基于某主動(dòng)防護(hù)的彈丸撞擊網(wǎng)板過載特性分析*

尚宇晴,杜忠華,吳 勇,陳 曦

(1 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094;2 河北太行機(jī)械工業(yè)有限公司,石家莊 050000)

0 引言

為提高防護(hù)目標(biāo)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力,許多國(guó)家都在積極研究主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)外的近程主動(dòng)防護(hù)攔截誘爆系統(tǒng)[1-2]主要采用雷達(dá)探測(cè)來襲彈丸的方位,并把探測(cè)信息傳遞給中央控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)解算最佳攔截誘爆時(shí)間及方位,指揮對(duì)抗系統(tǒng)發(fā)射多種彈藥,在距離防護(hù)目標(biāo)一定距離處形成彈藥毀傷區(qū)域,誘爆或偏轉(zhuǎn)來襲彈丸。大部分的主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)存在防御彈藥對(duì)防護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生附帶傷害,雷達(dá)對(duì)來襲彈丸的探測(cè)精度不夠?qū)е轮笓]系統(tǒng)的指揮出現(xiàn)偏差降低了防護(hù)的效率。針對(duì)目前這些方面的不足,文中提出一種新型近程主動(dòng)防護(hù)攔截誘爆系統(tǒng),其對(duì)抗系統(tǒng)通過發(fā)射四個(gè)牽引體,牽引體牽引網(wǎng)板飛出,與來襲彈丸相撞,誘爆來襲彈丸。該主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)作用原理如圖1所示。該新型主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)突破傳統(tǒng)思想,采用點(diǎn)面式的攔截誘爆模式,網(wǎng)板具有一定的面積,可減小由于探測(cè)誤差而引起的攔截失誤。且牽引體無需裝填炸藥,安全性好,不存在防御彈藥對(duì)保護(hù)目標(biāo)產(chǎn)生傷害。

對(duì)于網(wǎng)板與來襲彈丸相撞是否能夠誘爆來襲彈丸,需進(jìn)行來襲彈丸與網(wǎng)板的撞擊過載特性探究,得出不同情況下的過載力情況,為對(duì)抗系統(tǒng)做出判斷提供依據(jù),實(shí)現(xiàn)以最佳的狀態(tài)進(jìn)行撞擊誘爆。針對(duì)過載特性的研究,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者[3]在研究彈丸侵徹混凝土靶板的過載特性方面頗有造詣,分析不同速度、不同著靶角、不同彈丸對(duì)不同厚度混凝土的過載特性[4-6]。而對(duì)于此新型主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng),若采用很厚的混凝土靶板是不切實(shí)際的,質(zhì)量太重給整個(gè)發(fā)射裝置帶來難點(diǎn)以及厚重的靶板在空中飛行不確定因素太多,會(huì)影響攔截的精度,故此主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)采用質(zhì)量較輕的網(wǎng)板進(jìn)行攔截誘爆。針對(duì)攔截誘爆的情況,文中進(jìn)行了不同參數(shù)網(wǎng)板與來襲彈丸在不同速度、不同質(zhì)量、不同著靶角下過載特性的研究,為此新型主動(dòng)防護(hù)的設(shè)計(jì)及中央控制系統(tǒng)的指揮做出理論依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)作用原理示意圖

