低碳金属板对带攻角侵彻弹体的动态响应仿真分析

DOI: 10. 13340/j. cae. 2019. 02. 013低碳金属板对带攻角侵彻弹体的

动态响应仿真分析张昆1,罗刚2,谢伟2(1.海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室，上海201913；2.中国舰船研究设计中心，武汉4300)摘要：为提高水面舰船结构抗半穿甲弹侵彻防护设计水平，采用LS-DYNA仿真分析45钢TayCr

杆撞击效应，并与试验结果进行对比分析,验证仿真分析方法的正确性-仿真分析圆柱形弹体斜侵 彻和带攻角侵彻低碳金属靶板，认为弹体斜侵彻低碳金属板时的侵彻能力比带攻角侵彻时的侵彻

能力差，且随着斜侵彻角度增加，弹体侵彻能力急剧下降-研究结果为水面舰船结构抗半穿甲弹侵

彻设计提供思路，改变弹体姿态比改变弹体的攻角更有效。关键词：低碳金属板；半穿甲弹；侵彻；攻角；动态响应；弹体姿态中图分类号：0385； TG113.2 文献标志码：BSimulation analysis on dynamic response of penetration

projectile with attack angls agaicsS low car-on metal platrZHANG Kun1, LUO Gang2, XT Wei2(1. Navel MiCtaa Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard! Group) Co. , Lth. , Shanghai 201913, China；2. Ch2na Sh2p Deveeopmentand Desgn Centee, Wuhan 4300, Ch2na)Abstract: Ta improve the protection design level of the sumgcy warship stmcturo afainst the penetration of semi-armar-piercmg projectile, the impact 1X0 of 45-steel Taylar bar is analyzed by LS-DYNA. The co/ectness of the simulation analysis method is veafied by comping of the simulation results with the

test results. The penetrations of cylindacal projectile against Cw carbon metal taael plate with Itituda

angle and with Tack angle are simulated. The results show that penetration ability of oblique penetration

against Cw carbon metal taael plate is worse than that with Tack angle. With the increase of oblique penetration angle, the penetration ability of projectile decreases shTDly. The analysis results provide an iCea far the anti semi-armar-piercing projectile penetration design far surface warship stmctum, which c

more elective and iasibC by changing the projectile Tituda instead of the attack angle.Key words: Cw carbon metal plate; semi-armar-pbrcing projectile; penetration ； Tack angle; dynamic response ； projectile attitude收稿日期：2018-10-26 修回日期：2018-10-30基金项目：重大基础研究计划（613305）作者简介：张昆（1991 — ），男，安徽机阳人，助理工程师，研究方向为船舶与海洋工程，（E-mT）274212856@qq.ym 通信作者：罗刚（1986—），男，湖北武汉人，工程师，博士，研究方向为船舶结构力学，（E-mail） luoganywhut@ 126. com

coe@ shmta. eda. cn & smacae@ 163. comhtp :zC/w/w. cyinacce. cn计算机辅助工程20190引言半穿甲弹(如反舰导弹)是水面舰船最大的威

!f 二(；1 + ；2exp ( ；3 ** ))( 1 + ；4ln !* ) X(1 +；5?* )

舰船 爆炸，从(3)式中：；1〜；5为材料参数,；1 =0. 10，； =0. 76，

胁，其 过侵彻舰船

。

而实现对舰船 类型武器 御主要有；3 二 1 • 57，；4 二 0. 005，；5 = - 0. 84。1.2J2种 %(1)

;(2)提高

穿甲弹远离 舱室降低其穿甲舱室 爆 穿甲 、值计

ANSYS ， 材料为 45。其,钢，形状为直径25 mm、长 100 mm的圆 ，采 用1 mm X 1 mm X 1 mm的SOLIE1单元划分网

低半穿甲 者 理论、

，各国学面开

研格;被撞击钢板为100 mm X 100 mm X 20mm的刚

。01-1熊 ⑹研 同 状半穿甲战斗部侵彻 侵彻

，提出 同装甲 选定不同

状

；陈小伟等07-1 平 I穿透金属靶板模式，并 此给出穿甲的理论模型。于水面舰船 设计而言，降低 穿甲弹穿甲能2种 ：

侵彻 者 弹攻角。到底哪种 ，是至关

［的问题。，本文采用LS-DYNA对陈刚等091的试验

，

正确性;然后，仿真圆 刚 侵彻 攻角侵彻某船用低碳金属材料靶板后

，以此评估2种侵彻 侵彻 影响;最后,提出水面舰船穿甲弹侵彻

设计思想。1 圆柱形45钢Tayler杆撞击靶板

试验仿真验证1.1J材料模型参数与文献09 ］完全一致，45钢的本

采用 Johnson-Cook ，即* = (*y+,!；)( Win !)(1-( ??o))

