侵彻战斗部引信前后置过载的影响因素

张丁山，吕永柱，周 涛，谷鸿平，张立建

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

侵彻战斗部引信前后置过载的影响因素

张丁山，吕永柱，周 涛，谷鸿平，张立建

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

针对侵彻战斗部采用前置或后置引信存在的差异问题，研究了侵彻战斗部引信前后置过载的影响因素。应用ANSYS/LS-DYNA程序建立了战斗部侵彻钢筋混凝土靶仿真模型，计算了侵彻战斗部采用引信前置或后置时引信轴向过载峰值随战斗部结构、侵彻状态、靶标状态等的变化情况，得出引信前置轴向过载峰值大于引信后置轴向过载峰值，且两者比值随着战斗部长径比的增加、侵彻速度和侵彻着角的降低、靶标强度的增加而增大的结论，并推断出同一战斗部中前置引信的轴向抗过载能力需达到后置引信的2倍及以上时可满足实际使用要求。

侵彻；过载；数值仿真；前置引信

0 引言

侵彻战斗部已成为打击具备较强防御措施目标的主要武器，该类武器作战时的共同特点是侵彻进入目标内部后爆炸，进而毁伤目标内部结构、设施及人员等，其主要由战斗部壳体、装药、引信及其余配件组成。侵彻战斗部引信装配多为后置，即引信装配于战斗部尾端，但随着引信自身抗过载能力和战斗部结构设计技术的提升，侵彻钢筋混凝土等防御措施的钻地战斗部已开始应用引信前置结构，即引信装配于战斗部头部。目前，战斗部研究者对侵彻过程中的侵彻深度[1]、摩擦阻力[2]、靶标破坏[3]等开展了大量的研究工作，引信研究者则对引信延时时间[4]、信号处理[5-6]、引信结构及抗过载性能[7]等开展了大量的研究，取得显著成果,但对引信前置与引信后置时的过载情况存在何区别开展的研究较少，为此，本文研究了侵彻战斗部引信前后置过载的影响因素。

1 仿真模型建立

应用ANSYS/LS-DYNA程序建立仿真模型，战斗部壳体及引信采用与应变率相关的塑性随动硬化模型，考虑失效；混凝土材料采用JHC累计损伤本构模型，钢筋采用beam梁单元，钢筋与混凝土设置耦合关系，战斗部与靶板之间采用面面侵蚀接触算法。计算采用cm-g-μs单位制，每20 μs输出一次结果文件。

侵彻模型中，战斗部壳体材料选用G50高强度钢，引信壳体材料选用钛合金，战斗部壳体材料与引信壳体材料参数见表1。战斗部进行装药配重处理，主装药选用线弹性材料模型，其材料特性参数ρ取1.85 g/cm3，E取3.05 GPa，μ取0.28。混凝土JHC本构模型材料参数见表2。表中ρ为密度，E为弹性模量，μ为泊松比，σ为动态屈服应力，Et为塑性剪切模量，β为各向同性硬化系数，fs为失效应变系数。表2中G为剪切模量，FC为靶标抗压强度，其余为模型特定参数。

战斗部及靶标网格均采用拉格朗日网格算法，利用TRUEGRID前处理软件完成有限元模型建立，模型结构形状对称，建立1/2计算模型，如图1所示。为了计算的准确度和对比方便，建模时将前置引信和后置引信装配于同一战斗部中。

表1 战斗部壳体材料与引信壳体材料特性参数Tab.1 Material parameters of warhead shell and fuze shell

表2 混凝土JHC本构模型材料特性参数Tab.2 Material parameters of concrete JHC constitutive model

图1 战斗部侵彻钢筋混凝土靶数值仿真模型Fig.1 Numerical simulation model of warhead penetrating reinforced concrete target

2 模型校核

结合1 200 kg战斗部(直径420 mm，长度2 000 mm)分别装配前置引信和后置引信侵彻2.5 m厚C40钢筋混凝土靶试验过程中获取的过载测试结果，并应用建立的仿真模型对战斗部侵彻靶标过程中前置引信和后置引信轴向过载情况进行了计算，将仿真计算结果与试验测试结果进行对比，如图2、图3所示。仿真计算条件与试验条件相同，即侵彻速度为700 m/s、着角为30°。计算时间为战斗部头部撞击靶标瞬间开始至战斗部尾端完全出靶标结束。