1 有限元數(shù)值仿真模型的建立

1.1 網(wǎng)板模型

圖2 網(wǎng)板的三維示意圖

針對(duì)需要依靠撞擊目標(biāo)產(chǎn)生的過載力引爆自身的來襲彈丸,此主動(dòng)防護(hù)通過發(fā)射網(wǎng)板,使網(wǎng)板與來襲彈丸相撞,誘爆來襲彈丸。該主動(dòng)防護(hù)的網(wǎng)板三維示意如圖2所示,能否成功誘爆來襲彈丸通過網(wǎng)板與來襲彈丸相撞時(shí)的過載力進(jìn)行判斷。對(duì)來襲彈丸與網(wǎng)靶的數(shù)值仿真在保證模擬可信度的條件下對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化[4-6],其網(wǎng)板整體尺寸為1 m×1 m,因網(wǎng)板由一根根具有一定直徑的鋼絲組成,故網(wǎng)板材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATI塑性隨動(dòng)強(qiáng)化模型,密度為7.86 g/cm3,楊氏模量為207 GPa,屈服強(qiáng)度為1 770 MPa,泊松比為0.3[7],采用Cowper-Symonds模型來考慮材料的塑性應(yīng)變效應(yīng),單元采用BEAM單元,通過偶合節(jié)點(diǎn)處理鋼絲之間的連接。網(wǎng)板的仿真模型局部放大示意如圖3所示。

圖3 網(wǎng)板的仿真模型局部放大示意圖

1.2 彈丸模型

需要過載力引爆的引信可用于多種彈丸上,在數(shù)值仿真時(shí),將彈體進(jìn)行簡(jiǎn)化,文中將來襲彈丸彈頭近似卵形,忽略細(xì)微的外形尺寸,仿真模型簡(jiǎn)化如圖4所示。彈丸撞擊網(wǎng)板過程中,彈丸幾乎不發(fā)生變形或變形很小,可視為剛體,故彈丸采用*MAT_RIGID剛體模型,楊氏模量為210 GPa,泊松比為0.3[7]。

圖4 來襲彈丸仿真簡(jiǎn)化圖

1.3 接觸及邊界條件

對(duì)于傳統(tǒng)研究的彈丸侵徹靶板均采用侵蝕接觸,而侵蝕接觸用于一個(gè)或兩個(gè)表面的單元在接觸時(shí)發(fā)生材料失效,接觸依舊在剩余的單元中進(jìn)行,它只能用于實(shí)體單元表面發(fā)生失效貫穿的問題等。而本模型靶板為梁?jiǎn)卧木W(wǎng)板,不符合侵蝕接觸的使用范疇[8]。對(duì)于本模型類型采用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL。來襲彈丸與網(wǎng)板撞擊的仿真三維模型如圖5所示。

圖5 彈丸與網(wǎng)板仿真模型圖

對(duì)于主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng),來襲彈丸種類比較繁多,其大多數(shù)速度在200～500 m/s之間[9],故對(duì)該速度范圍的彈丸進(jìn)行仿真;由于此主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)通過發(fā)射網(wǎng)板進(jìn)行撞擊來襲彈丸,故網(wǎng)板具有一定的初速度,且網(wǎng)板飛行距離較短,在10 m左右,所以網(wǎng)板可以簡(jiǎn)化為勻速直線運(yùn)動(dòng),仿真時(shí)可將網(wǎng)板的速度轉(zhuǎn)換到來襲彈丸速度上?，F(xiàn)對(duì)著角(即來襲彈丸軸線與網(wǎng)板法線之間的夾角)范圍為0°～40°進(jìn)行仿真;考慮彈丸的尺寸及網(wǎng)板的重量,對(duì)網(wǎng)板的鋼絲直徑為4～7 mm,網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為16～30 mm的情況下進(jìn)行仿真。

根據(jù)牛頓第二定律F=ma,當(dāng)m一定時(shí),可通過來襲彈丸的加速度來體現(xiàn)其所受過載力的情況?，F(xiàn)對(duì)來襲彈丸不同速度、不同直徑、不同質(zhì)量、不同著角及網(wǎng)板不同鋼絲直徑、不同網(wǎng)孔尺寸,利用dyna軟件進(jìn)行仿真,得不同情況下的最大加速度值。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 來襲彈丸速度及著角對(duì)過載的影響

當(dāng)彈徑100 mm、網(wǎng)板鋼絲直徑為4 mm及網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm時(shí),對(duì)不同著速及不同著角的來襲彈丸撞擊網(wǎng)板進(jìn)行仿真分析過載特性,著速200～500 m/s及著角0°～40°的情況下來襲彈丸最大加速度仿真數(shù)值如圖6所示。

