初始攻角对钻地弹斜侵彻土壤影响的数值模拟

周玉兵，郭锐，周昊，张鹏

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094;2.73862 部队，江西 上饶 334111)

0 前言

钻地弹又称侵彻弹，是一种能够钻入目标深层并引爆的弹药，是针对重要目标实施“外科手术”的重要武器，其对土壤的侵彻问题是军工领域、防护工程领域一个重要的研究课题。

斜侵彻是弹体攻击目标常见的一种运动状态，是最典型的碰撞问题。此过程涉及高温、高压、高速，以及结构内的部分材料的破坏，是冲击动力学研究的难点问题之一。

本文运用ANSYS/LS-DYNA 软件，研究在弹体速度为1 000 m/s，30°斜侵彻土壤时，通过改变初始攻角大小(取初始攻角为5°，8°，12°)，建立侵彻模型，进行数值模拟，总结出初始攻角对钻地弹斜侵彻土壤运动轨迹和规律的影响。

1 建立模型

采用ANSYS 前处理程序建立模型。基本单位取为cm－g－μs，弹体及靶板均采用SOLID164 实体单元。土壤靶体均匀，由于斜侵彻土壤靶板为对称问题，为减少有限元单元划分数量，节约求解时间，利用无反射边界条件建立二分之一模型进行计算。弹体与土壤靶板网格单元均采用Lagrange 算法，用三维实体单元划分网格，在对称面上施加对称边界约束，靶板边界施加固定约束。弹体长度为300 mm，直径为60 mm，内腔壁厚10 mm，壁深200 mm，密度ρ=7.83 ×103 kg/m3，头部形状为卵形(30°，半径为180 mm 两条圆弧相交组成而成)，斜侵彻土壤靶板，土壤靶板尺寸为5 000 mm ×3 000 mm ×90 mm。弹体模型如图1 所示。

图1 弹体模型图

由于计算机求解等条件的限制，取土壤宽度(x向)为5 000 mm，高度(y 向)为3 000 mm，厚度(z 向)为90 mm，且弹体与土壤之间的夹角为30°。侵彻模型如图2。

图2 弹体斜侵彻土壤模型

网格划分如图3。

图3 弹体斜侵彻土壤模型网格划分

2 材料模型参数建立及修改k 文件

本文计算材料模型参数单位制采用cm－g－μs 制。弹体为刚性，所有节点自由度都耦合到刚体质量中心上，材料参数的选择要符合真实性，即材料杨氏模量、泊松比、剪切模量和密度等材料参数要符合实际情况。钻地弹弹体和土壤模型的材料参数如表1 和表2 所示。

表1 弹体模型主要参数

表2 土壤模型主要参数

用UltraEdit 软件程序打开K 文件，将材料模型修改为上述的材料参数，具体如下:

计算结束后，运行LS－ PROPOST 程序查看计算结果，得到弹体的轨迹图、速度加速度等时程曲线，最后进行结果分析。

3 数值模拟及分析

为总结出初始攻角对斜侵彻土壤的运动轨迹和规律的影响，本文取弹体侵彻速度1 000 m/s，弹体侵角30°，三个初始攻角分别为5°，8°，12°通过数值模拟，从各自在土中的运动轨迹、侵彻深度、速度和加速度曲线的比较中得出影响规律。

侵彻轨迹如图4－图6 所示。

图4 初始攻角为5°时弹体侵彻轨迹图

图5 初始攻角为8°时弹体侵彻轨迹图

图6 初始攻角为12°时弹体侵彻轨迹图

由钻地弹在土中的运动轨迹图可以看出，弹体侵入土壤后，土壤质点被弹体排开。土壤的排开主要靠弹头部完成，因此土壤阻力也主要作用在弹头部上。弹体在土壤中的弹道为曲线，说明弹体在侵彻过程中发生了偏航。通过比较，三条弹道都存在不同程度的弯曲，其中初始攻角为12°弹体的侵彻轨迹弯曲程度最大，表明弹体在侵彻过程中弹道偏航角度最大。弹体初始攻角越大侵彻弹道偏转越大，弹体初始攻角越小侵彻弹道偏转越小。

