摘要：以新型大口徑艦炮武器系統綜合論證和作戰效能評估為背景，研究大口徑半穿甲炮彈對典型小型艦船目標的毀傷效能評估問題。對典型艦船進行目標特性分析，設計了兩種典型船體靶板毀傷試驗及數值仿真，明確了靶板破壞形態和破口直徑，并由此驗證了數值仿真模型及材料參數的準確性。在此基礎上進行實尺度半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷的數值仿真，得到了半穿甲炮彈起爆位置及著角對艦船側舷的毀傷特性數據。進而提出了炮彈炸點位置與側舷結構毀傷后艙室進水情況的判據，建立了半穿甲炮彈作用于艦船目標的終點毀傷效能數學模型。以典型中小型艦船為實例進行了計算，結果表明提出的數學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艦船目標的毀傷效能，當炮彈著角為45°、起爆相對位置為0.5時對艦船結構毀傷效果最好，解決了大口徑半穿甲炮彈對典型中小型艦船目標毀傷效能評估的技術關鍵，可為新型艦炮武器系統綜合論證和作戰效能評估提供一定技術支撐。

　　關鍵詞：毀傷評估;半穿甲炮彈;艦船;側舷;AUTODYN軟件

　　大口徑艦炮主要用于對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。目前對一種大口徑半穿甲炮彈提出了新的需求，是在侵徹過程中或穿透以后很短的距離內爆炸的炮彈，主要用來打擊小型艦船(護衛艦及以下級別)側舷結構，造成側舷破口進水，進而影響艦船的生命力。因此為了對這種新型艦炮武器的選取類型及作戰性能進行綜合論證，需要對艦炮的終點毀傷情況進行研究，綜合考核艦炮武器的毀傷能力。

　　工程技術評職知識： 高級電氣工程師評審材料

　　二戰時期艦船結構毀傷實例表明，艦船側舷或其他部位產生局部破壞，致使艦船整體強度減弱造成艙室進水，是艦船毀傷的主要模式[1]。艦船結構可以認為是由若干板架連接而成，因此在研究艦船結構毀傷時，研究人員通常簡化為研究艦船板架的毀傷情況。Ramajeyathilagam[23]采用試驗和數值仿真方法開展了側舷板架在爆炸載荷作用下毀傷情況的研究，進行了不同爆距、不同裝藥量下矩形板的破壞情況。

　　周姝[4]應用LSDYNA數值仿真軟件分別就炸藥當量為50kg，150kg和240kg作用下艦船板架破損情況進行比較分析。吳震等[5]采用試驗方法研究破片和沖擊波對艦船板架的耦合毀傷效應，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數值仿真軟件研究在藥包水下近場和接觸爆炸兩種情況下艦船側舷的毀傷特性。趙倩等[7]開展了含鋁炸藥水中爆炸能量輸出規律和艦船目標響應情況的數值仿真研究，得出近場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引信，它在多少穿深爆炸對艦船艙室破壞效果最好，不同彈藥的起爆點應該有一定的差異[8]。焦立啟等[9]利用LSDYNA軟件研究半穿甲反艦戰斗部艙內爆炸對固支單向加筋板的毀傷作用進行數值仿真計算，得到艦船加筋板在沖擊載荷作用下變形破壞特點及規律。杜志鵬等[10]進行了實尺度艙室內爆試驗，認為當在艙室內爆、爆距小于0.25倍板架寬時，板架受到局部高壓載荷作用并產生花瓣破口;孔祥韶[11]在進行縮比艙室內爆試驗時發現，當彈藥爆炸的位置和艙室壁的距離較近時，從艙壁破口處會有較明顯的爆炸流出現象。

　　因此，對于裝藥量相對魚雷、導彈等來說較小的炮彈，為達到較佳毀傷效果，爆點位置距離艦船側舷的距離還需具體分析。目前對于艦船的毀傷研究多以試驗和數值仿真為主，筆者研究大口徑半穿甲炮彈對典型小型艦船目標的毀傷效能評估問題，進行了典型船體靶板毀傷試驗及數值仿真，驗證了數值仿真模型及材料參數的可靠性，在此基礎上利用AUTODYN數值仿真軟件進行半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷數值仿真，并建立了毀傷效能數學模型，為新型艦炮武器系統綜合論證和作戰效能評估提供技術支撐，為艦船防護設計提供理論基礎。

　　1典型艦船目標特性分析

　　1.1目標結構分析

　　典型小型艦船結構按照艙室類型主要可以劃分為：電子武備艙室、生活保障艙室、機電設備艙室和其他艙室等，同時各類艙室是由各種功能類似的艙室所組成。

　　1.2毀傷等級與毀傷準則判據

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

　　艦船除了受到航行時的外力作用外，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[13]認為當艦船的損壞狀態為三艙連破情況時將逐漸沉沒。對于一些中小型艦船，文獻[14]認為當艦船的破口尺寸達到6~7m時就可以導致艦船在短時間內沉沒。一般情況下，水線處多為生活保障艙室，該類艙室長度約為2~3m，即2~3個連續艙室產生無法修復的破口，就足以使中小型艦船沉沒。因此根據艦船結構損壞造成艦船毀傷的研究進展[1214]，將艦船由艙室損壞造成的毀傷劃分為三個毀傷等級。

