陳 寧，段衛(wèi)東，陳 沛，余福進(jìn)，徐華建

(1.武漢科技大學(xué)，武漢 430065；2.湖北省智能爆破技術(shù)研究中心，武漢 430065；3.中鐵四院集團(tuán) 工程建設(shè)有限責(zé)任公司，武漢 430063；4.武漢爆破有限公司，武漢 430023)

戰(zhàn)爭(zhēng)的需要是推動(dòng)科技進(jìn)步的源動(dòng)力之一，隨著火炸藥的使用，武器從冷兵器發(fā)展到熱兵器，攻擊方和防守方對(duì)于武器性能的要求促進(jìn)了武器破壞力和防御力的提升。隨著坦克在陸戰(zhàn)中的投入使用，其強(qiáng)大的攻防能力很快確立了坦克在陸地戰(zhàn)爭(zhēng)中的統(tǒng)治地位，極大地促進(jìn)了反坦克武器和裝甲防護(hù)的研發(fā)[1,2]。由于長(zhǎng)桿式穿甲彈具有穿透能力強(qiáng)、精度高和毀傷后效好等優(yōu)良特點(diǎn)，目前已成為反坦克、反裝甲的有效打擊手段。長(zhǎng)桿式穿甲彈一般選用鎢合金作為彈芯材料，國(guó)內(nèi)外均對(duì)其破壞機(jī)理進(jìn)行了深入研究[3-5]。裝甲的防護(hù)能力是坦克賴(lài)以生存和保證持續(xù)作戰(zhàn)能力的主要指標(biāo)之一，自坦克誕生以來(lái)各國(guó)從未停止過(guò)對(duì)坦克裝甲的研發(fā)，爆炸反應(yīng)裝甲( Explosive Reactive Armor,ERA)是位于主裝甲外面，其基本結(jié)構(gòu)是上下兩層鋼靶板中間夾著鈍感炸藥，最先與攻擊武器接觸，依靠本身爆炸場(chǎng)和由其推動(dòng)的靶板對(duì)來(lái)襲炮彈、金屬射流等進(jìn)行削弱、破壞或干擾的一種半主動(dòng)裝甲，其與主裝甲共同作用，最大程度提升防護(hù)效果[6,7]。爆炸反應(yīng)裝甲自M Held 提出以來(lái)，由于其優(yōu)異的防護(hù)性能、較低的使用成本和較廣的使用場(chǎng)景，得到了廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真等方式對(duì)其防護(hù)原理、性能及各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行了深入研究和改進(jìn)[8,9]。如在普通“平板式”爆炸反應(yīng)裝甲的基礎(chǔ)上研發(fā)出聚能型爆炸反應(yīng)裝甲結(jié)構(gòu)、雙層平板裝藥ERA、雙層楔形裝藥結(jié)構(gòu)ERA等，進(jìn)一步提高和優(yōu)化了爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)聚能射流、穿甲彈的防護(hù)性能。

以英國(guó)分裝式L23A1型號(hào)穿甲彈為現(xiàn)實(shí)參考，利用LS_DYNA 3D軟件建立長(zhǎng)桿式鎢鋼穿甲彈侵徹爆炸反應(yīng)裝甲的數(shù)值計(jì)算模型，穿甲彈以不同攻擊角度對(duì)ERA進(jìn)行侵徹，通過(guò)對(duì)侵徹全過(guò)程的數(shù)值模擬，分析不同攻擊角度下長(zhǎng)桿式穿甲彈攻擊能力和爆炸反應(yīng)裝甲的的防護(hù)性能，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)穿甲彈結(jié)構(gòu)提出可以行改進(jìn)方案，為今后在爆炸反應(yīng)裝甲和穿甲彈方面的研究提供參考。

1 建立模型及其材料參數(shù)

傾角為穿甲彈軸線與爆炸反應(yīng)裝甲法線的夾角，為了研究爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)不同傾角下長(zhǎng)桿穿甲彈侵徹過(guò)程的干擾作用，采用控制變量法設(shè)置四種工況，長(zhǎng)桿穿甲彈保持相同軸向速度1550 m/s分別以0°、30°、45°、60°四種傾角侵徹爆炸反應(yīng)裝甲。

