一种基于LS-DYNA的炮弹破片极限穿透速度仿真方法∗

秦 杰 雷 鸣 安明东

（陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室 合肥 230031）

1 引言

常规弹药爆轰作用下破片对目标侵彻毁伤问题，通常用流体力学和弹塑性动力学描述，但通常只能在简化条件下通过经验公式得到一些解析解，无法满足工程上的要求。在此需求和背景下，使用LS-DYNA仿真研究预制破片战斗部爆轰作用下破片飞散和对目标的侵彻过程，得到破片毁伤目标的极限穿透速度［1］，为战斗部破片侵彻目标及毁伤效能评估提供支撑。

2 破片对靶板的侵彻仿真

全预制破片战斗部［2］结构复杂，为研究其炸药爆轰下破片的飞散状态，此处进行必要简化如图1，忽略引信及传爆药，只考虑其炸药、内衬、圆柱体预制破片。战斗部采用380mm长B炸药，切面径长200mm，由单个圆柱体破片粘接在2mm厚硬铝内壳上，破片材质选用钨合金，并对各项参数进行优化提高真实性。

图1 全预制破片战斗部简化模型图

对该战斗部简化模型爆轰过程进行数值仿真，其预制破片的飞散过程如图2所示。

图2 钨柱预制破片飞散分布

由图2所示的破片飞散情况可以看出，在整个战斗部爆轰破片飞散过程中，中部位置的破片加速较快，速度较高，两端位置的破片与中部位置的破片相比，速度较低［3］。

如图3所示，在战斗部简化模型中选取比较典型的破片节点［4］，并可对这些节点进行后处理绘制出典型节点速度变化曲线。

图3 战斗部起爆时选取的部分预制破片节点

由图4可看出，钨柱破片在t=63μs时，速度已经稳定下来，这些破片中，最高速度的破片为1420m/s，最低的破片为1043m/s。

图4 典型节点速度-时间曲线

以上通过对战斗部爆轰各节点钨柱破片的速度进行仿真，可以得到战斗部起爆后破片所能达到的初速。运用速度衰减公式，求出破片的着靶速度，可为以下破片侵彻靶板仿真试验提供数值依据［5］。

在下面的仿真中，预设破片经过5m的距离着靶，此时钨柱破片的速度经过衰减后可求出为1053m/s，此衰减后的速度我们把它预设为破片侵彻靶板时的侵彻初速［6］。

下面使用h8.8mm×φ8mm钨柱破片经过5m的飞散过程，对厚度为10mm的均质装甲钢板进行侵彻仿真，钨柱破片与靶板材料的主要参数［7］见表1。

表1 钨柱破片与靶板材料参数

钨柱破片对均质装甲钢板［8］侵彻过程的应力云图，如图5所示。

图5 钨柱破片对靶板的侵彻过程

通过应力云图［9］可以看出，钨柱预制破片在侵彻装甲钢板的过程中，破片和靶板的应力变化和形态变化。当t=7.9μs时，圆柱体预制破片与靶板开始接触，此时应力非常大；在t=23.9μs时，破片完全侵入钢板中，此时破片和钢板变形都比较大，并形成了冲塞［10］；在53.9μs时，破片贯穿靶板，侵彻过程结束，开始分离。由图6可知，h8.8mm×φ8mm预制破片对厚度为10mm均质装甲钢靶板进行侵彻，极限穿透速度为1053m/s。

图6 圆柱体预制破片极限穿透速度曲线图

当通过仿真试验，可以得到不同大小钨柱对靶板的极限穿透速度，见表2。

表2 不同尺寸钨柱破片对装甲钢板的极限穿透速度

3 试验验证

试验采用12.7mm弹道枪作为钨柱破片的发射器［11］，并使用六通道计时仪［12］对破片速度进行采集，型号为HJ202A-Ⅱ，进行四种不同尺寸钨柱对10mm厚均质装甲钢板进行侵彻试验，实验原理图如图7。

图7 试验原理图

试验状态及结果如图8～9。

图9 不同尺寸钨柱破片对装甲钢板侵彻状态图

4 结果分析

在上述试验中，不同尺寸破片对装甲钢板的侵彻结果如表3所示。

表3 不同尺寸钨柱破片对装甲钢板侵彻实验结果

由表2试验结果可以判断出：对10mm均质装甲钢板的侵彻，8.2mm×8.4mm钨柱破片对其极限穿透速度为1141m/s，8.0mm×8.8mm破片对其极限穿透速度为1063m/s，7.8mm×9.3mm破片对其极限穿透速度为1128m/s，7.6mm×9.7mm破片对其极限穿透速度为1106m/s。各型尺寸破片仿真结果与试验结果比较，其误差见表4。

表4 极限穿透速度侵彻仿真值与试验值对比

分析表4可知：整个侵彻过程的极限穿透速度仿真值与实验值最大误差为8.2%，这个误差在工程计算的允许范围内，说明此方法结果是可行的。

5 结语

本文利用LS-DYNA有限元软件对战斗部壳体膨胀破裂与破片形成过程进行了数值模拟，分析了在此过程中破片速度的衰减，对单个破片侵彻目标靶板进行了仿真，从而得到破片对目标靶板的极限穿透速度，并通过试验进行了验证，可用于计算不同参数战斗部破片对目标的侵彻毁伤能力，对破片式战斗部的设计和优化有参考意义。