非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究_王景琛.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期：；修回日期：基金项目：基础加强重点项目（）作者简介：王景琛（），男，硕士研究生，：。通信作者：张晓伟（），男，博士，副教授，：。：非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究王景琛，张晓伟，张庆明，马晓荷（北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京）摘要：为研究非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特征，利用有限元软件 开展了圆、椭圆和非对称椭圆截面弹体在 速度下侵彻钢板的数值模拟研究，分析了着角、攻角和弹靶结构参数对弹体所受动态载荷的影响规律。结果表明：正侵彻时，种截面弹体受到的轴向冲击载荷基本相似，但非对称椭圆弹体还会在头部和尾部过靶时分别受到横向冲击载荷作用；仅存在着角时，种弹体的侵彻过程均可分为弹头触靶、弹头穿靶和弹身过靶 个阶段，其中弹身过靶阶段会受到持续载荷作用，弹头和弹尾过靶时也会出现两次横向载荷峰值；正着角条件下，攻角越大轴向载荷越大。攻角为正时，横向载荷首先减小然后反向增大，且缩短了侵彻持续时间；负攻角则加强了着角对载荷的影响，并增加了侵彻时间；截面不对称度大于 时，正着角的影响得到强化。此外，弹体载荷随靶厚的增大而增大，而弹体不对称度和长径比对其动态载荷的影响相对较小。关键词：非圆截面弹体；斜侵彻；薄靶；载荷特性本文引用格式：王景琛，张晓伟，张庆明，等 非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究 兵器装备工程学报，（）：，（）：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，；，：，；，：；引言高超声速武器能以超过 倍声速飞行，具有反应速度快、打击威力大和射程远等特点，被认为是未来战略打击武器的发展趋势。为适应高超声速飞行环境，该类武器通常采用乘波体气动外形。为了提高其毁伤威力和舱体空间利用率，采用与气动外形相适应的非圆截面战斗部是一种可行的手段。在战斗部高速侵彻目标过程中，弹体结构将受到极端的冲击载荷环境，从而可能导致侵彻弹道严重偏转、弹体结构或装药失效等情况。因此，确定在高速侵彻过程中不同截面形状的弹体所受的动态载荷特性和结构响应至关重要。近些年，国内外学者对传统圆形截面弹体的侵彻开展了一系列研究。古仁红等采用数值模拟分析了薄壁弹体斜侵彻混凝土靶的动态结构响应，提出弹体结构响应以弯曲为主。皮爱国和王一楠等研究了弹体深侵彻混凝土靶时的结构动态响应，给出了不同因素影响下弹体弯曲的临界条件。在薄靶的侵彻方面，等通过对任意截面应力状态积分，得到了长杆钨弹斜侵彻装甲钢板时沿弹长方向的剪力和弯矩分布；黄岐研究了圆柱形弹丸带攻角侵彻多层钢靶过程中，攻角和靶板间距对弹体偏转和侵彻能力的影响。等针对圆形弹体侵彻多层混凝土靶，分析了弹体的动态响应，建立了预测弹体减速度的理论模型，并进行了试验验证。在传统圆形截面弹体的研究基础上，人们对非圆截面弹体开展了进一步研究。张欣欣等将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁，得到了弹体任一截面弯矩、剪力以及屈服函数的分布规律。岳胜哲等研究了非对称类椭圆截面弹体侵彻铝靶问题，结果表明弹道极限速度、偏转角度和角速度均随着不对称度的增大而增大。武海军等分别针对普通卵形弹体、锥形弹体以及刻槽弹体开展了侵彻混凝土靶的实验研究。王浩和潘鑫等分析了椭圆截面和锥头弹体侵彻薄靶过程中靶板的失效模式和弹体姿态变化规律。在以上研究中，往往只考虑了弹体头部受载及其影响，缺乏对全过程中弹体动态载荷特性的深入分析，并且对于截面形状、攻角、着角以及弹靶结构特征等因素的影响规律认识不足。而这对于弹体结构响应和侵彻弹道的分析都是不可或缺的。