不讲武德？坦克VS反坦克雷 ，LS-Dyna仿真一场公开审判
- 作者优秀
- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：云上CAE，是一名仿真秀平jun工领域的优质内容创作者。在仿真秀平台分享了多套Autodyn和LS-Dyna精品课，包括软件操作，理论讲解和行业应用实操，深受用户好评。本文来自云上CAE撰稿，算例仿真模型、材料模型及部分参数选皆由他科研经验得出，毫无工程依据，仅供参考，切勿作为项目用途。 下是正文：自古以来自然界一直秉承相生相克，作为混元形意太极门创始人的马保国老师，即使闪电鞭再快，遇到不讲武德的年轻人，也只能大意了，没有闪。陆战之王的坦克同样如此，所谓木秀于林，风必摧之，坦克同样也是树敌最多的陆战武器，甚至有的坦克制造厂依然研发反坦克武器，反坦克成了各国陆军的重要技能。对于坦克和反坦克雷这对相生相克的欢喜冤家，一旦遇到，便是一场巅峰对决，那么谁才是这场战役的赢家，是久负盛名的陆战之王？抑或是神龙见首不见尾的反坦克雷？今天笔者借助三维仿真软件LS-Dyna来一场公平的审判吧。首先，让我们认识一下坦克，现代陆上作战的主要武器，具有直射火力、越野能力和装甲防护力的履带式装甲战斗车辆，是陆地武器中其重要性唯一高于轮式装甲车的存在，主要执行与对方坦克或其他装甲车辆作战，也可以压制、消灭反坦克武器、摧毁工事、歼灭敌方陆上力量，可以说是当之无愧的陆战之王。通常坦克一般装备数挺防空(高射)或同轴(并列)机枪和一门中或大口径火炮(有些现代坦克的火炮甚至可以发射反坦克/防空导弹)，是凭以火力进行作战的经典体现。坦克大多使用旋转式炮塔，但亦少数使用固定式主炮。坦克主要由武器系统、瞄准系统、动力系统、通信系统、装甲式车体等系统组成。虽然坦克在发展，但坦克自身的发展速度实在是追不上反坦克武器的发展速度，而且坦克会陷入防护性和越野能力不能兼得的二悖论难题中。但是，自然界事物的发展本身就是相生相克，曲折前进。坦克只有研发出新型轻质量防护材料来改良装甲，才能在未来变幻莫测的战场获得生存空间。说完坦克，不得不提到作为陆战之王的头号敌人——反坦克地雷。地雷在最近的几次战争中扮演了非常重要的角色,对地面目标造成了巨大的毁伤。经统计，在最近的几次战争中，大约有26000辆车毁伤于地雷。比如：
- 第二次世界大战中,同盟国军队在整个战争中20% 的坦克丧生于地雷；8% 的人员是被地雷摧毁或者伤害的。
- 朝鲜战争中,美军70% 的坦克和20% 的人员毁伤于地雷；
- 越南战争中,美国70% 的装甲车辆及坦克毁伤于地雷；
- 在索马里战争中,60% 的美国装甲车辆、军人丧生或伤于地雷。
- 尽管在伊拉克和阿富汗战争中没有具体的数据显示地雷造成的毁伤状况,但是初步估计约28% 车辆的毁伤是由地雷造成的
上述数据显示了地雷在现代战争中扮演了重要的地位。由此可见,地雷已经成为反地面目标车辆、坦克、人员的一种必不可少的弹药。
下面简单介绍几种笔者调研到的国内外反坦克雷的参数：该雷利用自锻式破片装药，药型罩材料为钢质，采用触杆式兼压发式点火系统，两系统均可采用UTMRP-6引信。Mine于1935年投产，是第三帝国防御战略的关键部分。直到1945年停止生产时，德国一共生产了193多万枚S型跳雷。这些地雷对同盟国士兵造成了严重的人员伤亡。不夸张的来说，由于德军优秀的布雷技术，从而在整个战争期间减缓了同盟国进攻德国本土的速度。其设计最可怕的在于它的主装药有大约360颗钢珠，短铁棒，或者碎金属块,杀伤范围极大。全重：1 kg
主装药:0.6kg tnt
- 威力：当引信被击发的时候,推进剂将地雷弹射至0.9至1.5米高的空中，这些将变为**并以致命的速度向四周水平射出，这些钢珠在20米内致命，在100米内可造成伤亡，杀伤基本无死角。
二十世纪八十年代研制定型的用于装填GBL212型火箭布雷弹布设反坦克地雷场，击穿坦克车底、杀伤乘员、破坏内部设备，以阻止或迟滞其机动。
图4 我军GLD220型反坦克地雷
主要用于人工布设反坦克地雷场，可炸断中型坦克履带或炸穿车底，以阻止或迟滞其机动。采用全保险型磁－震动复合电子引信，可靠性较高。全重：5.1kg
外形尺寸：230×110mm
- 威力：能够炸断坦克履带、破坏坦克行动部分；能击穿坦克车底，杀伤乘员，破坏内部设备。