( 1)式中:*为动态

；*为静态 ；!p为塑；!为

；!为考 ， 取为1 s'1 ；,)为应变强化系数，取，f 320 MPa， )二0. ； C为应变率强化因数，取C f 0. 28 ；

1-( ?— )为温度软化项，取*二1.06 om

recO失 取Johnson-Cook失效准则，即:;为损

，；)0 0，11， 1时材料失效；#!p为一个时间步的塑性应变增量;!f为当前时

步

状态、应变率和当前温度下 。!f的计 为h^tp ://www. chinacae. cn体，采用2 mm X 2 mm X 2 mm的SOLID 1单元划o Taylc杆撞击钢 意见图1 o图1 TyVc杆撞击钢板有限元模型示意1.3初始撞击速度为保 计

致性，Taylcs杆采用与文献0 91

同

］，见表1。表1 Taylei•杆撞击速度序号1234567]/ ( m/s )112052172272903191.4仿真计算结果对比分析45钢Taylcs杆以217 m/s的初

钢板，计算得

Taylcs杆 图见图2，文［91a)侧视图b)

图图2 Tayler杆塑性应变云图cae@ shmtu. edu. cn ； smucae@ 163. com2张昆，等:低碳金属板对带攻角侵彻弹体的动态响应仿真分析65

试验结果见图3，可见两者基本一致。板尺寸为200 mm X 200 mm X 10 mm,网格单元采用

2 mm X 2 mm X 2 mm的SOLIC1单元;弹体圆柱体

直径为20 mm,长为100 mm，

采用2 mm X2 mm X 2 mm的SOLIC1单元，弹体视为刚体,密

度p=7.85 mg/mm3，弹性模量C =210 GPa,泊松比 a)侧视图 b)顶部视图图3文献#9]试验结果图直径25 mm的Taylcs杆以217 m/s的速度撞击 钢板后，顶出现墩粗，直

38.2 mm。 得到Taylcs杆直径D

历程见图4, 计 果果一致。40 r图4 Tayles杆直径变化历程采用上述方法，分别计算表1所有初始撞击速

下Taylcs杆 终墩粗直径，计算结果与文 献[9 ]

果的对比见表2o表2 TtOw杆最终墩粗直径对比序号撞击速度 最终直径最终直径

](m/s )试验值/mm仿真值/mm1132.131.42132.131.8320535.535.3421738.138.2522738.238.4629047.7.4731950.650.3仿真计算得到的墩粗直径与试验值吻合很好, 文采用的仿真计算方法合理

。2 船用低碳金属材料靶板侵彻响应

分析2.1有限元模型介绍靶板材料采用45钢,材料参数同第1.1节，靶cae@ shmta. edu. cn ； smucae@ 163. com”二0.33。圆

靶 见图5。图5圆柱弹体和靶板有限元模型2.2计算工况讨论2种侵彻

侵彻 影响，从而舰船抗穿甲 设计提供技术 ，因此

研究侵彻 攻 侵彻靶 影响。取合初

为450 m/s,计 工况见表3。表3弹体侵彻船用低碳金属材料计算工况工况序号斜侵彻角度/(°)带攻角侵彻角度/(°)10

02-11002-22002-33003-10103-20203-30

30斜侵彻角度,即令弹体速度方向与靶板法线相

同， 靶 ；带攻侵彻角，即

向

同，向 靶

。侵彻

意见图6。靶板

靶板a)斜侵彻

b)带攻角侵彻图6斜侵彻和带攻角侵彻角度示意2.3不同工况下弹体侵彻靶板仿真分析工况1为 正向侵彻船用低碳金属材料靶 板，其

图见图7, 曲线见图8ohtp ://www. chinacae. cn66计算机辅助工程20196.884E-016.195E-01 丫15.507E-014.818E-01 - 4.130E-01- - 3.442E-01 2.753E-01 2.065E-01 - - - 1.377E-01-J6.884E-02 j 图7弹体正侵彻靶板的塑性应变云图440—BS400 360320剩余速度28Oo1.01.5

