孟德榮,賈振鐸，趙 錚

(1.海裝裝備審價中心， 北京 100071； 2.南京理工大學 能源與動力工程學院， 南京 210094)

半穿甲彈包括穿甲爆破彈和穿甲燃燒彈，其中穿爆彈被廣泛應用于軍事打擊中，典型的半穿甲彈戰(zhàn)斗部有美國的“捕鯨叉”、法國的“飛魚”、德國的“鸕鶿”以及挪威的“企鵝”等。穿爆彈依靠自身動能侵徹到目標中后由彈底引信起爆裝藥，通過爆炸產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物和殼體破片以及壓縮周圍氣體介質產(chǎn)生的沖擊波對目標進行毀傷。半穿甲彈經(jīng)常被用來打擊機場跑道、水面艦艇、導彈發(fā)射井防護結構等。復合防護結構是一種可以抵抗殺傷性武器破壞的工程結構，常被應用于地下工事出入口的防護門和導彈發(fā)射井井蓋等。以前的純鋼防護結構雖然也可以抵擋高殺傷能力彈體的侵徹，但由于其過于笨重不便運輸，為了使防護結構的防護能力與輕便的運輸及維護達到平衡，故而出現(xiàn)了使用鋁合金、鋼、纖維、陶瓷等材料進行復合的復合防護結構。

復合防護結構以其輕質高效的特性吸引了國內(nèi)外眾多學者的目光。Song.W等[1]對單層靶及多層靶進行了侵徹分析的數(shù)值模擬，得到了靶板的變形與破壞結果。Shokrieh.M.M等[2]使用LS-DYNA對彈丸斜侵徹陶瓷纖維復合裝甲進行了數(shù)值模擬，得到了復合裝甲的彈道極限速度。Ali.M.W等[3]對穿甲彈侵徹復合裝甲進行了試驗和仿真分析，研究了復合裝甲的失效現(xiàn)象，通過仿真預測彈孔的形成以及穿透現(xiàn)象。Seifert.W等[4]對穿甲彈侵徹有間隙的陶瓷靶板進行了試驗研究，隨著間隙寬度的增加及粘合劑剛度的降低，裝甲的防彈性能降低。朱建方等[5]對半穿甲彈不同入射角侵徹不同厚度及加筋靶板進行了研究，得到了侵徹規(guī)律與撞擊速度的關系，同時運用ALE算法和流固耦合方式對艦艇艙室內(nèi)爆流場及毀傷效應進行了動態(tài)描述。杜宏寶等[6]進行了侵爆子彈侵徹混凝土介質及對混凝土介質爆破效應的數(shù)值模擬研究。陳勇軍等[7]運用ANSYS/LS-DYNA對穿爆彈以不同著角不同著速侵徹不同厚度均質鋼靶板進行了仿真，表明改變彈體頭部形狀和尺寸可以提升半穿甲彈的穿甲性能。馮春等[8]基于一虛擬工況，分析了鉆地彈侵徹及爆炸的雙重效應對周邊巖體及地下構筑物的影響規(guī)律。于藍[9]使用數(shù)值模擬的方法對穿甲侵徹、沖擊波和自然破片的3種陶瓷復合裝甲后效毀傷進行了研究。齊文龍[10]在模擬半穿甲彈戰(zhàn)斗部侵徹過程中，對半穿甲彈建立了不同的頭部結構模型，對比頭部結構對穿甲效果的影響，結果表明尖頂型頭部有更好的侵徹效果。候曠怡等[11]對半穿甲彈著靶時不同攻角和著角對穿甲過程的影響進行了研究，結果證明著角、攻角都會對穿甲過程產(chǎn)生影響，攻角影響更大。苗潤等[12]對半穿甲彈侵徹復合防護結構加筋靶板進行了數(shù)值計算，得到了彈體穿靶剩余速度和穿靶能量消耗等數(shù)據(jù)。何煌等[13]對7.62 mm穿甲子彈侵徹陶瓷復合靶進行了仿真模擬，在給定靶板面密度后，陶瓷/鋁合金靶板的最佳厚度比為1～2；陶瓷/鋼靶板的最佳厚度比為3～4.5。過超強等[14]用數(shù)值分析的方法分別對金屬、陶瓷、纖維增強復合材料組成的層合板和由陶瓷球填充的金屬四邊形蜂窩夾芯結構在沖擊載荷作用下的抗侵徹性能進行了模擬計算。研究結果表明：在相同面密度條件下，層合復合靶板中具有最強抗彈性能的陶瓷層與纖維層的最佳比是2.22。