为此，本文中设计了圆形、椭圆、非对称椭圆 种截面的弹体，采用数值模拟对弹体斜侵彻薄钢靶的全过程进行了仿真分析，研究了着角、攻角和弹靶结构参数等对弹体所受动态载荷特性的影响规律，研究结果可为高超声速武器战斗部结构设计和威力评估提供参考。有限元模型的建立 弹体结构根据高超声速飞行器外形特点，设计了椭圆和非对称椭圆 种截面形状的弹体结构。作为比较，还考虑了相同外形包络下的传统圆形截面弹体，如图 所示。图 不同弹体截面形状对比 圆形截面弹体头部形状系数 和椭圆截面不对称度 定义如下：（）（）其中：为圆形截面弹体头部子午线曲率半径；为弹体直径；和 分别为椭圆截面在 轴上下部分的半轴长度，如图 所示。图 弹体截面结构参数示意图 兵 器 装 备 工 程 学 报：为了保证 种弹体具有相同的截面积和质量，弹体具体参数如表 所示。其中，为弹体长度，为弹体壁厚，为弹体质量。表 种弹体详细参数 截面形状截面参数 圆形椭圆形 非对称椭圆形 弹体的着角、攻角 和姿态角 的定义如图 所示。可见，姿态角等于着角与攻角之和，即。弹靶参数设置采用 对弹体侵彻薄钢靶时的动态响应进行仿真计算。弹体材料为，采用 材料模型，靶板材料为舰船钢 材料，采用 模 型，具 体 参 数 如 表、表 所示。图 弹靶作用条件示意图 表 弹体材料参数 材料（）表中：为密度，为弹性模量，为泊松比，为初始屈服强度，为剪切模量，为硬化系数，和 为应变率系数，为失效应变。表 靶板材料参数 （）表中：为剪切模量，为静态屈服强度，为硬化模量，为硬化指数，为材料应变率强化参数，为材料热软化参数，为失效参数。靶板尺寸为 ，厚度 。弹体与靶板均采用六面体单元，弹靶的接触设置为面 面侵蚀接触算法，摩擦因数为 。由于弹体变形较小，暂不考虑内部装药。考虑到结构的对称性，采用 模型，在对称面上设置对称边界条件，靶板周边固支。对靶板中心 区域进行网格加密，加密区网格尺寸为 。弹体和靶板单元划分如图 所示。图 弹靶单元划分 本研究中通过改变截面形状，选取适当着角和攻角来探究弹体穿靶过程中的动态载荷特征。弹体在打击多层舰船靶时，着靶速度在 ，故侵彻速度取为 ；初始攻角一般小于，而着靶角度因目标的方位不同而不同，一般在 以内，但侵彻多层靶过程中，弹体会发生姿态的偏转，对于后续靶板的攻角会逐渐变大。因此，主要参数的研究范围如下：）截面形状：圆形，椭圆形，非对称椭圆形）着角范围：，）攻角范围：，计算结果与分析 弹体正侵彻薄靶时所受载荷特征首先，分析了正侵彻条件下不同弹体对薄钢靶的侵彻过程，探究截面形状对弹体所受动态载荷特征的影响。图、图 为弹体所受 和 方向载荷的时程曲线。可王景琛，等：非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究以看出，种弹体所受 方向载荷形式相似，均为 型脉冲载荷，且峰值相差不大。从图 可见，在该条件下，圆和椭圆 种截面弹体受到的横向载荷很小。而非对称椭圆形弹体在侵彻初期，由于不对称的影响，上侧靶板扩张较大，下侧变形较小，使弹体受到 轴负向载荷，在 时载荷达到峰值。然后，靶板持续扩张，弹体头部持续受到向下的载荷，并发生小幅度向下偏转。由于头部撞靶过程中的惯性效应，造成靶板扩孔直径大于弹体直径。因此，在 过程中，弹体几乎没有受到 方向载荷。随后，由于弹体的持续偏转，在 时刻弹体尾部与上侧靶板再次发生相撞，横向载荷增加，在约 时刻载荷达到峰值，然后迅速下降直至出靶。可见，非对称椭圆形弹体相对于圆形和椭圆形，由于外形的不对称，侵彻过程中分别在弹体头部和尾部过靶时两次较大的冲击载荷，峰值时刻弹靶的接触状态如图 所示。图 正侵彻时弹体所受 方向载荷 图 正侵彻时弹体所受 方向载荷 图 弹体所受 方向载荷峰值时刻 着角对弹体侵彻薄靶时动态载荷的影响在上述分析的基础上，进一步考虑着角对弹体动态载荷特性的影响。结果发现，圆形和椭圆截面弹体在不同着角下弹体所受载荷大小和形式相差不大，故只给出了圆形截面弹体受力情况。如图 所示，不同着角下弹体在侵彻初始时受到 方向的载荷形式和大小相差不大。而在 后，即弹身过靶阶段发生差异。无着角时，弹身过靶基本不再受到轴向载荷；而正着角情况下，由于弹身在穿靶过程中发生偏转，弹尾与靶板发生后续撞击，方向会再次受到冲击。