圖6 來襲彈丸速度及著角對(duì)最大加速度的影響

從圖6中可以看出,隨著來襲彈丸速度增加來襲彈丸最大過載力增加,故此主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)在其他相同情況下,為使引信獲得較大的過載力,此模型較宜適用于攔截較高速度的彈丸。根據(jù)此特性,在設(shè)計(jì)此主動(dòng)防護(hù)時(shí)可適當(dāng)提高網(wǎng)板的發(fā)射速度。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)著角為0°即來襲彈丸垂直撞擊網(wǎng)板時(shí),來襲彈丸所受過載力最大,當(dāng)來襲彈丸與網(wǎng)板相撞有一定角度時(shí),來襲彈丸所受最大過載力迅速減少,隨著著角度數(shù)的增加,來襲彈丸所受最大過載力增加,但當(dāng)著角大于25°時(shí),過載力增加緩慢甚至可能會(huì)出現(xiàn)稍微的下降,考慮過載力方向?qū)ぐl(fā)慣性觸發(fā)引信的影響,主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)盡量避免網(wǎng)板與來襲彈丸相撞角度超過25°。

2.2 網(wǎng)板鋼絲直徑對(duì)過載的影響

當(dāng)彈徑100 mm、網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為20 mm,來襲彈丸與網(wǎng)板垂直相撞時(shí),來襲彈丸最大加速度與網(wǎng)板鋼絲直徑的關(guān)系,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 網(wǎng)板鋼絲直徑對(duì)最大加速度的影響

從圖7中可以看出,來襲彈丸的最大過載力隨著鋼絲直徑的增加而增加,故此主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)板鋼絲直徑的選擇可根據(jù)誘爆來襲彈丸需要的過載力進(jìn)行選擇,在主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)發(fā)射裝置所能承受的最大重量程度情況下,選擇讓來襲彈丸獲得最大過載力的網(wǎng)板類型。

2.3 來襲彈丸質(zhì)量對(duì)過載的影響

在網(wǎng)板鋼絲直徑為4 mm及網(wǎng)孔20 mm,彈徑100 mm來襲彈丸垂直撞擊網(wǎng)板時(shí),來襲彈丸質(zhì)量(通過改變彈丸密度改變彈丸質(zhì)量)對(duì)最大加速度的影響,仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 來襲彈丸質(zhì)量對(duì)最大加速度的影響

從圖8中可以看出,在其它相同情況下,來襲彈丸最大加速度隨著彈丸質(zhì)量增加而減小。在一定的來襲彈丸速度與質(zhì)量變化范圍內(nèi),根據(jù)牛頓第二定理F=ma可知,來襲彈丸與網(wǎng)板相撞的最大過載力大體相同。

2.4 來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)比值對(duì)過載的影響

來襲彈丸質(zhì)量對(duì)最大加速度有很大的影響,為避免質(zhì)量對(duì)該因素仿真結(jié)果產(chǎn)生影響,通過改變彈丸密度保證在相同來襲彈丸質(zhì)量的前提下進(jìn)行仿真,當(dāng)著角為0°、網(wǎng)板鋼絲直徑為4 mm時(shí),分析不同來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)比值情況下,對(duì)過載力的影響,由于來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)比值不能過小,過小會(huì)增大來襲彈丸直接從網(wǎng)板的網(wǎng)孔中穿過的可能性,使得網(wǎng)板失去主動(dòng)防護(hù)的意義,故現(xiàn)對(duì)來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔比值大于4的情況下進(jìn)行仿真,其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔比值對(duì)最大加速度的影響

