半穿甲炮弹对小型舰船目标毁伤效能评估研究

　　摘要：以新型大口径舰炮武器系统综合论证和作战效能评估为背景，研究大口径半穿甲炮弹对典型小型舰船目标的毁伤效能评估问题。对典型舰船进行目标特性分析，设计了两种典型船体靶板毁伤试验及数值仿真，明确了靶板破坏形态和破口直径，并由此验证了数值仿真模型及材料参数的准确性。在此基础上进行实尺度半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤的数值仿真，得到了半穿甲炮弹起爆位置及着角对舰船侧舷的毁伤特性数据。进而提出了炮弹炸点位置与侧舷结构毁伤后舱室进水情况的判据，建立了半穿甲炮弹作用于舰船目标的终点毁伤效能数学模型。以典型中小型舰船为实例进行了计算，结果表明提出的数学模型可用于分析半穿甲炮弹命中精度、起爆位置和着角等对舰船目标的毁伤效能，当炮弹着角为45°、起爆相对位置为0.5时对舰船结构毁伤效果最好，解决了大口径半穿甲炮弹对典型中小型舰船目标毁伤效能评估的技术关键，可为新型舰炮武器系统综合论证和作战效能评估提供一定技术支撑。

　　关键词：毁伤评估;半穿甲炮弹;舰船;侧舷;AUTODYN软件

　　大口径舰炮主要用于对岸火力支援和舰与舰之间的火力打击。随着信息化弹药的发展，舰炮武器命中精度逐渐提升，且大口径舰炮的射程、弹药威力得到了增强。目前对一种大口径半穿甲炮弹提出了新的需求，是在侵彻过程中或穿透以后很短的距离内爆炸的炮弹，主要用来打击小型舰船(护卫舰及以下级别)侧舷结构，造成侧舷破口进水，进而影响舰船的生命力。因此为了对这种新型舰炮武器的选取类型及作战性能进行综合论证，需要对舰炮的终点毁伤情况进行研究，综合考核舰炮武器的毁伤能力。

　　工程技术评职知识： 高级电气工程师评审材料

　　二战时期舰船结构毁伤实例表明，舰船侧舷或其他部位产生局部破坏，致使舰船整体强度减弱造成舱室进水，是舰船毁伤的主要模式[1]。舰船结构可以认为是由若干板架连接而成，因此在研究舰船结构毁伤时，研究人员通常简化为研究舰船板架的毁伤情况。Ramajeyathilagam[23]采用试验和数值仿真方法开展了侧舷板架在爆炸载荷作用下毁伤情况的研究，进行了不同爆距、不同装药量下矩形板的破坏情况。

　　周姝[4]应用LSDYNA数值仿真软件分别就炸药当量为50kg，150kg和240kg作用下舰船板架破损情况进行比较分析。吴震等[5]采用试验方法研究破片和冲击波对舰船板架的耦合毁伤效应，得出光板在破片和冲击波共同作用下破坏模式主要有花瓣弯曲和拉伸断裂两种。李樱等[6]利用LSDYNA数值仿真软件研究在药包水下近场和接触爆炸两种情况下舰船侧舷的毁伤特性。赵倩等[7]开展了含铝炸药水中爆炸能量输出规律和舰船目标响应情况的数值仿真研究，得出近场冲击波能是舰船毁伤的主要原因。

　　半穿甲弹所装的引信为延时引信，它在多少穿深爆炸对舰船舱室破坏效果最好，不同弹药的起爆点应该有一定的差异[8]。焦立启等[9]利用LSDYNA软件研究半穿甲反舰战斗部舱内爆炸对固支单向加筋板的毁伤作用进行数值仿真计算，得到舰船加筋板在冲击载荷作用下变形破坏特点及规律。杜志鹏等[10]进行了实尺度舱室内爆试验，认为当在舱室内爆、爆距小于0.25倍板架宽时，板架受到局部高压载荷作用并产生花瓣破口;孔祥韶[11]在进行缩比舱室内爆试验时发现，当弹药爆炸的位置和舱室壁的距离较近时，从舱壁破口处会有较明显的爆炸流出现象。

