摘要：以新型大口徑艦炮武器系統(tǒng)綜合論證和作戰(zhàn)效能評(píng)估為背景，研究大口徑半穿甲炮彈對(duì)典型小型艦船目標(biāo)的毀傷效能評(píng)估問(wèn)題。對(duì)典型艦船進(jìn)行目標(biāo)特性分析，設(shè)計(jì)了兩種典型船體靶板毀傷試驗(yàn)及數(shù)值仿真，明確了靶板破壞形態(tài)和破口直徑，并由此驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型及材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)尺度半穿甲炮彈對(duì)典型艦船側(cè)舷毀傷的數(shù)值仿真，得到了半穿甲炮彈起爆位置及著角對(duì)艦船側(cè)舷的毀傷特性數(shù)據(jù)。進(jìn)而提出了炮彈炸點(diǎn)位置與側(cè)舷結(jié)構(gòu)毀傷后艙室進(jìn)水情況的判據(jù)，建立了半穿甲炮彈作用于艦船目標(biāo)的終點(diǎn)毀傷效能數(shù)學(xué)模型。以典型中小型艦船為實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明提出的數(shù)學(xué)模型可用于分析半穿甲炮彈命中精度、起爆位置和著角等對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效能，當(dāng)炮彈著角為45°、起爆相對(duì)位置為0.5時(shí)對(duì)艦船結(jié)構(gòu)毀傷效果最好，解決了大口徑半穿甲炮彈對(duì)典型中小型艦船目標(biāo)毀傷效能評(píng)估的技術(shù)關(guān)鍵，可為新型艦炮武器系統(tǒng)綜合論證和作戰(zhàn)效能評(píng)估提供一定技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞：毀傷評(píng)估;半穿甲炮彈;艦船;側(cè)舷;AUTODYN軟件

　　大口徑艦炮主要用于對(duì)岸火力支援和艦與艦之間的火力打擊。隨著信息化彈藥的發(fā)展，艦炮武器命中精度逐漸提升，且大口徑艦炮的射程、彈藥威力得到了增強(qiáng)。目前對(duì)一種大口徑半穿甲炮彈提出了新的需求，是在侵徹過(guò)程中或穿透以后很短的距離內(nèi)爆炸的炮彈，主要用來(lái)打擊小型艦船(護(hù)衛(wèi)艦及以下級(jí)別)側(cè)舷結(jié)構(gòu)，造成側(cè)舷破口進(jìn)水，進(jìn)而影響艦船的生命力。因此為了對(duì)這種新型艦炮武器的選取類(lèi)型及作戰(zhàn)性能進(jìn)行綜合論證，需要對(duì)艦炮的終點(diǎn)毀傷情況進(jìn)行研究，綜合考核艦炮武器的毀傷能力。

　　工程技術(shù)評(píng)職知識(shí)： 高級(jí)電氣工程師評(píng)審材料

　　二戰(zhàn)時(shí)期艦船結(jié)構(gòu)毀傷實(shí)例表明，艦船側(cè)舷或其他部位產(chǎn)生局部破壞，致使艦船整體強(qiáng)度減弱造成艙室進(jìn)水，是艦船毀傷的主要模式[1]。艦船結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是由若干板架連接而成，因此在研究艦船結(jié)構(gòu)毀傷時(shí)，研究人員通常簡(jiǎn)化為研究艦船板架的毀傷情況。Ramajeyathilagam[23]采用試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法開(kāi)展了側(cè)舷板架在爆炸載荷作用下毀傷情況的研究，進(jìn)行了不同爆距、不同裝藥量下矩形板的破壞情況。

　　周姝[4]應(yīng)用LSDYNA數(shù)值仿真軟件分別就炸藥當(dāng)量為50kg，150kg和240kg作用下艦船板架破損情況進(jìn)行比較分析。吳震等[5]采用試驗(yàn)方法研究破片和沖擊波對(duì)艦船板架的耦合毀傷效應(yīng)，得出光板在破片和沖擊波共同作用下破壞模式主要有花瓣彎曲和拉伸斷裂兩種。李櫻等[6]利用LSDYNA數(shù)值仿真軟件研究在藥包水下近場(chǎng)和接觸爆炸兩種情況下艦船側(cè)舷的毀傷特性。趙倩等[7]開(kāi)展了含鋁炸藥水中爆炸能量輸出規(guī)律和艦船目標(biāo)響應(yīng)情況的數(shù)值仿真研究，得出近場(chǎng)沖擊波能是艦船毀傷的主要原因。