從圖9中可以看出,隨著來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)比值的增大來襲彈丸最大過載力增加。來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔比值越大意味著網(wǎng)板與來襲彈丸相撞時(shí)接觸作用于來襲彈丸上的鋼絲數(shù)越多,故來襲彈丸所承受的力在一定程度上越大。為此主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)選擇攔截誘爆來襲彈丸的種類以及設(shè)計(jì)網(wǎng)板網(wǎng)孔大小提供了理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)網(wǎng)板網(wǎng)孔大小時(shí),要充分考慮到來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔比值不能過小,避免來襲彈丸可能直接從網(wǎng)板的網(wǎng)孔中穿過或者網(wǎng)板對(duì)來襲彈丸產(chǎn)生極小的過載力,失去主動(dòng)防護(hù)攔截的意義,故選擇網(wǎng)孔直徑時(shí),要充分考慮來襲彈丸的直徑,保證兩者的比值在合理的范圍內(nèi)。

圖10 來襲彈丸加速度隨時(shí)間變化曲線

在進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),在相同條件下,當(dāng)來襲彈丸隨機(jī)垂直撞擊網(wǎng)板時(shí),最大加速度值不變;當(dāng)來襲彈丸隨機(jī)傾斜撞擊網(wǎng)板時(shí),最大加速度值只有輕微的小波動(dòng),但波動(dòng)較小,不影響結(jié)果。通過模擬來襲彈丸撞擊網(wǎng)板的動(dòng)態(tài)過程,得出來襲彈丸加速度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

從圖10曲線可以看出,當(dāng)來襲彈丸的彈頭某一位置運(yùn)動(dòng)至與網(wǎng)板接觸時(shí)達(dá)到最大加速度如圖11所示,所以初始狀態(tài)來襲彈丸與網(wǎng)板撞擊的位置為縱橫向鋼絲交會(huì)處還是網(wǎng)孔中心對(duì)仿真結(jié)果影響不大。

圖11 最大加速度時(shí)來襲彈丸與網(wǎng)板的相對(duì)位置

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證此仿真模型的正確性,此新型主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)是否成功誘爆來襲彈丸,現(xiàn)進(jìn)行網(wǎng)板誘爆來襲彈丸的試驗(yàn),總體試驗(yàn)方案示意如圖12所示,將網(wǎng)板固定在靶架上,在距離靶架50 m處放置來襲彈丸的發(fā)射裝置,來襲彈丸實(shí)物圖如圖13所示,其彈道垂直指向網(wǎng)板中心,在兩者之間靠近發(fā)射裝置一側(cè)放置兩銅箔靶,兩銅箔通過導(dǎo)線與速度測(cè)量?jī)x器相連,用于測(cè)量來襲彈丸飛行速度,其中速度測(cè)量?jī)x器如圖14所示,高速攝像裝置放置在網(wǎng)板靶架一側(cè)合適位置上,用于觀測(cè)和記錄試驗(yàn)過程。

圖12 總體試驗(yàn)方案示意圖

圖13 來襲彈丸

來襲彈丸撞擊網(wǎng)板,試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出成功誘爆了來襲彈丸,可以得出仿真模型的正確性以及此新型主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)誘爆原理的可行性。

圖14 速度測(cè)量?jī)x器

圖15 來襲彈丸試驗(yàn)圖

4 結(jié)論

文中通過數(shù)值仿真軟件LS/DYNA研究了來襲彈丸撞擊網(wǎng)板的過載特性,利用單一變量原則,通過仿真的結(jié)果得出:

1)來襲彈丸的最大過載力隨著來襲彈丸速度的增大而增加;

2)來襲彈丸垂直撞擊網(wǎng)板時(shí)最大過載力最大,當(dāng)有一定著角時(shí)兩者相撞時(shí)最大過載力急速下降然后再隨著角的增大最大過載力增加;

3)來襲彈丸最大過載力隨著網(wǎng)板鋼絲直徑的增大而增加;

4)來襲彈丸最大加速度隨著彈丸質(zhì)量的增加而減小,在一定范圍內(nèi),來襲彈丸的最大過載力保持不變;

5)來襲彈丸最大過載力隨著來襲彈丸直徑與網(wǎng)板網(wǎng)孔邊長(zhǎng)比值的增大而增加。