　　1.3典型側舷結構特性分析

　　目前中小型艦船的側舷結構通常為縱骨架式，為減少縱骨尺寸提高船體強度，縱骨架式舷側結構會采用強肋骨作為橫向型材[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鋼的材質為10CrNi3MoV，其屈服強度為590~745MPa，同時艦船側舷外鋼板作為艦船要求較高的關鍵要害構件，其厚度往往選取在12~16mm范圍內[12]，由于生活保障艙室的防護相對薄弱，因此選取厚度為12mm的側舷外鋼板作為研究對象。

　　根據典型側舷結構可知，由于縱骨和強肋骨的存在，當半穿甲炮彈對艦船側舷進行侵徹時，若侵徹位置不同，側舷的動態響應也會不同，同時彈藥不同的著角、侵徹深度對側舷結構的破壞程度均會有較大的差異。在研究半穿甲炮彈對側舷侵徹作用后戰斗部爆炸對側舷毀傷特性時，側舷被侵徹后的破壞狀態是研究側舷受到爆炸作用后響應情況的初始狀態，因此為了保證研究的初始條件具有一致性，對典型中小型艦船側舷結構進行簡化等效。

　　2船體靶板毀傷試驗與數值仿真驗模

　　2.1典型船體靶板毀傷試驗

　　利用Φ50mm×85mm的帶殼裝藥及典型船體靶板進行毀傷試驗，其中炸藥為8701，裝藥量為190g，在結構為1m×1m×8mm的921A船體靶板中心預留一個直徑略大于帶殼裝藥直徑50mm的孔，設計兩種工況分別為：靶板固定在支架上并保持水平，將帶殼裝藥嵌入到靶板預制破口中，使帶殼裝藥沿軸線方向與地面垂直，保持帶殼裝藥軸線中心與靶板預制破口平齊并固牢試驗場地;將帶殼裝藥放置在靶板預制破口上方，使帶殼裝藥沿軸線方向與地面垂直，保持帶殼裝藥底蓋與靶板預制破口平齊并固定牢固。

　　2.2典型船體靶板毀傷數值仿真

　　2.2.1數值仿真模型

　　在AUTODYN軟件中建立與毀傷試驗中應用的結構尺寸完全相同的船體靶板和帶殼裝藥的數值仿真模型。為簡化計算，建立1/4模型結構，并賦予和試驗完全相同的材料模型，采用Velocity類型邊界條件從而實現靶板的固定，帶殼裝藥沿軸線方向垂直放置在靶板預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的空氣域，空氣域設置FLOWOUT邊界條件，實現在仿真軟件中還原試驗現場環境，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半穿甲炮彈對側舷毀傷的數值仿真

　　為得到半穿甲炮彈對艦船側舷的毀傷特性數據，采用驗證后的典型船體靶板數值仿真模型及參數，進行半穿甲炮彈對典型小型艦船側舷毀傷的數值仿真研究。

　　3.1計算方案

　　半穿甲炮彈直徑155mm，裝藥質量12kg，裝藥為8701高能炸藥，末端速度300m/s，采用延時引信起爆。綜合考慮側舷破口尺寸誤差和仿真計算時間，利用Truegrid軟件建立幾何模型，建立的艦船側舷仿真模型結構網格尺寸為2.5mm。設計的數值仿真工況分別為：當戰斗部垂直打擊時，起爆點至側舷的距離為1/4彈長處即=0.25(為彈長)，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艦船側舷結構的關聯特性外，以半穿甲炮彈的起爆點距側舷1/2彈長處時=0.5)起爆為例，在相同的數值仿真環境條件下，開展著角(彈道線與側舷平面法線的夾角)對艦船側舷毀傷的關聯特性研究，主要研究當著角為0°、15°、30°和45°時半穿甲炮彈對艦船側舷的破壞情況。

　　4 結論

　　筆者采用理論分析、試驗及數值仿真相結合的方法，研究半穿甲炮彈對艦船目標的毀傷效能，取得的主要研究成果如下：

　　1)對比典型船體靶板毀傷試驗及數值仿真結果中靶板的破壞形態及破口直徑，驗證了靶板數值仿真模型及參數的準確性。在此基礎上，進行了半穿甲炮彈對典型艦船側舷毀傷的數值仿真，獲得了半穿甲炮彈起爆位置及著角對艦船側舷的毀傷特性數據，當著角為0°時，起爆相對位置為0.5時為最佳起爆點;當起爆位置確定時，著角為45°時對側舷造成的毀傷最嚴重，可為彈藥和引戰配合設計提供依據或參考。

　　2)提出了一種造成側舷結構毀傷產生破口導致艙室進水的判據，建立了半穿甲炮彈作用于艦船目標的終點毀傷效能數學模型，并以某典型艦船目標為例，驗證了終點毀傷效能計算模型的可靠性，同時模型還可以用于計算不同裝藥量、瞄準點等新型艦炮武器的終點毀傷效能，對新型艦炮武器系統綜合論證、作戰效能進行評估、彈藥設計以及艦船防護設計等具有應用或參考價值，為系統作戰效能的研究提供一條技術途徑。

　　參考文獻

　　[1]姜中雷.常規武器打擊下艦船結構的穩定性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,20081.

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

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

　　作者：王玉，王樹山，李文哲，董曉明，舒彬