侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究.pdf

:./.侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究张萌昭 周忠彬 沈 飞西安近代化学研究所(陕西西安)摘 要 为研究着靶姿态对高速侵彻弹装药损伤的影响依据实际战斗部的结构尺寸设计了小尺寸模型试验弹在 口径的滑膛炮发射平台上开展了试验弹以不同攻角斜侵彻单层钢靶试验 通过理论计算得到着靶姿态对侵彻过程能量损失的影响 利用 扫描无损检测技术观测不同着靶姿态下试验弹内部的损伤情况 运用 对试验弹侵彻钢靶过程中装药的力学响应过程进行模拟计算 结果表明:在斜侵彻单层钢靶的过程中着角一定时能量损耗与攻角呈指数关系试验弹的倾角越大装药尾部受到的应力波拉伸压缩反复作用越明显装药在侵彻过程中长度变化越大更易出现深度裂纹、塌边等损伤壳体外形变化会引起装药受到的压缩应力阻碍微裂纹的扩展和滑移减少宏观损伤的出现关键词 爆炸力学固体力学着靶姿态弹体侵彻装药损伤分类号 ().引言侵彻战斗部应用自身动能对目标防御工事进行贯穿战斗部装药引爆对目标形成毁伤 战斗部装药在制备过程中将不可避免产生初始细微缺陷当战斗部侵彻目标靶时在脉冲加载条件下装药的缺陷极易不断扩展成为裂纹形成热点甚至引起提前点火从而影响毁伤效果同时战斗部受到发射条件及目标靶板的限制往往在侵彻过程第 卷 第 期 爆 破 器 材 .年 月 .收稿日期:基金项目:国家安全重大基础研究专项 西安近代化学研究所开放合作创新基金()第一作者:张萌昭()女硕士研究生主要从事装药损伤的研究:.中存在一定攻角、着角使得弹体的受力情况更为复杂对战斗部的装药安定性产生较大影响 因此对不同着靶姿态下装药的损伤情况进行研究具有重要意义目前已有大量学者对侵彻过程中装药的力学响应及损伤机理进行了试验及数值模拟方面的研究 吕鹏博等模拟了不同攻角下含装药缺陷的战斗部的穿甲过程发现穿单层靶情况下攻角越大装药缺陷对安定性的影响越大 刘月胜等对装药弹丸侵彻混凝土靶板的过程进行了数值仿真研究发现入射角越大装药受到的塑性波幅值突变越大而作用时间越短对装药损伤越小 等通过试验对高速弹体以一定攻角侵彻靶板的过程进行研究发现弹体出现弯曲且尾部装药出现宏观裂纹 石啸海等基于内聚力模型对侵彻半无限大混凝土靶板过程进行了数值仿真研究发现装药的头部和尾部分别在压应力和拉应力的作用下产生损伤 侯旷怡等通过数值仿真研究了着靶姿态对战斗部穿甲过程的影响分析了不同着靶姿态下的装药加速度发现与着角相比攻角对装药的过载影响较大 上述研究多基于数值仿真结果易受到本构模型及计算方法的影响而试验只对特定攻角下的装药损伤进行分析并未得到不同着靶姿态下装药的损伤演化规律结果具有一定的局限性难以满足复杂的侵彻条件下的装药损伤研究需求因此需要通过更加贴近真实受力条件下的装药损伤试验方法结合仿真模拟观测装药内部的受力情况得到着靶姿态对装药损伤的影响规律为侵彻战斗部的装药设计及安全使用提供参考本文中将试验弹在相同着角条件下以不同的攻角侵彻金属靶板通过 扫描对比试验前、后惰性模拟药柱的损伤情况结合数值模拟分析装药的受力情况得到着靶姿态对装药损伤的影响规律 侵彻试验.试验弹体及惰性填充物设计试验弹依托于某战斗部结构进行几何缩比结构如图 所示 考虑到超声速侵彻条件下对弹体质量及装填比的要求壳体采用与传统高强度钢相比密度更小、强度更高的 钛合金材料 试验弹主要由壳体组件、惰性填充物、惰性装药和闭气装置组成 战斗部总质量为 弹体总长 长径比为.弹体头部形状系数 为.后盖分为两部分均使用螺纹与弹体连接闭气环与压环 壳体 后盖 闭气环 压环 螺钉图 试验弹结构示意图.使用螺钉与后盖固定、连接保证弹体在炮膛内不漏气、受力均匀、发射顺利 闭气环为尼龙材料 惰性填充物的主要成分为硫酸铵和钝感剂成型密度为./将模拟装药与应用较为广泛的含铝炸药的单轴压缩曲线进行对比如图 所示 图 单轴压缩曲线的对比.