1.1 數(shù)值模型

為研究單層平板裝藥ERA對(duì)長(zhǎng)桿式鎢鋼穿甲彈的防護(hù)效果，利用LS-DYNA軟件，建立三維數(shù)值仿真模型。在長(zhǎng)桿穿甲彈侵徹爆炸反應(yīng)裝甲的數(shù)值仿真中，反應(yīng)裝甲會(huì)產(chǎn)生大的變形運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致高應(yīng)變和高應(yīng)變率，采用ALE流固耦合算法可有效解決單元嚴(yán)重畸變引起的數(shù)值計(jì)算困難。穿甲彈和爆炸反應(yīng)裝甲由空氣圍繞，其中炸藥和空氣采用ALE算法計(jì)算，長(zhǎng)桿穿甲彈與反應(yīng)裝甲上下飛板均采用Lagrange算法計(jì)算，上下飛板與夾層炸藥采用滑移接觸控制，為防止爆炸波運(yùn)動(dòng)到空氣邊界時(shí)發(fā)生反射，從而對(duì)數(shù)值模擬的精確性造成影響，故在建模過(guò)程中設(shè)置非反射邊界條件。

對(duì)于長(zhǎng)桿穿甲彈，以英國(guó)第一代尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈(Armor Piercing Fin Stabilized Discarding Sabot,APFSDS)L23A1為研究參考，其彈芯材料為鎢合金。利用 ANSYS/LS-DYNA 3D 軟件，設(shè)計(jì)得到三維對(duì)稱(chēng)長(zhǎng)桿式鎢鋼穿甲彈模型，穿甲彈長(zhǎng)48 cm，彈體直徑2.4 cm，由于彈體為不規(guī)則實(shí)體模型，直接進(jìn)行掃掠(Sweep)操作得到的網(wǎng)格較為粗糙，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格發(fā)生較大畸變從而產(chǎn)生較大計(jì)算誤差，為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，采用ICEM CFD網(wǎng)格劃分工具，通過(guò)創(chuàng)建塊的方式，提高穿甲彈的彈頭、彈體和尾翼等位置的網(wǎng)格質(zhì)量，有效避免了尾翼連接處網(wǎng)格不規(guī)則問(wèn)題，從而避免了計(jì)算過(guò)程中的網(wǎng)格畸變。最終得到長(zhǎng)桿穿甲彈模型單元數(shù)為6192，節(jié)點(diǎn)數(shù)為51845，L23A1型穿甲彈及穿甲彈網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖 1 長(zhǎng)桿穿甲彈計(jì)算模型Fig. 1 Calculation Model of long rod armour piercing projectile

爆炸反應(yīng)裝甲基本結(jié)構(gòu)為上下兩層鋼靶板中間夾著高能炸藥的“三明治”結(jié)構(gòu)，其中上下鋼靶板尺寸一致，鋼靶板厚度為0.5 cm，長(zhǎng)30 cm、寬18 cm，中間炸藥厚度為2 cm，其余尺寸與鋼靶板相同。因?yàn)镋RA模型較為規(guī)則，直接運(yùn)用LS-DYNA中自帶的Mesh功能模塊通過(guò)掃掠(Sweep)操作對(duì)ERA的上下鋼靶板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即可得到質(zhì)量較好的規(guī)則六面體網(wǎng)格。建立整體數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示，采用cm-g-μs單位制，數(shù)值計(jì)算模型共生成節(jié)點(diǎn)608 740個(gè)，生成單元566 832個(gè)。

圖 2 整體三維計(jì)算模型Fig. 2 Overall 3D calculation model

1.2 材料參數(shù)

長(zhǎng)桿穿甲彈所用材料為鎢合金，鎢合金密度大可達(dá)到鋼比重的2.3倍，并具有極好的熱穩(wěn)定性，為較好的模擬穿甲彈的侵徹過(guò)程，假設(shè)穿甲彈在塑性變形過(guò)程中,加載面的大小和形狀不變，僅整體地在應(yīng)力空間中作平動(dòng)，鎢鋼穿甲彈采用Plastic_Kinematic彈塑性隨動(dòng)硬化材料模型[10,11]。本構(gòu)方程為

(1)