从图7 来看，不同初始攻角时弹体侵彻土壤x 轴方向的深度差别不是很大。但从图8 弹体斜侵彻土壤的y 轴深度比较图来看，弹体侵彻土壤的深度差别比较明显，初始攻角为12°时弹体侵彻深度最小，初始攻角为5°时弹体侵彻深度最大。从而得出，弹体侵彻土壤时初始攻角越小，侵彻的深度越大，弹体的侵彻深度随初始攻角的减小而增大，也就是说，攻角越小，弹体的侵彻深度越大，当攻角为0°时，弹体的侵彻深度可达到最大。因此，在使用钻地弹打击深层地下目标时，尽量使攻角减小，以便获得较大的侵彻深度。

图7 不同攻角的弹体斜侵彻土壤的x 轴深度比较图

图8 不同攻角的弹体斜侵彻土壤的y 轴深度比较图

初始攻角对弹体斜侵彻土壤的运动规律有很大影响，从速度时程比较图9 可以看出，初始攻角为5°的弹体速度减小相对比较慢，而攻角为12°时弹体速度减少相对比较快。从加速度时程比较图10 来看，弹体攻角为12°时，斜侵彻土壤的加速度在500 μs 左右的时候获得最大值，明显比初始攻角为5°和8°的弹体大，初始攻角为8°的弹体在1 000 μs 时获得最大值，其值比初始攻角5°的大，初始攻角5°的加速度最大值最小。在弹体带攻角斜侵彻时，其入射角等于攻角和弹体侵角之和。所以，攻角越大相当于入射角越大，如初始攻角为5°时，相当于弹体的入初始攻角为12°时，相当于弹体的入射角为射角为35°，42°，也就是说，当弹体初始攻角变大时，使得入射角变大。弹头与土壤碰击过程中，入射角大的弹体侵彻土壤时与土壤接触面积大，所受土壤阻力也就越大，因此其加速度也就越大。由于弹体入射方向与弹体运动方向不一致，在继续侵彻过程中，初始攻角大的弹体受到的不对称阻力大于攻角小弹体，从而使得偏航角度逐渐加大，并且随着攻角的增大，弹体轨迹弯曲弧度越大，即弹体在土壤中的弹道越弯曲。

图9 不同初始攻角的弹体斜侵彻土壤的速度时程比较图

图10 不同初始攻角的弹体斜侵彻土壤的加速度时程比较图

4 结论

本文应用ANSYS/LS－DYNA 软件，对钻地弹侵彻土壤的过程进行了数值仿真，研究结果表明:

1)斜侵彻土壤时，弹体运动轨迹都出现了一定程度的弯曲。

2)弹体侵彻土壤时，初始攻角越小弹体偏航越小，侵彻深度越大。

3)初始攻角对钻地弹斜侵彻土壤有很大影响。同一速度下，初始攻角增大时，弹头受到的阻力变大，减加速度变大，弹体速度下降越快，弹体弹道弯曲弧度增大。初始攻角减小时，弹头受到的阻力变小，减加速度变小，弹体速度下降越慢，弹体弹道弯曲弧度减小。

［1］穆军.美军实施“外科手术”的关键武器——钻地弹［J］.现代兵器，1999，5.

［2］张建斌.基于ANSYSILS-DYNA 的弹头侵彻问题分析与研究［D］.西安:西安电子科技大学，2009.

［3］周燕.钻地弹土中弹道影响因素的数值模拟研究［D］.南京:南京理工大学，2009.

［4］时党勇，李裕春，张胜民，等.基于ANSYS/DYNA8.1 进行显示动力分析［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［5］周培毅，李世才，等.钻地弹侵彻混凝土靶的数值分析［D］.北京理工大学学报，2003，4(23):357-361.

［6］尹放林，王明洋，等.弹丸斜入射对侵彻深度的影响［J］.爆炸与冲击，1998，18(1):69-76.