本文使用多物質ALE算法對半穿甲彈侵爆鋼/陶瓷/纖維/鋼四層復合防護結構的過程進行了仿真分析，并加入空氣域用以得到靶后沖擊波壓力。選取美國的AN-M43半穿甲彈(圖1)作為研究對象，省去彈體的風帽及尾翼結構，僅保留戰(zhàn)斗部，將彈形進行簡化，通過對侵徹爆炸綜合過程的模擬，得到了鋼/陶瓷/纖維/鋼四層不同厚度配比的復合防護機構的侵爆毀傷結果，以及爆炸沖擊波經(jīng)由防護結構傳遞到下方一定距離后，峰值壓力對防護結構中設備安全的影響。

圖1 美軍AN-M43半穿甲彈示意圖

1 模型及材料參數(shù)

半穿甲彈侵爆鋼/陶瓷/纖維/鋼復合防護結構有限元模型如圖2所示，侵爆過程仿真模型由半穿甲彈殼體、炸藥、空氣域、靶板組成。半穿甲彈彈長1.48 m，彈徑0.273 m，彈重500 lb，裝藥量60 kg；靶板防護結構限定總重量30t，半徑1.5 m，從面板到背板依次為鋼、陶瓷、纖維、鋼，選取各層厚度配比為1∶4∶1∶1、1∶4∶2∶1、1∶4∶3∶1、1∶4∶4∶1的4種復合結構作為靶板，四種復合防護結構各層厚度如表1所示。侵爆過程的模型可以簡化為平面對稱模型，建立1/2模型，在對稱面施加對稱約束，靶板的周向設置為全約束，空氣域邊界采用透射邊界，半穿甲彈殼體與靶板之間的接觸定義為侵蝕接觸，炸藥和殼體、靶板之間接觸由流固耦合關鍵字來控制。

圖2 侵爆過程有限元模型示意圖

表1 4種復合防護結構各層厚度

仿真材料模型包括6種：彈體、炸藥、空氣、鋼、陶瓷、纖維。根據(jù)在大應變及高應變率下的動力學研究對比得出，半穿甲彈彈體材料選用4340鋼較為合理[10]，靶板鋼選用603裝甲鋼，均使用Johnson-Cook模型進行描述，靶板材料的失效由最大失效塑性應變來決定是否刪除失效單元。4340鋼和603裝甲鋼的材料參數(shù)如表2。其中：A為屈服應力常數(shù)；B為應變硬化常數(shù)；n為應變硬化指數(shù)；c為應變率相關系數(shù)；m為溫度相關指數(shù)。

黑索金(RDX)材料參數(shù)如表3。其中:D為爆速;PCJ為爆壓;A、B、R1、R2為JWL狀態(tài)方程中的擬合參數(shù)。

陶瓷選取陶瓷，材料模型采用JH-2陶瓷損傷模型，材料參數(shù)如表4。其中，A為完整的歸一化強度參數(shù)；B為完整的斷裂強度參數(shù)；C為強度參數(shù)；M為斷裂強度參數(shù)；N為完整的強度參數(shù)；T為最大的抗張強度； HEL為Hugoniot彈性極限；PHEL 為在Hugoniot彈性極限下的壓力指數(shù)。

空氣選用空物質的*MAT_NULL材料模型描述，材料參數(shù)如表5。

纖維采用帶損傷的復合材料模型[15]，材料參數(shù)如表6。

2 侵徹過程分析

4種不同厚度配比的侵徹過程都計算3 000 μm，使用LS-DYNA求解計算得到侵徹結果，采用LS-PREPOST軟件進行后處理，得到不同厚度配比下的侵徹結果以及彈體的速度時間曲線如圖3所示。

表2 殼體及靶板鋼材料參數(shù)

表3 黑索金(RDX)炸藥材料參數(shù)

表4 Al2O3陶瓷材料參數(shù)

表5 空氣參數(shù)

表6 纖維材料參數(shù)