通过图2、图3可得：1)数值仿真计算过载曲线与试验测试结果整体趋势相近；2)数值仿真计算过载峰值与试验测试结果相近(前置引信轴向过载峰值仿真计算结果为17 970g，试验测试结果为16 980g；后置引信轴向过载峰值仿真计算结果为12 577g，试验测试结果为14 220g)，平均误差约为9%。

因此，建立的数值仿真模型合理，计算精度较高，可以应用该模型对不同工况下(不同战斗部结构、侵彻状态、靶标状态等)战斗部侵彻靶标过程中引信前置、后置的轴向过载情况进行计算，并依据计算结果可以对引信前置、后置的不同过载情况进行定性和一定程度的定量分析。

图2 前置引信过载仿真计算结果与试验结果Fig.2 Simulation result and test resule of front fuze overload

图3 后置引信过载仿真计算结果与试验结果Fig.3 Simulation result and test resule of rear end fuze overload

3 仿真计算结果

应用校核后的数值仿真模型，对不同战斗部结构、侵彻状态、靶标状态等条件下战斗部侵彻靶标过程中引信前置、后置的轴向过载情况进行了计算。

3.1 战斗部长径比变化对前置或后置引信过载的影响

侵彻速度为700 m/s，着角为30°，靶标为2.5 m厚C40钢筋混凝土靶。

1)战斗部长度变化

战斗部直径固定为420 mm，长度分别为2 000 mm、1 500 mm、1 200 mm时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4—图6所示，计算结果统计见表3。

图4 过载仿真计算结果(2 000 mm)Fig.4 Simulation result of overload(2 000 mm)

图5 过载仿真计算结果(1 500 mm)Fig.5 Simulation result of overload(1 500 mm)

图6 过载仿真计算结果(1 200 mm)Fig.6 Simulation result of overload(1 200 mm)

战斗部长度/mm前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值200017970125771431500163211209013512001558812256127

2)战斗部直径变化

战斗部长度固定为2 000 mm，直径分别为420 mm、360 mm、300 mm时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4、图7、图8所示,计算结果统计见表4。

图7 过载仿真计算结果(直径360 mm)Fig.7 Simulation result of overload(360 mm diameter)

图8 过载仿真计算结果(直径300 mm)Fig.8 Simulation result of overload(300 mm diameter)

战斗部直径/mm前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值4201797012577143360195759691202300223837138314

通过表3、表4可得：1)前置引信轴向过载峰值均大于后置引信轴向过载峰值；2)前置引信轴向过载峰值与后置引信轴向过载峰值的比值(以下简称前后过载比值)随着战斗部长径比的增加而增大；3)前后过载比值的变化幅度随战斗部直径变化较长度变化更为显著，即战斗部直径变化对前后过载比值影响更大。

3.2 侵彻状态变化对前置或后置引信过载的影响

战斗部直径为420 mm，长度为2 000 mm，靶标为2.5 m厚C40钢筋混凝土靶。

1)侵彻速度变化

侵彻着角固定为30°，战斗部分别以700 m/s、550 m/s、400 m/s的速度侵彻靶标时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4、图9、图10所示，计算结果统计见表5。

图9 过载仿真计算结果(550 m/s)Fig.9 Simulation result of overload(550 m/s)

图10 过载仿真计算结果(400 m/s)Fig.10 Simulation result of overload(400 m/s)

侵彻速度/(m/s)前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值7001797012577143550148916958214400135225121264

2)侵彻着角变化

侵彻速度固定为700 m/s，战斗部分别以30°、20°、10°的着角侵彻靶标时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4、图11、图12所示,计算结果统计见表6。

图11 过载仿真计算结果(20°)Fig.11 Simulation result of overload(20°)

图12 过载仿真计算结果(10°)Fig.12 Simulation result of overload(10°)

战斗部着角/(°)前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值301797012577143201921911807163102663712432214

通过表5、表6可得：1)前后过载比值随着战斗部侵彻速度的降低而增加；2)前后过载比值随着战斗部侵彻着角的减小而增加。

3.3 靶标状态变化对前置或后置引信过载的影响

战斗部直径为420 mm，长度为2 000 mm，侵彻速度为700 m/s，着角为30°。

1)靶标厚度变化

靶标强度固定为C40，战斗部分别侵彻2.5 m、3.5 m、1.5 m厚靶标时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4、图13、图14所示，计算结果统计见表7。