上下鋼靶板采用Johnson_Cook材料模型，狀態(tài)方程為Gruneisen方程；所夾炸藥為Comp_B高能炸藥，假定爆炸反應(yīng)裝甲瞬間起爆，采用Elastic_Plastic_Hydro彈塑性模型，狀態(tài)方程為Ignition_and_Growth點(diǎn)火與增長(zhǎng)狀態(tài)方程；穿甲彈和爆炸反應(yīng)裝甲外圍包裹的空氣采用線性多項(xiàng)式(LINEAR_POLYNOMIAL)狀態(tài)方程進(jìn)行描述。穿甲彈、炸藥及鋼靶板的材料模型參數(shù)如表1至表3所示。

表1 穿甲彈材料參數(shù)Table 1 Material parameters of armor piercing projectile

表2 爆炸反應(yīng)裝甲上下靶板材料及狀態(tài)方程參數(shù)Table 2 Materials and state equation parameters of upper and lower target plates of explosive reactive armor

表3 爆炸反應(yīng)裝甲Comp_B炸藥參數(shù)Table 3 Explosive reaction armor comp_ B explosive parameters

2 數(shù)值模擬分析與計(jì)算

爆炸反應(yīng)裝甲在長(zhǎng)桿穿甲彈侵徹瞬間起爆，爆炸沖擊波推動(dòng)上下鋼靶板沿法線方向運(yùn)動(dòng)并與穿甲彈作用，不同傾角下的穿甲彈在爆炸沖擊波和飛散的靶板作用下減速效果明顯，不同傾角(0°、30°、45°、60°)工況下的侵徹過(guò)程如圖3所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，攻角越大，爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)穿甲彈的減速作用越好，爆炸反應(yīng)裝甲的防護(hù)性能越強(qiáng)，同時(shí)穿甲彈飛行姿態(tài)更容易受到干擾，當(dāng)攻角為60°時(shí)，穿甲彈在侵徹過(guò)程中飛行姿態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生較為明顯的滑移和彎曲變形。

圖 3 不同傾角下穿甲彈侵徹爆炸反應(yīng)裝甲效果Fig. 3 Penetration effect of penetrator into explosive reactive armor under different obliquity

對(duì)不同工況下爆炸反應(yīng)裝甲作用始末穿甲彈彈頭尖端速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示，同時(shí)為清楚的對(duì)比侵徹角度對(duì)穿甲彈侵徹的影響，將爆炸反應(yīng)裝甲作用前后穿甲彈尖端始末速度V0、V1進(jìn)行對(duì)比，得到爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)穿甲彈的減速效率P，即減速效率

表 4 4種傾角工況下穿甲彈尖端速度Table 4 Tip velocity of armour piercing projectile under four obliquity conditions

(2)

對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)長(zhǎng)桿穿甲彈Y方向的減速效果明顯高于X方向，且對(duì)長(zhǎng)桿穿甲彈Y方向的減速效率P隨著傾角的增大而提升，在傾角為60°時(shí)Y方向減速效率達(dá)到最大97.0%，此時(shí)Y方向剩余速度僅為23 m/s，且穿甲彈傾角進(jìn)一步發(fā)生偏轉(zhuǎn)，幾乎失去了對(duì)主裝甲的侵徹能力。主要是由于反應(yīng)裝甲上下靶板在爆炸沖擊波的作用下沿豎直(Y)方向運(yùn)動(dòng)并與穿甲彈作用，且隨著穿甲彈傾角的增大，穿甲彈彈體與裝甲靶板的接觸面積不斷增加，從而導(dǎo)致爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)穿甲彈Y方向速度削弱效果增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步分析爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)穿甲彈的減速作用，在穿甲彈彈體上軸線上成型設(shè)置四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(A、B、C、D)如圖4所示。

圖 4 穿甲彈速度觀測(cè)點(diǎn)Fig. 4 Velocity observation points of armor piercing projectile

分別對(duì)0°、30°、45°、60°四種工況下穿甲彈彈體各觀測(cè)點(diǎn)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制不同工況下的速度分布圖如圖5所示。

圖 5 四種工況下穿甲彈體軸線上的速度分布Fig. 5 Velocity distribution along the axis of armor piercing projectile under four working conditions