对比含铝炸药和模拟装药的应力应变曲线可以看出:在相同的外力条件下模拟装药的静态力学响应与真实含铝炸药相近且由于模拟装药的最大抗压强度、最大抗拉强度均低于真实炸药故模拟装药的损伤区域包含了真实炸药的损伤区域为防护结构的设计和优化提供可靠参考依据模拟装药与含铝炸药的拉压力学性能参数对比如表 所示 表 中:为材料密度为最大准静态抗拉强度为最大准静态抗压强度 为材料弹性模量 为材料泊松比 由表 可以看出模拟装药的力学性能与真实炸药性能接近表 某含铝炸药与模拟装药的力学性能参数.材料/()/某含铝炸药.模拟装药.差异/.模拟装药与含铝炸药两种材料在不同应变率下的强度随压力的增加基本呈线性增长关系且斜率 爆 破 器 材 第 卷第 期几乎保持不变可以通过仿真模型规定应变率增强因子描述材料在不同应变率下的强度 因此在研究中使用模拟装药可以反映真实装药的损伤变化情况 战斗部内腔共由 节惰性药柱填充 其中两节药柱形状为圆柱形头部药柱主体为圆台形底部为圆柱形如图 所示 母线与试验弹壳体匹配头部及尾部均留有 间隙装药与壳体间隙为 装配接触面及间隙填充有成型硅橡胶保证药柱与药柱、药柱与壳体之间紧密接触避免填充物在壳体内振荡 图 药柱图.试验前装药无肉眼可见缺陷药柱周围填充成型硅橡胶 装药后对试验弹进行 图像(数字化 射线成像)及 图像检验结果如图 所示图 试验前的装药 图与 图.试验布局金属靶板尺寸为 靶板倾斜 靶板底部嵌入支架下部卡槽支架底部用沙土固定保证穿靶过程靶板倾斜角度及侵彻距离保持不变 采用 口径的滑膛炮对试验弹体进行发射 火炮布设于靶板正前方约 处 高速摄影放置在靶板侧面记录试验弹侵彻靶板的动态过程 在靶前 处设置标杆用以测量试验弹入靶速度 试验弹穿透靶板后落入松软土壤 对试验弹回收进行 扫描以观测装药损伤情况 靶标摆放如图 所示 图 靶场示意图.试验结果.弹体的侵彻能力假设弹体位于入射平面内攻角为弹体速度矢量在水平面上的投影与弹体轴线方向的夹角着角为弹体速度矢量与靶板法线之间的夹角倾角为弹体轴线与靶板法线之间的夹角 当速度的投影沿顺时针方向旋转最小角度后与弹体轴线方向重合时定义攻角、着角、倾角为正反之则为负如图 所示 图 战斗部侵彻靶板示意图.共发射了 发试验弹 发试验弹的侵彻状态如表 所示表 试验弹侵彻情况.试验弹侵彻速度/()着角/()攻角/()倾角/()出靶速度/()靶孔直径/.个试验弹均成功侵彻钢靶并完整回收 图 给出高速摄影记录下 试验弹的侵彻过程 可以看到试验弹以较为平稳的角度穿过靶板与金属靶板接触时出现大量火花穿过靶板后继续飞行至松软土堆中 金属靶板弹孔近似为椭圆形靶孔直径略大于试验弹外径靶板主要损伤模式为花瓣形 年 月 侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究 张萌昭等 开裂如图 所示图 试验弹入靶过程高速摄影.图 试验弹侵彻靶标后的破坏结果.装药损伤情况试验弹侵彻金属靶板后的装药损伤情况如图 所示 从 图像可以看到与侵彻前相比试验弹药柱间间隙与头部硅橡胶厚度减小药柱整体前移 头部截面装药与壳体间隙减小且出现少量孔隙与头部相比中部装药产生的孔隙更多且集中于装药一侧装药与硅橡胶之间出现细微间隙尾部装药出现两条径向细小裂纹由边缘向内扩展装药与硅橡胶之间的裂纹宽度增加硅橡胶出现裂纹损伤集中于药柱一侧 图 试验弹试验后的 图与 图.试验弹损伤情况如图 所示 由图 可知试验弹头部的硅橡胶厚度也有所减小药柱之 图 试验弹试验后的 图与 图.间缝隙更加不明显尾部出现缝隙 且药柱一侧出现明显损伤损伤范围沿弹体轴向由底部向头部逐渐缩小损伤区域约占整个药柱长度的/观察 图像发现头部药柱无明显损伤 中部药柱出现深度裂纹和塌边现象主裂纹向内延伸并分裂出多条细小裂纹主裂纹呈现圆弧形走向药柱外部硅橡胶断裂药柱与壳体之间出现较大间隙 尾部药柱损伤最严重损伤区域更大裂纹分布范围更广且裂纹条数明显增加主裂纹宽度增加塌边现象更加明显硅橡胶断裂出现残渣药柱与壳体之间出现约 的缝隙 试验弹攻角为 损伤情况如图 所示从 图像上看到弹体变形严重钛合金外壳出现裂纹壳体部分断裂并嵌入药柱药柱随外壳的变形产生较大变形但无明显损伤头部药柱与壳体之间的硅橡胶厚度减小药柱前移且出现椭圆形变形损伤以孔隙为主同时在一侧出现局部轻微损 图 试验弹试验后的 图与 图.