基于某主动防护的弹丸撞击网板过载特性分析*

尚宇晴,杜忠华,吴 勇,陈 曦

(1 南京理工大学机械工程学院,南京 210094;2 河北太行机械工业有限公司,石家庄 050000)

0 引言

为提高防护目标的战场生存能力,许多国家都在积极研究主动防护系统。目前,国内外的近程主动防护拦截诱爆系统[1-2]主要采用雷达探测来袭弹丸的方位,并把探测信息传递给中央控制系统,控制系统解算最佳拦截诱爆时间及方位,指挥对抗系统发射多种弹药,在距离防护目标一定距离处形成弹药毁伤区域,诱爆或偏转来袭弹丸。大部分的主动防护系统存在防御弹药对防护目标产生附带伤害,雷达对来袭弹丸的探测精度不够导致指挥系统的指挥出现偏差降低了防护的效率。针对目前这些方面的不足,文中提出一种新型近程主动防护拦截诱爆系统,其对抗系统通过发射四个牵引体,牵引体牵引网板飞出,与来袭弹丸相撞,诱爆来袭弹丸。该主动防护系统作用原理如图1所示。该新型主动防护系统突破传统思想,采用点面式的拦截诱爆模式,网板具有一定的面积,可减小由于探测误差而引起的拦截失误。且牵引体无需装填炸药,安全性好,不存在防御弹药对保护目标产生伤害。

对于网板与来袭弹丸相撞是否能够诱爆来袭弹丸,需进行来袭弹丸与网板的撞击过载特性探究,得出不同情况下的过载力情况,为对抗系统做出判断提供依据,实现以最佳的状态进行撞击诱爆。针对过载特性的研究,国内外诸多学者[3]在研究弹丸侵彻混凝土靶板的过载特性方面颇有造诣,分析不同速度、不同着靶角、不同弹丸对不同厚度混凝土的过载特性[4-6]。而对于此新型主动防护系统,若采用很厚的混凝土靶板是不切实际的,质量太重给整个发射装置带来难点以及厚重的靶板在空中飞行不确定因素太多,会影响拦截的精度,故此主动防护系统采用质量较轻的网板进行拦截诱爆。针对拦截诱爆的情况,文中进行了不同参数网板与来袭弹丸在不同速度、不同质量、不同着靶角下过载特性的研究,为此新型主动防护的设计及中央控制系统的指挥做出理论依据。

图1 系统作用原理示意图

1 有限元数值仿真模型的建立

1.1 网板模型

图2 网板的三维示意图

针对需要依靠撞击目标产生的过载力引爆自身的来袭弹丸,此主动防护通过发射网板,使网板与来袭弹丸相撞,诱爆来袭弹丸。该主动防护的网板三维示意如图2所示,能否成功诱爆来袭弹丸通过网板与来袭弹丸相撞时的过载力进行判断。对来袭弹丸与网靶的数值仿真在保证模拟可信度的条件下对模型进行合理的简化[4-6],其网板整体尺寸为1 m×1 m,因网板由一根根具有一定直径的钢丝组成,故网板材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATI塑性随动强化模型,密度为7.86 g/cm3,杨氏模量为207 GPa,屈服强度为1 770 MPa,泊松比为0.3[7],采用Cowper-Symonds模型来考虑材料的塑性应变效应,单元采用BEAM单元,通过偶合节点处理钢丝之间的连接。网板的仿真模型局部放大示意如图3所示。

图3 网板的仿真模型局部放大示意图

1.2 弹丸模型

需要过载力引爆的引信可用于多种弹丸上,在数值仿真时,将弹体进行简化,文中将来袭弹丸弹头近似卵形,忽略细微的外形尺寸,仿真模型简化如图4所示。弹丸撞击网板过程中,弹丸几乎不发生变形或变形很小,可视为刚体,故弹丸采用*MAT_RIGID刚体模型,杨氏模量为210 GPa,泊松比为0.3[7]。