對(duì)穿甲彈彈體軸線上的速度分布圖進(jìn)行分析可知，各工況下彈體在侵徹過(guò)程中受到爆炸反應(yīng)裝甲的減速作用具有滯后性，距離彈頭越遠(yuǎn)減速開(kāi)始的時(shí)間越滯后。彈體各部位速度均經(jīng)歷先急劇下降后波動(dòng)回升的過(guò)程，越靠近彈頭部位這種過(guò)程越劇烈，對(duì)于整個(gè)彈體來(lái)說(shuō)，該過(guò)程不是間斷孤立的，而是微觀連續(xù)且迅速的。主要由于穿甲彈在侵徹爆炸反應(yīng)裝甲過(guò)程中，以觀測(cè)點(diǎn)A為例，首先受到裝甲靶板的干擾作用，A位置速度急劇下降，隨后由于慣性作用，彈體動(dòng)能傳遞，該位置速度回升，最終在侵徹過(guò)程完成后彈體各部位速度趨近一致。

在上述研究的基礎(chǔ)上改變穿甲彈初始速度作為對(duì)比工況，通過(guò)多次數(shù)值模擬，觀察爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)穿甲彈的減速作用與穿甲彈攻擊速度的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，隨著長(zhǎng)桿穿甲彈速度的提升反應(yīng)裝甲的干擾作用不斷減弱，穿甲彈飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定。

根據(jù)彈體在侵徹過(guò)程中受減速作用的滯后性，距離彈頭越遠(yuǎn)減速開(kāi)始的時(shí)間越滯后，由此可考慮設(shè)計(jì)一種新型對(duì)爆炸反應(yīng)裝甲穿甲彈，如下圖6所示。該穿甲彈設(shè)有兩級(jí)彈頭，一級(jí)彈頭將反應(yīng)裝甲引爆，對(duì)反應(yīng)裝甲靶板進(jìn)行開(kāi)坑處理，并在極短時(shí)間內(nèi)主動(dòng)脫落；再由二級(jí)彈頭及長(zhǎng)桿穿甲彈主體對(duì)目標(biāo)繼續(xù)侵徹。在穿甲彈體失去因反應(yīng)裝甲爆炸阻擋的一級(jí)彈頭后，由于速度滯后，二級(jí)彈體可繼續(xù)以較高初速度侵徹目標(biāo)物普通裝甲，保留了較高的動(dòng)能；同時(shí)由于一級(jí)彈頭的保護(hù)，穿甲彈能保持較為穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，降低了彈體的滑移趨勢(shì)，從而可能提高穿甲彈對(duì)目標(biāo)的打擊能力。

圖 6 新型主動(dòng)斷裂穿甲彈Fig. 6 New active fracture armor piercing projectile

3 結(jié)論

(1)爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)長(zhǎng)桿型穿甲彈具有明顯的減速作用，且與穿甲彈軸線和反應(yīng)裝甲法線所夾攻角有關(guān)，攻角越大，減速作用越好，爆炸反應(yīng)裝甲的防護(hù)性能越強(qiáng)。當(dāng)攻角大于60°時(shí)，在爆炸反應(yīng)裝甲的作用下，長(zhǎng)桿穿甲彈喪失對(duì)主裝裝甲的進(jìn)一步侵徹能力。適當(dāng)提高穿甲彈速度可以有效減少爆炸反應(yīng)裝甲對(duì)其的干擾作用。

(2)穿甲彈體軸線上的速度分布表明，彈體在侵徹過(guò)程中所受減速作用具有滯后性，距離彈頭越遠(yuǎn)減速開(kāi)始的時(shí)間越滯后，由此可考慮設(shè)計(jì)一種新型對(duì)爆炸反應(yīng)裝甲穿甲彈，該穿甲彈設(shè)有兩級(jí)彈頭，一級(jí)彈頭在受到爆炸反應(yīng)裝甲作用后主動(dòng)脫落。在穿甲彈體失去因反應(yīng)裝甲爆炸阻擋的一級(jí)彈頭后，由于速度滯后，二級(jí)彈體將以較高初速度和較為穩(wěn)定的飛行姿態(tài)繼續(xù)侵徹目標(biāo)物普通裝甲，從而可能提高穿甲彈對(duì)目標(biāo)的打擊能力。為彈體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了較為可行的參考依據(jù)。