爆 破 器 材 第 卷第 期伤 中部药柱变形较头部小药柱内部出现孔隙硅橡胶断裂且与药柱之间出现缝隙 尾部药柱变形最小孔隙较大且分布较为集中硅橡胶出现多条裂纹药柱与硅橡胶之间仍紧密结合 从回收试验弹的 扫描截面可以看出随着攻角的增加壳体的损伤变形程度增大而装药的损伤程度与倾角正相关 和 试验弹倾角较小(、)装药基本保持完整损伤以孔隙为主装药与壳体之间硅橡胶出现部分断裂 当倾角较大()时装药出现明显损伤且越靠近底部损伤越严重装药与壳体之间硅橡胶断裂区域较大损伤分布有明显不均匀现象 分析与讨论.能量分析斜撞击的初始进入阶段十分复杂由于非对称作用力不经过弹体质心存在一定时间的动量矩作用 在动量矩的作用下弹体沿质心近似按照螺旋线旋转侵入过程中弹体与靶板的接触面积不断变化使得弹体在侵彻过程中受力的方向及大小不断改变如图 所示 图 中 为弹体侵彻过程中非对称作用力的作用点 为过质心 的动量矩为横向合阻力 为弹体侵彻速度 为入射角为偏转角 ()弹体偏转 ()弹体力矩图 弹体的侵彻过程.基于正侵彻理论和动量守恒思想对卵形弹体斜撞击过程中的偏转现象进行了理论分析 图()中当斜侵彻的入射角为 时弹体穿过靶板的偏转角为 所以穿过靶板后弹体的倾斜角为()设弹体质量为 初始速度为 开始时的动量为 方向与入射角相同因此弹体用于剪切冲塞或韧性扩孔的有效撞击速度为 得到卵形弹体贯穿靶板后的有效剩余速度 为:()()式中:表示弹道极限速度表示弹道极限速度时对应的最大偏转角 图 中 表示通过弹孔周围的剪切面传给靶板的总冲量弹体穿透靶板后的动量为 图 侵彻过程物理量关联图.根据能量守恒原理在侵彻过程中在偏转角 方向上弹体的动量变化 为靶板在该方向上的冲量因此有 ()得到角度偏转与弹体初始撞击角度的关系为 ()()式中:(/)为常数结合式()得到侵彻过程中能量损耗 与初始入射角 之间的关系为()()()()从式()可以看出当初始撞击角度越大时弹体在侵彻过程中损耗的能量越多弹体侵彻过程中装药受到的冲击压缩能量越大更易产生损伤 在已知弹丸结构及弹道参数时可采用德马尔公式计算得到不同入射角下穿透给定厚度靶板所需的弹道极限速度:.()式中:为弹丸直径 为靶板厚度 为考虑装甲机械性能和弹丸结构影响的修正系数结合相似弹型的试验结果取 当攻角和着角同时存在时需考虑攻角沿弹体垂直方向的速度分量带来的角速度 由于侵彻薄靶时间极短忽略弹体侵彻过程中的速度变化 得到的角度偏转关系为 ()()式中:为弹体质心到头部的距离 为靶板厚度 年 月 侵彻单层靶时着靶姿态对装药损伤的影响规律研究 张萌昭等 弹道极限速度为.().()将速度进行分解计算得到攻角、着角同时作用下的能量损耗为()()()随着攻角、着角的增加弹体在侵彻过程中损失的动能也在不断增加 损失的动能一部分被装药吸收转化为弹性势能当弹体出靶后装药产生回弹效应受到拉伸作用力而产生裂纹 因此攻角、着角越大装药越容易产生损伤.仿真分析对于试验过程中装药的受力情况需要通过数值模拟进一步分析 利用 软件进行 试验弹 种工况下的数值模拟研究 考虑计算的对称性采用/模型提高计算效率靶板定义对称面和无反射边界壳体与钢靶之间为侵蚀接触 壳体及靶板均采用 模型 装药则使用 模型反映动态力学变化该模型引入初始屈服面、极限强度面、残余强度面等 个失效面能较真实地通过损伤度的计算反映材料的损伤情况 主要材料参数见表 表 壳体及装药主要材料参数.材料/()/钛合金.靶板.装药.使用仿真模型计算得到弹体的出靶角度、出靶速度 与试验结果对比如表 所示表 仿真与试验结果对比.参数试验弹仿真结果试验结果出靶速度/()出靶角度/()对比发现仿真计算得到的出靶速度及出靶姿态与试验结果十分接近而弹体速度和姿态与弹体在侵彻过程中的受力密切相关因此仿真模型可靠 装药受到应力波作用承受动态应力而产生不同损伤参考装药中应力的传播特性对把握不同