黄阳洋，王志军，赵鹏铎，张 磊，张 鹏，王 庆

(1. 中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.海军装备研究院， 北京 100161)

【弹药工程】

射弹参数对侵彻防护液舱效果的影响研究

黄阳洋1,2，王志军1，赵鹏铎2，张 磊2，张 鹏1,2，王 庆1,2

(1. 中北大学 机电工程学院， 太原 030051； 2.海军装备研究院， 北京 100161)

为研究射弹速度、长径比、质量对弹体侵彻能力的影响，利用AUTODYN软件模拟了不同条件下铜质射弹侵彻防护液舱的过程，分析比较了射弹剩余速度和侵彻深度。结果表明：在1 800～2 400 m/s速度区间内，射弹速度越大，对液舱侵彻效果越差；提高射弹长径比可有效增加侵彻效果；射弹质量增加到某一临界值前，也可有效提高侵彻效果。

防护液舱；铜射弹；剩余速度；侵彻深度

随着反舰武器的快速发展，舰船面临着更为严峻的生存压力，大型水面舰艇多在舷侧设置更多的防护层以抵御攻击[1](如图1)。

防护液舱可以吸收破片的动能以减缓破片速度，从而降低其对舰船的毁伤效果。现有文献对于此类问题的研究多集中在爆炸产生的不规则破片对防护液舱的侵彻作用。赵留平等[2]模拟了不同形状的破片对液舱的侵彻效果，得出了球形破片的剩余速度比柱状破片大得多的结论。沈晓乐等[3]研究了破片形状对破片阻力系数的影响。孔祥韶等[4]研究了舱内液体中冲击波的叠加效应。但越来越多的反舰武器的战斗部壳体采用特殊结构，在战斗部壳体周侧安装大锥角药型罩或球缺罩，爆炸后产生质量更大、速度更高、气动性更好的弹丸状自锻破片：射弹。德国的鸬兹Ⅰ、Ⅱ型均采用自锻破片战斗部以增大毁伤效果[5]。图2即为周向组合式MEFP战斗部[6]，其爆炸产生的射弹形状大致为圆台+半球状。

图1 舰艇舷侧多层防护结构

图2 周向MEFP战斗部结构图

本文对形状较为规则的超高速射弹侵彻防护液舱展开研究，模拟了不同初速、长径比、质量的射弹侵彻防护液舱的过程。通过分析比较仿真数据，提出了三者影响射弹侵彻防护液舱的一般规律。

1 模型建立

模型使用AUTODYN-2D轴对称建模，如图3。射弹、前后板均使用拉格朗日算法，可清晰表达材料的变形和边界；水模型使用SPH算法。

射弹材料为被广泛用作药型罩的紫铜，状态方程为Shock，强度模型为Steinberg Guinan,各参数同AUTODYN材料库。水模型尺寸为400 mm×180 mm，状态方程为Polynomial，参数同材料库。前、后板尺寸均为10 mm×180 mm，以Vx=0的边界条件固定上边缘，材料为917钢，选用Shock状态方程和J-C强度模型，模型部分参数[7]为：A=341 MPa，B=692 MPa,C=0.029,n=0.64。

图3 模型结构

2 射弹初速度对侵彻效果的影响

为了研究初速度对射弹侵彻防护液舱的影响，固定射弹的质量和长径比。设计射弹尺寸为，小径d=20 mm、大径D=30 mm、长l=40 mm、质量m=152.0 g、长径比1.6。由于射弹的初速度比自然破片更大，约为2 100～2 400 m/s,甚至更高[5]。所以设计了4种初速度，分别为V1=1 800 m/s、V2=2 000 m/s、V3=2 200 m/s、V4=2 400 m/s。经仿真，得出不同初速度下的剩余速度和侵彻深度与时间的关系曲线，结果如图4、图5所示。

图4 剩余速度-时间关系曲线

图5 侵深-时间关系曲线

根据上述曲线，射弹速度约为指数式衰减：先是在短时间内锐减，且初速度越大，衰减越严重，后来衰减趋势减缓。导致这种现象的原因有两个，其一为防护液舱前板的阻挡作用，短时间内使得射弹速度锐减；二是水的惯性作用，射弹穿透前板入水的瞬间，弹头接触区域的液体表现出巨大的惯性效应，射弹的动能快速转化为水的动能和势能；随着射弹速度的降低，射弹与接触水域的速度梯度减小，惯性作用减弱，速度衰减放缓[8]。

矶部孝[9]将破片在水下运动的阻力系数视为常数，得出了破片水下侵彻阻力F，侵彻距离L和侵彻速度V的计算公式

F=CdρtAV2

(1)

(2)

(3)

式中：Cd表示水的阻力系数;ρt为水的密度;A为破片迎流面积;m为破片质量;V0为破片初速度。

根据式(2)、式(3)，剩余速度和侵深会随初速度的增加而增加，但模拟结果却并非如此，初速度增加，剩余速度和侵深反而下降。原因在于射弹阻力系数是变化的。射弹高速侵彻时，射弹头部承受巨大压缩应力，速度越大压应力越大。当应力超过材料的动态屈服强度时，弹体会发生敦粗变形，增加迎流面积，阻力系数也相应增加。当初速度带给剩余速度和侵深的增益小于由其导致的阻力系数的变化带来的负面影响时，射弹侵彻能力就会下降。

3 射弹长径比对侵彻效果的影响

固定射弹质量为152.0 g，初速度为2 000 m/s，研究射弹长径比对其侵彻液舱能力的影响。由于材料延伸率有限，铜材料形成自锻破片的长径比最大为3左右[10]，本文设计了4种长径比，分别为1.6、2.2、2.8、3.5。其剩余速度变化如图6，侵深变化如图7。

