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Command Control and Simulation

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2024 , Vol. 46 >Issue 1: 100 - 105

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2024.01.013

Modeling & Simulation & Evaluation

Numerical simulation research of penetration on warship target plate by naval gun semi-armor-piercing ammunition

  • WANG Qiushi ,
  • CAI Zilei ,
  • LIU Junhao ,
  • SHI Rui ,
  • ZHANG Wenyi
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  • System Engineering Research Institute, Beijing 100094, China

Received date: 2023-03-21

  Revised date: 2023-05-05

  Online published: 2024-02-21

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Abstract

The penetration ability on warship target by naval gun semi-armor-piercing ammunition is analyzed. LS-DYNA finite element software is used to simulate the ricochet, attacking main deck and ship board by Oto Melara 127 mm and 76 mm naval gun ammunition. It is concluded that the critical ricochet angle of 127 mm and 76 mm ammunition is 9.5°and 29°when striking on 15 mm E36 plate in 300 m/s. Both ammunitions are able to penetrate several layers attacking from main deck and ship board. When attacking warships, it is considerable to delay initiation time properly, so the ammunition can enter central cabin for improving damage effect.

Key words： penetration; semi-armor-piercing ammunition; numerical simulation

Cite this article

WANG Qiushi , CAI Zilei , LIU Junhao , SHI Rui , ZHANG Wenyi . Numerical simulation research of penetration on warship target plate by naval gun semi-armor-piercing ammunition[J]. Command Control and Simulation, 2024 , 46(1) : 100 -105 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2024.01.013

半穿甲弹是舰炮武器系统打击舰船目标的主用弹种,该类弹药首先通过弹体动能击穿舰船的结构材料,使后级战斗部可以进入舱室内并在其内部起爆,通过爆炸冲击波和高速破片对舰船内部的结构、设备以及人员造成杀伤[1]。
目前国内对半穿甲弹侵彻仿真与实验开展了一定研究。苗润等[2]分析了22.5 kg 半穿甲战斗部对带有复合装甲舱室的毁伤效果;熊飞等[3]数值模拟分析了着角与攻角对 3种不同头部形状半穿甲战斗部剩余动能与弹体偏转的影响;朱东俊等[4]分析了穿甲弹对靶板结构的毁伤机理及弹体碰撞冲击作用下靶板结构的损伤模式和动响应特性;焦志刚等[5]分析某型半穿甲战斗部在侵彻过程中的弹体强度和装药安定性,模拟半穿甲弹斜侵彻不同厚度的靶板过程,得到了壳体应力曲线和装药压力曲线;周平等[6]进行了不同弹速、靶厚、攻角等条件下柱形弹侵彻低碳钢靶板的仿真,利用仿真数据,对THOR方程进行了修正,提出了相应公式; 朱建方等[7-8]仿真分析了倾角与攻角对半穿甲战斗部侵彻性能的影响;李忠星等[9]对半穿甲子弹正侵彻中厚钢板进行了数值仿真。通过对子弹侵彻能力和壳体结构强度的计算分析,得出了子弹的适宜速度范围;段卓平等[10]设计了半穿甲战斗部实验弹,对加筋靶和均质靶进行垂直侵彻实验,得到终点弹道参数与毁伤破坏模型;陈利等[11]从经验公式、理论分析和数值模拟角度探讨了半穿甲战斗部的侵彻深度计算方法。
本文采用LS-DYNA有限元软件对舰炮半穿甲弹对舰船靶板侵彻过程进行数值模拟分析,以美军127mm与76mm舰炮弹药为对象,仿真分析了两种弹的临界跳弹角度,探究了打击舰船目标情况下半穿甲弹侵彻甲板和侧舷靶板后的剩余速度,计算了半穿甲弹侵彻典型舰船靶板层数,总结了半穿甲弹对舰船靶板的侵彻极限能力与规律。

1 有限元模型

计算基本假设为,弹丸与靶板均为连续介质,侵彻过程为绝热过程,不考虑重力作用。
计算模型使用Lagrange网格,3D164六面体单元,弹靶接触采用*COMTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE算法,单位制为cm-g-μs。