且着角越大，弹尾与靶板撞击载荷越大。图 圆形弹体载荷时程曲线 在 方向上，结合弹体受到的载荷作用形式以及弹靶作用姿态分析，整个侵彻过程可分为 个阶段：）弹头触靶阶段：如图（）和图（）所示，由于着角的存在，弹体头部下半部分先与靶板接触，从而产生一个较小的斜向上载荷。随着弹尖进一步冲击靶板，弹体上侧开始受力，横向载荷逐渐减小，在弹尖刺破靶板时刻（约 ），弹体受到的轴向载荷达到峰值，而横向载荷降为零。）弹头穿靶阶段：随后弹头穿靶开始扩孔，存在着角时，靶板上侧变形更为严重，如图（）所示。弹头受到 轴负向的横向载荷，并逐渐增大。在约 时刻达到最大，然后下降。在约 时刻，弹头部分完全穿靶，弹体所受载荷降至最低。弹体在此阶段受到向下横向载荷，产生逆时针角速度。兵 器 装 备 工 程 学 报：）弹身穿靶阶段：弹头穿过靶板后，弹体存在逆时针角速度，后续穿靶过程中，弹身逐渐偏转，如图（）所示，弹身与靶板上侧发生持续撞击，受到逐渐增大的 轴负向载荷，最终在弹尾碰靶时刻载荷达到峰值，如图（）所示，随后迅速下降到零。此阶段弹体所受力矩由逆时针转为顺时针，减小了弹体前期穿靶时产生的角速度，对姿态有一定的修正作用。图 弹体侵彻薄靶时的 个阶段 种弹体正着角斜侵彻靶板时，均经过如上 个阶段，最终产生逆时针角速度。针对非对称椭圆弹体，计算了正 负不同着角下的侵彻过程。图 给出了侵彻时弹靶姿态，图 给出了不同着角下弹体受到的 方向载荷时程曲线。分析发现，正着角侵彻靶板时，第二阶段非对称椭圆截面弹体上侧对靶板破坏更为严重，弹体所受 轴负向载荷更大。而负着角时，弹头穿靶阶段和弹身穿靶阶段中的横向峰值载荷均有所减小。可见，椭圆截面弹体不对称度 时对正着角的影响存在一定的加强作用，对负着角的影响有抵消作用。图 非对称椭圆弹体不同着角下侵彻姿态 图 非对称椭圆弹体所受 方向载荷 攻角和着角共同作用下弹体的动态载荷特性计算结果显示，不同着角下圆形截面和椭圆形截面弹体所受载荷随攻角改变时变化趋势基本相同，故不再对椭圆形截面弹体进行赘述。图 给出了圆形截面弹体在不同攻角和着角侵彻条件下所受 方向载荷时程曲线。图 圆形弹体所受 方向载荷 由图（）可见，无着角时，攻角对 方向载荷曲线形状的影响不大，只改变载荷的大小，攻角越大，载荷越大。如图（）和图 （）所示，正着角时，小攻角的影响不明显，随着攻角的增大，其影响变得显著：正攻角时，攻角越大，弹头过靶期间的峰值载荷越大，过靶时间越短，同时弹身过靶时间也比无攻角工况更短；而负攻角时，弹体穿靶的第一个峰值载荷变化不大，但弹身过靶时间有所延长，且第二个峰值载荷比正攻角略大。图 给出了圆形弹体所受 方向载荷时程曲线。发现存在攻角时，方向载荷可分为两阶段，第一阶段为头部穿靶阶段，即弹头穿靶时弹体 方向载荷会出现一次波峰；第二阶段为弹身穿靶阶段，初始的攻角使得弹身持续撞击靶王景琛，等：非圆截面弹体斜侵彻薄靶的动态载荷特性研究板，弹体所受载荷先增大后减小，并且第二个峰值载荷超过了前一次峰值。无着角情况下，每个阶段中弹体所受 向载荷绝对值随攻角增大而增大，正攻角下的载荷方向为 轴正向，负攻角时方向相反。存在正着角时，靶板上下两侧变形不同，第一阶段中的弹体所受载荷向下移动；第二阶段中，攻角和着角侵彻会使弹体趋于横向拍向靶板，出现较高峰值载荷，并且发现随着攻角由正到负弹体过靶时间越来越长。图 图 给出了非对称椭圆截面弹体 和 着角下，不同攻角时弹体受力情况，可以看出，方向载荷与圆形截面弹体规律基本一致。而 方向上，由于弹体上下两侧不对称，第一阶段中着角和弹形均会增大 轴负向载荷。并且发现负攻角时，相对于圆形截面弹体，弹身穿靶时间大幅延长。综合分析整个侵彻过程，存在攻角时，第二阶段弹身穿靶时，承受的横向载荷不小于第一阶段中弹头受到的载荷，故分析弹体结构响应时也应重点探究其影响。图 圆形弹体所受 方向载荷 图 非对称椭圆弹体所受 方向载荷 图 非对称椭圆弹体所受 方向载荷 其他因素对弹体动态载荷的影响除入靶姿态外，靶板厚度、弹体长径比和非对称椭圆弹体的不对称度等因素也会对弹体动态载荷产生一定的影响。本节通过弹体 着角斜侵彻靶板工况，对上述三种因素的兵 器 装 备 工 程 学 报：影响进行了分析。图 图