由圖3可以看出，侵徹過程完成時，彈體都出現(xiàn)了鐓粗的現(xiàn)象，由于侵爆過程的模擬采用了多物質ALE算法，彈內(nèi)裝藥由于是流體的原因，隨著彈體的侵徹加深，裝藥發(fā)生了類似流動的效果，彈尾的流體質點由于流動的原因在侵徹結束時達到了彈體中部，故后續(xù)的爆炸毀傷過程設置的彈尾起爆在過程圖中顯示出來是在彈體中部起爆，四種厚度配比防護結構的侵徹穿深分別為52.72 cm、50.01 cm、52.03 cm、54.60 cm。

3 爆炸過程分析

選取厚度配比1∶4∶2∶1情況給出爆炸過程中的壓力云圖如圖4。由壓力云圖可以看到半穿甲彈中部起爆，爆轟波開始向彈頭方向傳遞，在3 132 μs炸藥完全被起爆，在3 386 μs爆炸產(chǎn)生的爆轟波傳遞到靶板的底部，可以明顯的觀察到爆炸所產(chǎn)生的爆轟波傳遞過程。

圖4 爆炸過程壓力云圖

不同著靶速度下的爆炸過程完成后得到爆炸對鋼靶的毀傷結果以及靶板下方20 cm處沖擊波壓力時程曲線分別如圖5所示。

圖5 爆炸后靶板毀傷結果及靶板下方20 cm處沖擊波壓力時程曲線

由圖5可以看出，1∶4∶2∶1結構抗侵爆綜合毀傷性能最佳，未出現(xiàn)防護結構的貫穿炸穿，究其原因，1∶4∶1∶1結構的纖維層及鋼背板的厚度過薄不能給陶瓷層提供足夠的支撐，故抗侵徹性能不抵1∶4∶2∶1結構；1∶4∶2∶1結構陶瓷層后的纖維及鋼背板厚度足夠，故能提供足夠的支撐，所以1∶4∶2∶1復合防護結構的侵徹穿深最淺；隨著纖維層的加厚，陶瓷層及面板厚度隨之下降，故1∶4∶3∶1、1∶4∶4∶1防護結構的抗侵徹性能出現(xiàn)下降。在爆炸階段，殼體在爆轟產(chǎn)物的作用下迅速形成彈體破片，但是破片多是向水平方向飛散，并未全部作用在復合防護結構上，隨著爆炸過程的進行，由于陶瓷的抗拉伸性能不強，故在爆轟產(chǎn)物以及彈體破片的作用下，陶瓷層出現(xiàn)了空腔，面板由于陶瓷層空腔內(nèi)的爆轟產(chǎn)物的作用出現(xiàn)了鼓包，纖維層以及鋼背板也出現(xiàn)了大的塑性形變及斷裂，且形變量遠遠大于侵徹過程發(fā)生的形變，說明爆炸過程對防護結構的毀傷效應大于侵徹過程的毀傷效應。

在起爆后，各自超壓曲線都有一段水平階段，這是因為爆轟產(chǎn)物與防護結構發(fā)生作用，還沒傳遞到靶后20 cm處，1∶4∶1∶1復合靶后20cm的沖擊波超壓峰值為3.19 MPa；1∶4∶2∶1 復合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為1.16 MPa，在四種厚度配比的防護結構中最??；1∶4∶3∶1復合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為2.17 MPa；1∶4∶4∶1復合靶后20 cm的沖擊波超壓峰值為5.25 MPa，都有著較好的防護效果，不會對結構中的設備及人員造成致命打擊。

4 結論

1) 鋼/陶瓷/纖維/鋼復合防護結構厚度配比為1∶4∶2∶1時，抗侵徹性能最強，表明復合防護結構如要有足夠的抗侵徹能力，則陶瓷層后需要提供足夠的支撐。

2) 4種厚度配比情況下爆炸毀傷后，纖維及鋼背板的形變大于侵徹階段的形變，說明爆炸過程對靶板造成的毀傷大于侵徹過程所造成的毀傷，防護結構下方20 cm處爆炸沖擊波峰值壓力分別為3.19 MPa、1.16 MPa、2.17 MPa和5.25 MPa，可以看出沖擊波壓力提升并不明顯，說明鋼/陶瓷/纖維/鋼復合防護結構在中低速半穿甲彈侵徹爆炸綜合毀傷作用下有較好的防護能力，厚度配比1∶4∶2∶1的防護結構抗侵爆性能最為優(yōu)異。