1.1 半穿甲弹材料模型

查阅公开资料[12],美海军MK-45舰炮采用奥托·梅拉127 mm弹药,弹丸质量31.7 kg,直径127 mm,长度约665 mm;MK-75舰炮采用奥托·梅拉76 mm弹药,弹丸质量6.35 kg,直径76mm,长度约380 mm。两者弹体材料性能未知,采用国内常用高强度合金钢30CrMnSiA来模拟近似。30CrMnSiA采用Johnson-Cook本构模型,部分参数参考文献[13],本构模型参数如表1。
表1 30CrMnSiA材料Johnson-Cook本构模型参数[13]

Tab.1 Johnson-Cook Model Parameter of 30CrMnSiA

弹性常数与密度 屈服应力和应变硬化参数
E/GPa Pr ρ/(kg/m3) A/MPa B/MPa n C m
200 0.33 7 850 525 101 0.081 0.173 9 1.635
断裂应变常数
D1 D2 D3 D4 D5
0.070 5 1.732 -0.54 -0.012 3 0

1.2 舰船靶板材料模型

美军船用钢材料特性与E36船用钢相近。E36是国内常用的典型低温高强度结构钢,广泛应用于舰船平台。该材料也采用Johnson-Cook本构模型,参数如表2[14]。设定舰船典型舱室长宽高尺寸为4 m*2 m*2.5 m,甲板厚度15 mm,侧舷12 mm,内部舱壁6 mm。甲板水平,侧舷与竖直面呈10°夹角。
表2 E36材料Johnson-Cook本构模型参数[14]

Tab.2 Johnson-Cook Model Parameter of E36

弹性常数与密度 屈服应力和应变硬化参数
E/GPa Pr ρ/(kg/m3) A/MPa B/MPa n C m
200 0.33 7 850 355 623.8 1.202 0.027 1.27
断裂应变常数
D1 D2 D3 D4 D5
0.3 0.9 2.8 0.005 0

1.3 空气材料模型

空气采用理想气体模型,采用NULL本构模型,密度为1.29 kg/m3,比内能2 MJ/kg,气体多方指数1.4。

2 临界跳弹仿真研究

由于跳弹是一个复杂的物理过程,受侵彻角度、弹体靶板材料、攻角等多因素影响,一般采用有限元仿真研究跳弹过程,跳弹仿真采用模型参数如上文所述。

2.1 仿真模型

炮弹不同速度对应的与水平面夹角也各不相同,设定300 m/s、400 m/s、500 m/s三个速度,经过计算,弹丸轴线与水平面夹角大致为5°、10°、30°。为方便叙述,设127 mm弹药为I号,76 mm弹药为II号,编号I-300-5代表127 mm弹300 m/s与水平夹角5°。通过仿真,两种弹是否跳弹结果如表3。
表3 仿真跳弹结果表

Tab.3 Simulation Ricochet Result

编号 是否跳弹 编号 是否跳弹
I-500-5 是 II-500-5 是
I-400-10 否 II-400-10 是
I-300-30 否 II-300-30 否
I-500-5的跳弹过程如图1所示。上层为甲板,竖直板和下层为舱壁。
图1 I-500-5不同时刻侵彻图

Fig.1 I-500-5 penetration diagram

2.2 跳弹角分析

通过分析I号弹在10°附近跳弹,II号弹在30°附近跳弹,以0.5°为变化,仿真获得临界跳弹角,I号弹为9.5°,II号弹为29°。两者的仿真图如图2、图3所示。
图2 I-400-9.5不同时刻侵彻图

Fig.2 I-400-9.5 penetration diagram

图3 II-300-29不同时刻侵彻图

Fig.3 II-300-29 penetration diagram

对比图2和图3,I号弹基本没有变形,II号弹头部向上翘起。如图2c),I号弹头部先翘起,弹尾部仍具有向下速度,随后弹体在靶板中运动,使靶板产生大的撕裂,弹尾部向下速度逐渐降为零,随后速度向上,到图2d)飞离靶板。II号弹与I号弹类似,但由于质量较小,靶板只产生凹陷大变形且未撕裂。

3 模拟半穿甲弹打击甲板的侵彻能力数值计算

对未跳弹算例分析半穿甲弹打击甲板的侵彻能力,通过LS-PREPOST观察I-300-30穿两层靶板的Von Mises应力,如图4所示。
图4 I-300-30穿两层靶板不同时刻应力云图