图6 剩余速度-时间关系曲线

图7 侵深-时间关系曲线

根据模拟结果，可以看出，射弹剩余速度和侵彻深度随长径比的增加而增加。由式(1)可知，弹头受力大小与迎流面积成正比,长径比越大，迎流面积越小，弹体敦粗变形越不明显，由敦粗变形导致的阻力系数的变化对弹体的影响减弱，弹体加速度减小，剩余速度和侵深就会增加。但长径比的选择并非越大越好，需要综合考量弹体材料，侵彻稳定性，破孔直径等因素。

4 射弹质量对侵彻效果的影响

对比不同质量的射弹侵彻防护液舱的效果，固定射弹的长径比和初速度。射弹长径比选择为1.6，初速度选择2 000 m/s。设计4种不同质量的射弹，M1=77.9 g、M2=152.0 g、M3=202.3 g、M4=262.8 g。经模拟，得到图8所示的剩余速度曲线和图9所 示的侵深曲线。

图8 剩余速度-时间关系曲线

图9 侵深-时间关系曲线

由模拟结果可以看出，质量变化对射弹侵彻能力有显著影响。在一定范围内质量的增加可以有效提高剩余速度和侵彻深度；当质量超出某一极值时，又会大大降低射弹侵彻能力。

由式(2)、式(3)可知，剩余速度和侵彻深度与射弹质量成正相关，与阻力系数和迎流面积负相关。长径比不变的情况下，质量增加会增加迎流面积，进而增大侵彻阻力，弹体敦粗变形加剧，阻力系数也相应变大。所以，当质量的增加对弹体侵彻能力的提升大于其“副产品”阻力系数增加带来的消极增量时，侵彻能力就会增加，否则侵彻能力就会下降。

5 结论

高速射弹侵彻液舱是非常复杂的过程，影响因素众多，目前还没有完全成熟的理论来描述侵彻过程。计算机数值仿真可以较为精确的模拟侵彻过程，为研究高速射弹侵彻防护液舱的一般规律提供参考：

1) 射弹初速度在1 800～2 400 m/s时，提高初速度反而会降低射弹的侵彻能力。

2) 增大射弹长径比能有效提高射弹对防护液舱的侵彻效果，但长径比的选择并非越大越好，还要综合材料因素、侵彻稳定性、破孔孔径要求等条件合理选择。

3) 质量的增加可以提升射弹侵彻能力，但存在一临界值，质量超出该值后反而会降低射弹侵彻能力。

4) 侵彻过程是多因素共同作用的结果，不同时期，不同因素占据主次位置。分析各因素在侵彻过程的不同时期的影响因子是总结侵彻规律的重要步骤。

[1] 张振华，朱锡，黄玉莹，等.水面舰艇舷侧防雷舱结构水下抗爆防护机理研[J].船舶力学，2006，10(1)：113-119.

[2] 赵留平，陈娟，刘世明.爆炸破片穿透舰船舷侧防护水舱剩余特性研究[J].中国舰船研究，2013，8(6)：40-44.

[3] 沈晓乐，朱锡，候海量，等.高速破片侵彻防护液舱试验研究[J].中国舰船研究，2011，6(3)：12-15.

[4] 孔祥韶，吴卫国，李俊，等.爆炸破片防护液舱的穿透效应[J].爆炸与冲击，2013，33(5)：471-478.

[5] 李静海.半穿甲爆破型反舰导弹战斗部毁伤效果分析[J].飞航导弹，2005(7)：52-55.

[6] 尹建平，姚志华，王志军.药型罩参数对周向MEFP成型的影响[J].火炸药学报，2011,34(6)：53-57.

[7] 王晓强，朱锡.舰船用钢的抗弹道冲击性能研究进展[J].中国造船，2010，51(1)：228-234.

[8] 沈晓乐，朱锡，候海量，等.高速破片入水敦粗变形及侵彻特性有限元分析[J].舰船科学技术，2012，34(7)：25-29.

[9] 矶部孝.水下弹道的研究[M].北京：国防工业出版社，1983.

[10] 尹建平，王志军.弹药学[M].北京：北京理工大学出版社，2014.

EffectofProjectileParametersonPenetrationProtectionTank

HUANG Yangyang1,2，WANG Zhijun1， ZHAO Pengduo2，ZHANG Lei2， ZHANG Peng1,2， WANG Qing1,2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, North University of China， Taiyuan 030051, China; 2.Naval Academy of Armament， Beijing 100161, China)

In order to explore the effect of different initial velocity, slenderness ratio and mass, AUTODYN was used to simulate the process of copper projectile in various states. Residual velocity and penetration depth was analyzed and compared. Results as follows: Higher initial velocity make a worse impact when it between 1 800 m/s to 2 400 m/s;enhancement of slenderness ratio can improve the penetration obviously; increasing the mass before a critical value can also improve penetration.

safety liquid cabin; copper projectile; residual velocity; penetration depth

2017-09-06；

2017-09-27

黄阳洋(1991—)，男，硕士研究生，主要从事复合材料侵彻与防护研究。

10.11809/scbgxb2017.12.021

本文引用格式：黄阳洋，王志军，赵鹏铎，等.射弹参数对侵彻防护液舱效果的影响研究[J].兵器装备工程学报，2017(12):90-92,97.

formatHUANG Yangyang，WANG Zhijun， ZHAO Pengduo,et al.Effect of Projectile Parameters on Penetration Protection Tank [J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):90-92,97.

TJ4310.34

A

2096-2304(2017)12-0090-03

(责任编辑唐定国)