　　因此，对于装药量相对鱼雷、导弹等来说较小的炮弹，为达到较佳毁伤效果，爆点位置距离舰船侧舷的距离还需具体分析。目前对于舰船的毁伤研究多以试验和数值仿真为主，笔者研究大口径半穿甲炮弹对典型小型舰船目标的毁伤效能评估问题，进行了典型船体靶板毁伤试验及数值仿真，验证了数值仿真模型及材料参数的可靠性，在此基础上利用AUTODYN数值仿真软件进行半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤数值仿真，并建立了毁伤效能数学模型，为新型舰炮武器系统综合论证和作战效能评估提供技术支撑，为舰船防护设计提供理论基础。

　　1典型舰船目标特性分析

　　1.1目标结构分析

　　典型小型舰船结构按照舱室类型主要可以划分为：电子武备舱室、生活保障舱室、机电设备舱室和其他舱室等，同时各类舱室是由各种功能类似的舱室所组成。

　　1.2毁伤等级与毁伤准则判据

　　舰船在外力的作用下致使舱室破损进水后，仍能保持稳定、漂浮的能力称为不沉性。目前关于舰船不沉性有如下说法：将舰船分为几舱制，一舱制舰船即满足舰船在某一个舱室进水后仍能保持不沉;二舱制舰船即相邻两个舱室进水后仍能保持舰船的安全性;三舱制舰船即在相邻三个舱进水后仍能满足不沉性。

　　舰船除了受到航行时的外力作用外，还可能遭到敌方武器的打击，被破坏的几率较大，因此舰船的不沉性要求较高[12]，文献[13]认为当舰船的损坏状态为三舱连破情况时将逐渐沉没。对于一些中小型舰船，文献[14]认为当舰船的破口尺寸达到6~7m时就可以导致舰船在短时间内沉没。一般情况下，水线处多为生活保障舱室，该类舱室长度约为2~3m，即2~3个连续舱室产生无法修复的破口，就足以使中小型舰船沉没。因此根据舰船结构损坏造成舰船毁伤的研究进展[1214]，将舰船由舱室损坏造成的毁伤划分为三个毁伤等级。

　　1.3典型侧舷结构特性分析

　　目前中小型舰船的侧舷结构通常为纵骨架式，为减少纵骨尺寸提高船体强度，纵骨架式舷侧结构会采用强肋骨作为横向型材[15]，船体的主要制造材料有钢、铝合金和玻璃钢等[16]，其中常用的中小型舰船船体材料为921A钢，921A钢的材质为10CrNi3MoV，其屈服强度为590~745MPa，同时舰船侧舷外钢板作为舰船要求较高的关键要害构件，其厚度往往选取在12~16mm范围内[12]，由于生活保障舱室的防护相对薄弱，因此选取厚度为12mm的侧舷外钢板作为研究对象。

　　根据典型侧舷结构可知，由于纵骨和强肋骨的存在，当半穿甲炮弹对舰船侧舷进行侵彻时，若侵彻位置不同，侧舷的动态响应也会不同，同时弹药不同的着角、侵彻深度对侧舷结构的破坏程度均会有较大的差异。在研究半穿甲炮弹对侧舷侵彻作用后战斗部爆炸对侧舷毁伤特性时，侧舷被侵彻后的破坏状态是研究侧舷受到爆炸作用后响应情况的初始状态，因此为了保证研究的初始条件具有一致性，对典型中小型舰船侧舷结构进行简化等效。

　　2船体靶板毁伤试验与数值仿真验模

　　2.1典型船体靶板毁伤试验

　　利用Φ50mm×85mm的带壳装药及典型船体靶板进行毁伤试验，其中炸药为8701，装药量为190g，在结构为1m×1m×8mm的921A船体靶板中心预留一个直径略大于带壳装药直径50mm的孔，设计两种工况分别为：靶板固定在支架上并保持水平，将带壳装药嵌入到靶板预制破口中，使带壳装药沿轴线方向与地面垂直，保持带壳装药轴线中心与靶板预制破口平齐并固牢试验场地;将带壳装药放置在靶板预制破口上方，使带壳装药沿轴线方向与地面垂直，保持带壳装药底盖与靶板预制破口平齐并固定牢固。