Fig.4 I-300-30 von mises stress diagram for piercing 2 layers

弹在穿透甲板时,在弹头处产生2.33 GPa最大应力,再穿透底层舱壁时应力最大值为2.17 GPa。弹侵彻中穿过竖直舱壁的情况如图5所示,弹头在接触三个靶板的最大应力分别为2.30 GPa、2.07 GPa、1.62 GPa。穿透第一层最大应力不同的可能原因是入射位置不同,竖直板对甲板支撑作用差异导致应力不同。
图5 I-300-30穿透三层靶板不同时刻应力云图

Fig.5 I-300-30 von mises stress diagram for piercing 3 layers

分析两个算例的弹剩余速度,穿两层后速度从300 m/s变成273.86 m/s,穿三层变成266.75 m/s。弹剩余速度如图6所示。
图6 I-300-30穿两层和三层靶板的弹速度曲线

Fig.6 I-300-30 velocity curve for piercing 2 and 3 layers

分析可知,穿两层靶后I号弹丸头部有轻微损伤,质量几乎没有变化,弹轴线角度从入射的30°变为43°,穿三层靶后I号弹丸角度变为48°。
参考文献[5]采用的THOR公式,用仿真计算剩余速度校核公式系数,经计算,若只穿横板,I-300-30可以穿透1层15 mm+6层6 mmE36板,考虑竖直板,可以穿透1层15 mm+4层6 mm竖板+4层6 mm横板。
同理分析II号弹侵彻过程,II-300-30只穿横板最大应力为1.87 GPa、1.15 GPa,弹头部有部分侵蚀,质量减少约6%,剩余速度为96.7 m/s,弹轴线角度变成83°,可以穿透1层15 mm+2层6 mmE36板;穿三层最大应力为1.76GPa、1.03 GPa、0.64 GPa,弹剩余速度为31.5 m/s,弹轴线角度变成113°,可以穿透1层15 mm+1层6 mm竖板+1层6 mm横板。
综上所述,从甲板攻击条件下,I号弹具备穿透多层舱室的能力,考虑舱室内部有设备人员,至少也能穿透两层舱室;舱室无设备人员条件下,II号弹只能穿透一层舱室,实际情况中II号弹侵彻能力只能穿过甲板。

4 模拟半穿甲弹打击侧舷的侵彻能力数值计算

I-300-30打击侧舷仿真如图7所示。弹穿透后,弹质量损失可以忽略,弹轴线角度和运动方向也基本未产生变化。穿透三层靶板弹体剩余速度分别为291.3 m/s、287.6 m/s和284.2 m/s。II号弹打击侧舷情况与I号弹相似,其穿透三层靶板弹体剩余速度分别为276.4 m/s、270.1 m/s和265.0 m/s。I-300-30和II-300-30穿透侧舷+2层舱壁的速度曲线如图8所示。
图7 I-300-30打击侧舷不同时刻侵彻图

Fig.7 I-300-30 penetration diagram for piercing ship board

图8 I-300-30和II-300-30打击侧舷弹速度曲线

Fig.8 I-300-30 and II-300-30 velocity curve for piercing ship board

采用THOR公式计算两弹极限侵彻能力, I-300-30可以穿透1层12 mm+10层6 mmE36板,II-300-30可以穿透1层12 mm+6层6 mmE36板。400-10和500-5条件下侵彻层数更多,考虑舱室内设备人员,从侧舷打击I号弹至少能穿透4层舱室,II号弹能穿透2层舱室。
综上所述,从侧舷攻击条件下,两种弹均具备穿透两层以上舱室的能力。

5 结束语

本文研究了舰炮半穿甲弹对舰船靶板侵彻过程,通过临界跳弹、打击甲板和侧舷靶板的仿真获得了半穿甲弹对舰船靶板侵彻模型,分析两种弹的侵彻能力,得到如下结论:
1)以300 m/s速度打击15 mmE36钢板条件下,I号弹的临界跳角为9.5°,II号弹为29°。
2)从甲板攻击条件下,I号弹可以穿透1层15 mm+6层6 mmE36板;II号弹1层15 mm+2层6 mmE36板。
3)从侧舷攻击条件下,I号弹可以穿透1层12 mm+10层6 mmE36板;II号弹1层15 mm+6层6 mmE36板。
相同条件下,I号弹侵彻能力优于II号弹,且两种弹均具备穿透多层舰船靶板的能力。一般而言,舰船重要的舱室位于中心位置,舰炮弹药攻击舰船目标时,若希望提高目标重要部件毁伤概率,可考虑适当增加舰炮弹药延迟起爆时间,在其进入内部重要舱室时引爆,提高对船体的毁伤效果。

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