　　半穿甲彈所裝的引信為延時(shí)引信，它在多少穿深爆炸對(duì)艦船艙室破壞效果最好，不同彈藥的起爆點(diǎn)應(yīng)該有一定的差異[8]。焦立啟等[9]利用LSDYNA軟件研究半穿甲反艦戰(zhàn)斗部艙內(nèi)爆炸對(duì)固支單向加筋板的毀傷作用進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到艦船加筋板在沖擊載荷作用下變形破壞特點(diǎn)及規(guī)律。杜志鵬等[10]進(jìn)行了實(shí)尺度艙室內(nèi)爆試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)在艙室內(nèi)爆、爆距小于0.25倍板架寬時(shí)，板架受到局部高壓載荷作用并產(chǎn)生花瓣破口;孔祥韶[11]在進(jìn)行縮比艙室內(nèi)爆試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈藥爆炸的位置和艙室壁的距離較近時(shí)，從艙壁破口處會(huì)有較明顯的爆炸流出現(xiàn)象。

　　因此，對(duì)于裝藥量相對(duì)魚(yú)雷、導(dǎo)彈等來(lái)說(shuō)較小的炮彈，為達(dá)到較佳毀傷效果，爆點(diǎn)位置距離艦船側(cè)舷的距離還需具體分析。目前對(duì)于艦船的毀傷研究多以試驗(yàn)和數(shù)值仿真為主，筆者研究大口徑半穿甲炮彈對(duì)典型小型艦船目標(biāo)的毀傷效能評(píng)估問(wèn)題，進(jìn)行了典型船體靶板毀傷試驗(yàn)及數(shù)值仿真，驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型及材料參數(shù)的可靠性，在此基礎(chǔ)上利用AUTODYN數(shù)值仿真軟件進(jìn)行半穿甲炮彈對(duì)典型艦船側(cè)舷毀傷數(shù)值仿真，并建立了毀傷效能數(shù)學(xué)模型，為新型艦炮武器系統(tǒng)綜合論證和作戰(zhàn)效能評(píng)估提供技術(shù)支撐，為艦船防護(hù)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

　　1典型艦船目標(biāo)特性分析

　　1.1目標(biāo)結(jié)構(gòu)分析

　　典型小型艦船結(jié)構(gòu)按照艙室類(lèi)型主要可以劃分為：電子武備艙室、生活保障艙室、機(jī)電設(shè)備艙室和其他艙室等，同時(shí)各類(lèi)艙室是由各種功能類(lèi)似的艙室所組成。

　　1.2毀傷等級(jí)與毀傷準(zhǔn)則判據(jù)

　　艦船在外力的作用下致使艙室破損進(jìn)水后，仍能保持穩(wěn)定、漂浮的能力稱(chēng)為不沉性。目前關(guān)于艦船不沉性有如下說(shuō)法：將艦船分為幾艙制，一艙制艦船即滿(mǎn)足艦船在某一個(gè)艙室進(jìn)水后仍能保持不沉;二艙制艦船即相鄰兩個(gè)艙室進(jìn)水后仍能保持艦船的安全性;三艙制艦船即在相鄰三個(gè)艙進(jìn)水后仍能滿(mǎn)足不沉性。

　　艦船除了受到航行時(shí)的外力作用外，還可能遭到敵方武器的打擊，被破壞的幾率較大，因此艦船的不沉性要求較高[12]，文獻(xiàn)[13]認(rèn)為當(dāng)艦船的損壞狀態(tài)為三艙連破情況時(shí)將逐漸沉沒(méi)。對(duì)于一些中小型艦船，文獻(xiàn)[14]認(rèn)為當(dāng)艦船的破口尺寸達(dá)到6~7m時(shí)就可以導(dǎo)致艦船在短時(shí)間內(nèi)沉沒(méi)。一般情況下，水線(xiàn)處多為生活保障艙室，該類(lèi)艙室長(zhǎng)度約為2~3m，即2~3個(gè)連續(xù)艙室產(chǎn)生無(wú)法修復(fù)的破口，就足以使中小型艦船沉沒(méi)。因此根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)損壞造成艦船毀傷的研究進(jìn)展[1214]，將艦船由艙室損壞造成的毀傷劃分為三個(gè)毀傷等級(jí)。