　　2.2典型船体靶板毁伤数值仿真

　　2.2.1数值仿真模型

　　在AUTODYN软件中建立与毁伤试验中应用的结构尺寸完全相同的船体靶板和带壳装药的数值仿真模型。为简化计算，建立1/4模型结构，并赋予和试验完全相同的材料模型，采用Velocity类型边界条件从而实现靶板的固定，带壳装药沿轴线方向垂直放置在靶板预留破口处的上方和中心，建立包含带壳装药与部分靶板在内的空气域，空气域设置FLOWOUT边界条件，实现在仿真软件中还原试验现场环境，靶板和带壳装药壳体采用拉格朗日算法，空气和炸药采用欧拉算法，采用流固耦合算法保证拉格朗日单元和欧拉单元能够相互作用。

　　3半穿甲炮弹对侧舷毁伤的数值仿真

　　为得到半穿甲炮弹对舰船侧舷的毁伤特性数据，采用验证后的典型船体靶板数值仿真模型及参数，进行半穿甲炮弹对典型小型舰船侧舷毁伤的数值仿真研究。

　　3.1计算方案

　　半穿甲炮弹直径155mm，装药质量12kg，装药为8701高能炸药，末端速度300m/s，采用延时引信起爆。综合考虑侧舷破口尺寸误差和仿真计算时间，利用Truegrid软件建立几何模型，建立的舰船侧舷仿真模型结构网格尺寸为2.5mm。设计的数值仿真工况分别为：当战斗部垂直打击时，起爆点至侧舷的距离为1/4弹长处即=0.25(为弹长)，除此之外还有=0.5、0.75、1、1.5、2共种;除了研究起爆位置对舰船侧舷结构的关联特性外，以半穿甲炮弹的起爆点距侧舷1/2弹长处时=0.5)起爆为例，在相同的数值仿真环境条件下，开展着角(弹道线与侧舷平面法线的夹角)对舰船侧舷毁伤的关联特性研究，主要研究当着角为0°、15°、30°和45°时半穿甲炮弹对舰船侧舷的破坏情况。

　　4 结论

　　笔者采用理论分析、试验及数值仿真相结合的方法，研究半穿甲炮弹对舰船目标的毁伤效能，取得的主要研究成果如下：

　　1)对比典型船体靶板毁伤试验及数值仿真结果中靶板的破坏形态及破口直径，验证了靶板数值仿真模型及参数的准确性。在此基础上，进行了半穿甲炮弹对典型舰船侧舷毁伤的数值仿真，获得了半穿甲炮弹起爆位置及着角对舰船侧舷的毁伤特性数据，当着角为0°时，起爆相对位置为0.5时为最佳起爆点;当起爆位置确定时，着角为45°时对侧舷造成的毁伤最严重，可为弹药和引战配合设计提供依据或参考。

　　2)提出了一种造成侧舷结构毁伤产生破口导致舱室进水的判据，建立了半穿甲炮弹作用于舰船目标的终点毁伤效能数学模型，并以某典型舰船目标为例，验证了终点毁伤效能计算模型的可靠性，同时模型还可以用于计算不同装药量、瞄准点等新型舰炮武器的终点毁伤效能，对新型舰炮武器系统综合论证、作战效能进行评估、弹药设计以及舰船防护设计等具有应用或参考价值，为系统作战效能的研究提供一条技术途径。

　　参考文献

　　[1]姜中雷.常规武器打击下舰船结构的稳定性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,20081.

　　[2]RAMAJEYATHILAGAMK,VENDHANP,RAOV.Nonlineartransientdynamicresponseofrectangularplatesundershockloading].InternationalJournalofImpactEngineering2000,24(10):9991015.

　　[3]RAMAJEYATHILAGAMK,VENDHANDeformationandreptureofthinrectangularplatessubjectedtounderwatershock].InternationalJournalofImpactEngineering2004,30(6):699719.

　　作者：王玉，王树山，李文哲，董晓明，舒彬