图13 引信过载仿真计算结果(3.5 m)Fig.13 Simulation result of overload(3.5 m)

图14 引信过载仿真计算结果(1.5 m)Fig.14 Simulation result of overload(1.5 m)

侵彻靶标厚度/m前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值351826012408147251797012577143151780812433143

2)靶标强度变化

靶标厚度固定为2.5 m，战斗部分别侵彻C40、C50、C30靶标时引信前置、后置轴向过载情况计算结果如图4、图15、图16所示,计算结果统计见表8。

图15 过载仿真计算结果(C50)Fig.15 Simulation result of overload(C50)

图16 过载仿真计算结果(C30)Fig.16 Simulation result of overload(C30)

靶标前置引信轴向过载峰值/g后置引信轴向过载峰值/g前峰值/后峰值C50191621276815C401797012577143C301650113548122

通过表7、表8可得：1)前后过载比值基本不随靶标厚度的变化而变化，即前后过载比值与靶标厚度无直接关系；2)前后过载比值随着靶标强度的增加而增大。

4 结论

本文研究了侵彻战斗部引信前后置过载的影响因素，结合侵彻试验测试结果，校核了数值仿真计算模型，应用校核后的数值仿真计算模型计算了引信前置与后置轴向过载随战斗部结构、侵彻状态、靶标状态等的变化情况，依据计算结果得出，侵彻战斗部引信前置轴向过载峰值大于引信后置轴向过载峰值，且两者比值随着战斗部长径比的增加、侵彻速度和侵彻着角的降低、靶标强度的增加而增大，尤其战斗部直径、侵彻速度及着角的变化对前后过载比值影响显著。为此，进行侵彻战斗部结构设计时，应依据引信自身的抗过载能力及侵彻条件确定引信采用前置或后置方案，若采用前置方案，前置引信的轴向抗过载能力达到后置引信的2倍及以上，可满足使用要求。

目前，结合试验测试结果，应用建立的仿真模型对侵彻过程中引信的轴向过载进行了计算对比，但由于缺少侵彻过程中引信横向过载测试数据，未对前置或后置引信横向过载随战斗部结构、侵彻状态、靶标状态等的变化情况进行计算分析，需在后续工作中进一步完善。

[1]吴昊，方秦，龚自明. 考虑刚性弹弹头形状的混凝土(岩石)靶体侵彻深度半理论分析[J]. 爆炸与冲击，2012,32(6):573-580.

[2]闪雨，武海军，黄风雷,等. 弹体侵彻混凝土侧壁摩擦阻力研究[J]. 北京理工大学学报，2012,32(1):12-17.

[3]汪斌，曹仁义，谭多望. 大质量高速动能弹侵彻钢筋混凝土的实验研究[J]. 爆炸与冲击，2013,33 (1): 98-102.

[4]尚雅玲，彭艳垒，刘华文,等. 超音速反舰导弹引信延期作用时间[J]. 探测与控制学报，2013，35(1)：6-9.

[5]张兵，石庚辰. 侵彻硬目标识别技术中的机械滤波[J]. 探测与控制学报，2010,32(4)：25-29.

[6]宋宝军. 基于中值滤波的冲激引信毛刺脉冲消除方法[J]. 探测与控制学报，2014,36(3)：52-55.

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The Overload Influence Factors of Front or Rear End Penetration Fuze

ZHANG Dingshan, LÜ Yongzhu, ZHOU Tao, GU Hongping, ZHANG Lijian

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an 710065, China)

The overload influence factors of front or rear end fuze in the penetrating warhead was researched, the simulation model of warhead penetration into reinforced concrete target was set up by ANSYS/LS-DYNA, the axial overload change situation of front or rear end fuze in the penetrating warhead with warhead structure and penetration state and target state was calculated using the simulation model. It was concluded that the axial overload peak value of front fuze was bigger than the rear end fuze, the overload peak ratio between front fuze and rear end fuze rised with the increase of ratio of length to diameter or target strength, and the front fuze could meet the actual use requirements when the bearing overload ability of the front fuze was as two times above as rear end fuze.

penetration; overload; numerical simulation; front fuze

2016-05-24

张丁山(1984—),男，山西忻州人，博士，研究方向：战斗部结构设计及毁伤研究。E-mail: dingshan19840103@sohu.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)06-0041-05