　　1.3典型側(cè)舷結(jié)構(gòu)特性分析

　　目前中小型艦船的側(cè)舷結(jié)構(gòu)通常為縱骨架式，為減少縱骨尺寸提高船體強(qiáng)度，縱骨架式舷側(cè)結(jié)構(gòu)會(huì)采用強(qiáng)肋骨作為橫向型材[15]，船體的主要制造材料有鋼、鋁合金和玻璃鋼等[16]，其中常用的中小型艦船船體材料為921A鋼，921A鋼的材質(zhì)為10CrNi3MoV，其屈服強(qiáng)度為590~745MPa，同時(shí)艦船側(cè)舷外鋼板作為艦船要求較高的關(guān)鍵要害構(gòu)件，其厚度往往選取在12~16mm范圍內(nèi)[12]，由于生活保障艙室的防護(hù)相對(duì)薄弱，因此選取厚度為12mm的側(cè)舷外鋼板作為研究對(duì)象。

　　根據(jù)典型側(cè)舷結(jié)構(gòu)可知，由于縱骨和強(qiáng)肋骨的存在，當(dāng)半穿甲炮彈對(duì)艦船側(cè)舷進(jìn)行侵徹時(shí)，若侵徹位置不同，側(cè)舷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)不同，同時(shí)彈藥不同的著角、侵徹深度對(duì)側(cè)舷結(jié)構(gòu)的破壞程度均會(huì)有較大的差異。在研究半穿甲炮彈對(duì)側(cè)舷侵徹作用后戰(zhàn)斗部爆炸對(duì)側(cè)舷毀傷特性時(shí)，側(cè)舷被侵徹后的破壞狀態(tài)是研究側(cè)舷受到爆炸作用后響應(yīng)情況的初始狀態(tài)，因此為了保證研究的初始條件具有一致性，對(duì)典型中小型艦船側(cè)舷結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化等效。

　　2船體靶板毀傷試驗(yàn)與數(shù)值仿真驗(yàn)?zāi)?/p>

　　2.1典型船體靶板毀傷試驗(yàn)

　　利用Φ50mm×85mm的帶殼裝藥及典型船體靶板進(jìn)行毀傷試驗(yàn)，其中炸藥為8701，裝藥量為190g，在結(jié)構(gòu)為1m×1m×8mm的921A船體靶板中心預(yù)留一個(gè)直徑略大于帶殼裝藥直徑50mm的孔，設(shè)計(jì)兩種工況分別為：靶板固定在支架上并保持水平，將帶殼裝藥嵌入到靶板預(yù)制破口中，使帶殼裝藥沿軸線(xiàn)方向與地面垂直，保持帶殼裝藥軸線(xiàn)中心與靶板預(yù)制破口平齊并固牢試驗(yàn)場(chǎng)地;將帶殼裝藥放置在靶板預(yù)制破口上方，使帶殼裝藥沿軸線(xiàn)方向與地面垂直，保持帶殼裝藥底蓋與靶板預(yù)制破口平齊并固定牢固。

　　2.2典型船體靶板毀傷數(shù)值仿真

　　2.2.1數(shù)值仿真模型

　　在AUTODYN軟件中建立與毀傷試驗(yàn)中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的船體靶板和帶殼裝藥的數(shù)值仿真模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立1/4模型結(jié)構(gòu)，并賦予和試驗(yàn)完全相同的材料模型，采用Velocity類(lèi)型邊界條件從而實(shí)現(xiàn)靶板的固定，帶殼裝藥沿軸線(xiàn)方向垂直放置在靶板預(yù)留破口處的上方和中心，建立包含帶殼裝藥與部分靶板在內(nèi)的空氣域，空氣域設(shè)置FLOWOUT邊界條件，實(shí)現(xiàn)在仿真軟件中還原試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，靶板和帶殼裝藥殼體采用拉格朗日算法，空氣和炸藥采用歐拉算法，采用流固耦合算法保證拉格朗日單元和歐拉單元能夠相互作用。