图4 来袭弹丸仿真简化图

1.3 接触及边界条件

对于传统研究的弹丸侵彻靶板均采用侵蚀接触,而侵蚀接触用于一个或两个表面的单元在接触时发生材料失效,接触依旧在剩余的单元中进行,它只能用于实体单元表面发生失效贯穿的问题等。而本模型靶板为梁单元的网板,不符合侵蚀接触的使用范畴[8]。对于本模型类型采用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL。来袭弹丸与网板撞击的仿真三维模型如图5所示。

图5 弹丸与网板仿真模型图

对于主动防护系统,来袭弹丸种类比较繁多,其大多数速度在200～500 m/s之间[9],故对该速度范围的弹丸进行仿真;由于此主动防护系统通过发射网板进行撞击来袭弹丸,故网板具有一定的初速度,且网板飞行距离较短,在10 m左右,所以网板可以简化为匀速直线运动,仿真时可将网板的速度转换到来袭弹丸速度上。现对着角(即来袭弹丸轴线与网板法线之间的夹角)范围为0°～40°进行仿真;考虑弹丸的尺寸及网板的重量,对网板的钢丝直径为4～7 mm,网孔边长为16～30 mm的情况下进行仿真。

根据牛顿第二定律F=ma,当m一定时,可通过来袭弹丸的加速度来体现其所受过载力的情况。现对来袭弹丸不同速度、不同直径、不同质量、不同着角及网板不同钢丝直径、不同网孔尺寸,利用dyna软件进行仿真,得不同情况下的最大加速度值。

2 仿真结果分析

2.1 来袭弹丸速度及着角对过载的影响

当弹径100 mm、网板钢丝直径为4 mm及网孔边长为20 mm时,对不同着速及不同着角的来袭弹丸撞击网板进行仿真分析过载特性,着速200～500 m/s及着角0°～40°的情况下来袭弹丸最大加速度仿真数值如图6所示。

图6 来袭弹丸速度及着角对最大加速度的影响

从图6中可以看出,随着来袭弹丸速度增加来袭弹丸最大过载力增加,故此主动防护系统在其他相同情况下,为使引信获得较大的过载力,此模型较宜适用于拦截较高速度的弹丸。根据此特性,在设计此主动防护时可适当提高网板的发射速度。从仿真结果可以看出,当着角为0°即来袭弹丸垂直撞击网板时,来袭弹丸所受过载力最大,当来袭弹丸与网板相撞有一定角度时,来袭弹丸所受最大过载力迅速减少,随着着角度数的增加,来袭弹丸所受最大过载力增加,但当着角大于25°时,过载力增加缓慢甚至可能会出现稍微的下降,考虑过载力方向对激发惯性触发引信的影响,主动防护系统应尽量避免网板与来袭弹丸相撞角度超过25°。

2.2 网板钢丝直径对过载的影响

当弹径100 mm、网板网孔边长为20 mm,来袭弹丸与网板垂直相撞时,来袭弹丸最大加速度与网板钢丝直径的关系,仿真结果如图7所示。

图7 网板钢丝直径对最大加速度的影响

从图7中可以看出,来袭弹丸的最大过载力随着钢丝直径的增加而增加,故此主动防护系统网板钢丝直径的选择可根据诱爆来袭弹丸需要的过载力进行选择,在主动防护系统发射装置所能承受的最大重量程度情况下,选择让来袭弹丸获得最大过载力的网板类型。

2.3 来袭弹丸质量对过载的影响

在网板钢丝直径为4 mm及网孔20 mm,弹径100 mm来袭弹丸垂直撞击网板时,来袭弹丸质量(通过改变弹丸密度改变弹丸质量)对最大加速度的影响,仿真结果如图9所示。

图8 来袭弹丸质量对最大加速度的影响

从图8中可以看出,在其它相同情况下,来袭弹丸最大加速度随着弹丸质量增加而减小。在一定的来袭弹丸速度与质量变化范围内,根据牛顿第二定理F=ma可知,来袭弹丸与网板相撞的最大过载力大体相同。