以上介绍的只是笔者搜集来的部分资料，可供大家参考。目前沿用反坦克雷装药主要分为两种，一种是聚能装药，一种是爆炸成型弹丸（简称EFP）。目前主流多采用非出发式引信，如磁、震动-磁、声-磁等。对于聚能装药，利用炸药高速爆轰压垮药型罩形成金属射流和杵体，由于本身的特点，存在最适炸高，炸高直接影响了破甲的性能。对于采用大锥角装药、球缺形药型罩及双曲线型药型罩，在爆轰波作用下罩被压垮、翻转、闭合形成高速体，形成爆炸成型弹丸（EFP）,也称为自锻破片，这是目前被世界众多国家所认可的新型反坦克战斗部技术。表1 成型装药三种侵彻参数
对于大名鼎鼎的非线性显式动力学软件LS-Dyna，这里不作介绍，想必关注仿真圈的朋友应该都知道。下面请出A、B两位选手：姓名：xxx主战坦克坦克
体重：37500Kg
身高：长 9.22m x 宽3.27m x高2.4m
技能：最大速度50公里/小时，最大行程500公里，携带武器为带热保护套的105毫米线膛炮，配用穿甲弹、破甲弹、碎甲弹。
防御：以装甲防护为主。
姓名：xxx反坦克地雷
体重：8Kg(全重)，装药5Kg,装药类型为TNT/黑索金（各50%）
压发力：180-400kg
笔者根据上文所述，对装甲坦克和反坦克雷装药进行了简化，模拟了地面装甲坦克，在触发反坦克雷引信后的情况，采用LS-Dyna联合Hypermesh进行仿真建模，具体流程如下：显然，作为CAE数值模拟，这样的几何模型特征太多，是无法拿来直接划分网格做离散化分析的，必须进行简化，简化并划分网格如下： 本次难度在于几何特征的简化，倒角，小孔及细节的去除，需要十分有耐心才可以，到此网格前处理的工作就算基本完成了，接下来就是导入LS-prepost进行关键字定义材料属性、设置失效、无反射边界、定义控制卡片（本文章不展示具体操作，如有需要，可以联系笔者）具体如下图： 
图 7 LS-prepost定义关键字、加载边界条件等对于反坦克雷，采用裸装药，采用*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEMOETRY关键字，对模型采用空气、沙土和tnt填充，装药埋于沙子下面，可模拟tnt爆炸后沙土隆起。后期可考虑加入预制破片或者采用成型装药，本次算例仅供娱乐参考，切勿当真。至此，算列操作已经基本完成，下图为算列的全模型，隐去空气域，至此可提交求解器进行仿真计算了。
图 8 坦克装药全模型
图10 坦克底部装甲冲击波压力云图
从云图上可以看出，爆轰波超压呈球形传播，在球心处超压值最大，可见中心处装甲材料有被侵蚀，但此种破坏程度对坦克并未造成太大伤害，接下来需要提取底部装甲板上部元素的超压，以此来参考对坦克装甲内部人员的损伤，从论文中查阅的得出：正压作用时间时0.3ms时，肺的临界创伤状态的超压值为900Kpa.致命率的创伤状态超压值为1%，超压值为2500Kpa；致命的率创伤状态为10%，超压值为2900Kpa；致命的率创伤状态为50%，超压值为36000Kpa。图 11 坦克舱内某处超压值/Mbar
从上可以得出如果坦克内部不加缓冲吸能情况下，舱内超压峰值为2x Kpa，显然大于上文值。得出结论:在不加内部防护的情况下，反坦克雷装药爆炸后对舱内人员有致死的风险。PS:本算例未考虑坦克内部吸能缓冲材料，实际中舱内超压应该会小很多。接下来提取坦克在爆轰作用下，对载荷的响应位移，过大的位移损害车内电器通讯及驾驶设备的可靠性，因为时间关系，本算例并没有完全计算下去，具体如下： 
图 11 坦克在爆轰载荷下的垂直位移
计算并为完全，但考虑简化坦克模型后，没有额外引入配重，实际坦克重量应该大于本算例所模拟的，且位移应该会稳定在毫米量级，因此，得出一个不太严谨的结论：爆轰对坦克的载荷作用不会使得坦克产生较大位移，对车内电器稳定性影响不大。基于以上评判，裁判权衡许久，认为：虽然反坦克雷选手对坦克选手的结构并未造成太大伤害，但在本模型算例下，坦克舱内的冲击破超压，超出人体安全范围内，对人体有生命威胁，由此判定反坦克雷选手获胜。注意：以上算例仿真模型、材料模型及部分参数选皆有本人科研经验得出，毫无工程依据，仅供参考，切勿作为项目用途。感兴趣的朋友可以点击本文附件击文下载坦克cad模型和网格cae模型（k文件需联系仿真小助手获得）。
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