　　3半穿甲炮彈對(duì)側(cè)舷毀傷的數(shù)值仿真

　　為得到半穿甲炮彈對(duì)艦船側(cè)舷的毀傷特性數(shù)據(jù)，采用驗(yàn)證后的典型船體靶板數(shù)值仿真模型及參數(shù)，進(jìn)行半穿甲炮彈對(duì)典型小型艦船側(cè)舷毀傷的數(shù)值仿真研究。

　　3.1計(jì)算方案

　　半穿甲炮彈直徑155mm，裝藥質(zhì)量12kg，裝藥為8701高能炸藥，末端速度300m/s，采用延時(shí)引信起爆。綜合考慮側(cè)舷破口尺寸誤差和仿真計(jì)算時(shí)間，利用Truegrid軟件建立幾何模型，建立的艦船側(cè)舷仿真模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為2.5mm。設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真工況分別為：當(dāng)戰(zhàn)斗部垂直打擊時(shí)，起爆點(diǎn)至側(cè)舷的距離為1/4彈長(zhǎng)處即=0.25(為彈長(zhǎng))，除此之外還有=0.5、0.75、1、1.5、2共種;除了研究起爆位置對(duì)艦船側(cè)舷結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性外，以半穿甲炮彈的起爆點(diǎn)距側(cè)舷1/2彈長(zhǎng)處時(shí)=0.5)起爆為例，在相同的數(shù)值仿真環(huán)境條件下，開(kāi)展著角(彈道線(xiàn)與側(cè)舷平面法線(xiàn)的夾角)對(duì)艦船側(cè)舷毀傷的關(guān)聯(lián)特性研究，主要研究當(dāng)著角為0°、15°、30°和45°時(shí)半穿甲炮彈對(duì)艦船側(cè)舷的破壞情況。

　　4 結(jié)論

　　筆者采用理論分析、試驗(yàn)及數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，研究半穿甲炮彈對(duì)艦船目標(biāo)的毀傷效能，取得的主要研究成果如下：

　　1)對(duì)比典型船體靶板毀傷試驗(yàn)及數(shù)值仿真結(jié)果中靶板的破壞形態(tài)及破口直徑，驗(yàn)證了靶板數(shù)值仿真模型及參數(shù)的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了半穿甲炮彈對(duì)典型艦船側(cè)舷毀傷的數(shù)值仿真，獲得了半穿甲炮彈起爆位置及著角對(duì)艦船側(cè)舷的毀傷特性數(shù)據(jù)，當(dāng)著角為0°時(shí)，起爆相對(duì)位置為0.5時(shí)為最佳起爆點(diǎn);當(dāng)起爆位置確定時(shí)，著角為45°時(shí)對(duì)側(cè)舷造成的毀傷最嚴(yán)重，可為彈藥和引戰(zhàn)配合設(shè)計(jì)提供依據(jù)或參考。

　　2)提出了一種造成側(cè)舷結(jié)構(gòu)毀傷產(chǎn)生破口導(dǎo)致艙室進(jìn)水的判據(jù)，建立了半穿甲炮彈作用于艦船目標(biāo)的終點(diǎn)毀傷效能數(shù)學(xué)模型，并以某典型艦船目標(biāo)為例，驗(yàn)證了終點(diǎn)毀傷效能計(jì)算模型的可靠性，同時(shí)模型還可以用于計(jì)算不同裝藥量、瞄準(zhǔn)點(diǎn)等新型艦炮武器的終點(diǎn)毀傷效能，對(duì)新型艦炮武器系統(tǒng)綜合論證、作戰(zhàn)效能進(jìn)行評(píng)估、彈藥設(shè)計(jì)以及艦船防護(hù)設(shè)計(jì)等具有應(yīng)用或參考價(jià)值，為系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的研究提供一條技術(shù)途徑。

　　參考文獻(xiàn)

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　　作者：王玉，王樹(shù)山，李文哲，董曉明，舒彬