2.4 来袭弹丸直径与网板网孔边长比值对过载的影响

来袭弹丸质量对最大加速度有很大的影响,为避免质量对该因素仿真结果产生影响,通过改变弹丸密度保证在相同来袭弹丸质量的前提下进行仿真,当着角为0°、网板钢丝直径为4 mm时,分析不同来袭弹丸直径与网板网孔边长比值情况下,对过载力的影响,由于来袭弹丸直径与网板网孔边长比值不能过小,过小会增大来袭弹丸直接从网板的网孔中穿过的可能性,使得网板失去主动防护的意义,故现对来袭弹丸直径与网板网孔比值大于4的情况下进行仿真,其仿真结果如图9所示。

图9 来袭弹丸直径与网板网孔比值对最大加速度的影响

从图9中可以看出,随着来袭弹丸直径与网板网孔边长比值的增大来袭弹丸最大过载力增加。来袭弹丸直径与网板网孔比值越大意味着网板与来袭弹丸相撞时接触作用于来袭弹丸上的钢丝数越多,故来袭弹丸所承受的力在一定程度上越大。为此主动防护系统选择拦截诱爆来袭弹丸的种类以及设计网板网孔大小提供了理论依据。在设计网板网孔大小时,要充分考虑到来袭弹丸直径与网板网孔比值不能过小,避免来袭弹丸可能直接从网板的网孔中穿过或者网板对来袭弹丸产生极小的过载力,失去主动防护拦截的意义,故选择网孔直径时,要充分考虑来袭弹丸的直径,保证两者的比值在合理的范围内。

图10 来袭弹丸加速度随时间变化曲线

在进行数值仿真实验时,在相同条件下,当来袭弹丸随机垂直撞击网板时,最大加速度值不变;当来袭弹丸随机倾斜撞击网板时,最大加速度值只有轻微的小波动,但波动较小,不影响结果。通过模拟来袭弹丸撞击网板的动态过程,得出来袭弹丸加速度随时间变化曲线如图10所示。

从图10曲线可以看出,当来袭弹丸的弹头某一位置运动至与网板接触时达到最大加速度如图11所示,所以初始状态来袭弹丸与网板撞击的位置为纵横向钢丝交会处还是网孔中心对仿真结果影响不大。

图11 最大加速度时来袭弹丸与网板的相对位置

3 试验

为验证此仿真模型的正确性,此新型主动防护系统是否成功诱爆来袭弹丸,现进行网板诱爆来袭弹丸的试验,总体试验方案示意如图12所示,将网板固定在靶架上,在距离靶架50 m处放置来袭弹丸的发射装置,来袭弹丸实物图如图13所示,其弹道垂直指向网板中心,在两者之间靠近发射装置一侧放置两铜箔靶,两铜箔通过导线与速度测量仪器相连,用于测量来袭弹丸飞行速度,其中速度测量仪器如图14所示,高速摄像装置放置在网板靶架一侧合适位置上,用于观测和记录试验过程。

图12 总体试验方案示意图

图13 来袭弹丸

来袭弹丸撞击网板,试验结果如图15所示。

从实验结果可以看出成功诱爆了来袭弹丸,可以得出仿真模型的正确性以及此新型主动防护系统诱爆原理的可行性。

图14 速度测量仪器

图15 来袭弹丸试验图

4 结论

文中通过数值仿真软件LS/DYNA研究了来袭弹丸撞击网板的过载特性,利用单一变量原则,通过仿真的结果得出:

1)来袭弹丸的最大过载力随着来袭弹丸速度的增大而增加;

2)来袭弹丸垂直撞击网板时最大过载力最大,当有一定着角时两者相撞时最大过载力急速下降然后再随着角的增大最大过载力增加;

3)来袭弹丸最大过载力随着网板钢丝直径的增大而增加;

4)来袭弹丸最大加速度随着弹丸质量的增加而减小,在一定范围内,来袭弹丸的最大过载力保持不变;

5)来袭弹丸最大过载力随着来袭弹丸直径与网板网孔边长比值的增大而增加。