2.0t/s图8正侵彻靶板的弹体速度曲线采用同样的计 ，计得到各工况下弹体，见4。表4各工况下弹体剩余速度工况序号剩余速度/ ( m/s )1294.02-1185.02-2110.02-3-40.73-1283.03-2261.03-3215.0侵彻时，随着侵彻 断 ，弹体下降明显，特别

侵彻攻 达到30。时， 被金属靶

，未能穿过靶

板，此时弹体侵彻靶板的最终塑性应变云图见图9, 弹体的速度曲线见图10 o■ 8.329E-011■■ 7.496E-01I6.663E-01-1^5.830E-01-bW 4.997E-01-■ 4.1E-01-3.332E-01-J■1■ 2.499E-01-1.666E-01-18.329E-02-I图9弹体30。斜侵彻靶板的塑性应变云图攻角侵彻时，攻 于侵彻 。随着攻 断 ，

断下降，但下h^tp ://www. chinacae. cn，

终侵彻靶板的塑性应变云图见图11，弹曲线见图12 o图11弹体带30。攻角侵彻靶板的塑性应变云图450「2°°0

0.5 1.0 1.5 2.0t/s图12弹体带30。攻角侵彻靶板的速度曲线2.4 2种侵彻模式对比分析侵彻时，随着侵彻

， 靶面 显 ， 致 侵彻 下 原因;带攻侵彻时，随着攻

， 侵彻靶 面 ， 致 侵彻 下原因。随着侵彻 ， 侵彻能断下降，但侵彻侵彻

侵彻下 影 明显高于带攻角侵彻时攻角增影 。上

: 侵彻船用低碳钢金属靶 ，随着侵彻

，

侵彻 断下降； 侵彻过

， 靶面积明显 ， 侵彻靶 低;与正向侵彻相比， 攻侵彻靶 ， 靶面 ， 因 此随着攻 断

侵彻 断下降； 攻角侵彻相比，弹体侵彻时侵彻

低。3 结论(1 )本文采用LS-DYNA仿真分析45钢Taylcscae@ shmtu. edu. cn ； smucae@ 163. com2张昆，等:低碳金属板对带攻角侵彻弹体的动态响应仿真分析67杆撞击钢板试验，仿真结果与试验值吻合，证明本文 容易实现又更加有效。采用LS-DYNA仿真分析弹体侵彻船用低碳钢 的侵彻过程，数值计算结果表明斜侵彻时弹体的侵

采用的仿真方法合理可行’(2) 对于斜侵彻与带攻角侵彻2种工况，斜侵 彻时弹体的侵彻能力更低。彻能力比带攻角侵彻时更低，改变弹体侵彻角度能 够有效实现对弹体的高效防护，该结论对水面舰船

(3) 对于水面舰船防弹体侵彻设计，应着力改

变弹体的侵彻角度而不是改变弹体的攻角,这样既

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(编辑 武晓英％关于举办第15届中国CAE工程分析技术年会暨 首届中国数字仿真联盟论坛的邀请函(第二轮)作为实现重大工程和工业产品设计分析、模拟仿真与优化的核心技术,CAE是支持科学家、工程师进行

理论研究、创新设计最重要的工具和手段之一。当前，新一轮科技和产业变革与我国加快转变经济发展 方式形成历史性交汇，国际产业分工格局正在重塑，随着《中国制造2025》的实施，对虚拟仿真技术的发展和

依赖更加迫切，越来越多的企业将仿真体系作为创新平台规划的重要内容之一。中国CAE工程分析技术年会(简称中国CAE年会)创办于2005年，被业界誉为仿真技术领域的“奥斯

卡”盛会。基于14年的办会资源，组委会于2018年底在北京成立中国数字仿真联盟，作为中国CAE年会未 来的运营平台。经研究决定，第15届中国CAE工程分析技术年会将于2019年8月17—18日在中国上海

举行。2019年是中国CAE年会创办15周年,组委会将举行盛大庆祝活动，特致此函，诚挚邀请您的参与-联系人:邹晓平联系电话.19910328160邮箱 :zouxping@ sh-cattc. oa； xiaoping. zou@ szfzlc. camcee@ shmta. eda. cn & smacae@ 163. comhte :/T/w/w. cyinacce. cn