cè)擊后再侵徹裝甲鋼靶板結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力分布云圖。在此情況下,侵徹深度也降低了不少,深度約為410mm,彈坑有約5°的傾斜。因此,可說(shuō)明旋飛毀傷盤的迎面撞擊和旋轉(zhuǎn)側(cè)擊都將使得桿式穿甲彈的侵徹能力大大降低。

        圖8 穿甲彈在不同情況下對(duì)半無(wú)限靶板的侵徹

        4 結(jié)論

        通過(guò)分析旋飛毀傷盤對(duì)桿式穿甲彈的作用方式,并對(duì)旋飛毀傷盤以不同速度、轉(zhuǎn)速撞擊桿式穿甲彈的過(guò)程進(jìn)行有限元仿真計(jì)算分析,可得出以下結(jié)論:

        1)旋飛毀傷盤能造成桿式穿甲彈在一定程度上脫靶,旋飛毀傷盤的速度、轉(zhuǎn)速越高,造成桿式穿甲彈的偏轉(zhuǎn)越大,撞擊后的桿式穿甲彈脫靶概率越大;

        2)旋飛毀傷盤的撞擊會(huì)造成桿式穿甲彈彎曲變形、彈頭損傷等,并使桿式穿甲彈發(fā)生偏轉(zhuǎn),增大著靶攻角,這些影響都能有效降低桿式穿甲彈的侵徹威力;

        3)考慮到驅(qū)動(dòng)裝置膛線的強(qiáng)度及導(dǎo)旋自鎖角,旋飛毀傷盤在較低線速度時(shí)不能達(dá)到很高的轉(zhuǎn)速,設(shè)計(jì)時(shí)可選擇旋飛毀傷盤的線速度為400m/s、轉(zhuǎn)速為15000r/min,這樣既能滿足驅(qū)動(dòng)要求,又能保證對(duì)桿式穿甲彈有較好的攔截、毀傷效果。

        [1]張衛(wèi)東.國(guó)外裝甲車輛主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)展[J].國(guó)外坦克,2008(2):7-14.

        [2]王慶明.戰(zhàn)車的保護(hù)神——主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代軍事,2004(3):38-40.

        [3]趙國(guó)志.穿甲工程力學(xué)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1992.

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