設備構件對射流開孔性能的影響

董桂旭，趙培洪（.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶400000；.海軍士官學校，安徽蚌埠330）

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設備構件對射流開孔性能的影響

董桂旭1，趙培洪2
（1.海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局，重慶400000；2.海軍士官學校，安徽蚌埠233012）

摘要：通過對設備構件的結構布局和射流毀傷特性的詳細分析，得到2種設備構件的模擬結構，并開展了對射流開孔性能影響的試驗。試驗結果表明，采用均勻平板模擬的方式能夠較準確地模擬設備構件對射流的影響。研究結果對破甲彈的設計具有較好的參考意義。

關鍵詞：設備構件；射流毀傷；破甲彈

大多數反裝甲和反硬目標破甲彈的前部，均布設有大量的儀器設備等，有些產品在系統設計時專門設置了供后繼射流通過的通道，但大多數儀器設備還是依靠破甲彈前置裝藥形成的前驅射流進行預毀傷后，利用后繼射流對目標實施侵徹[1]。由于這些儀器設備自身結構及安裝支架組成的設備構件對射流的固有消耗作用，將在一定程度上降低破甲彈對目標的毀傷效果，甚至不能到達預定作戰目的[2]。由于設備構件結構復雜、制造周期長、價格較高，不適于在破甲彈研究過程中的大量試驗使用，因而有必要開展設備構件的模擬結構研究，以簡化結構、降低成本、提高效率。

設備構件對射流消耗的模擬研究，在國內外均很少有報道。李慧卓等采用多層勻質鋁板模擬了設備構件的影響[3]，并開展了仿真計算和試驗觀察，認為射流在通過這些勻質的多層鋁板后將出現分散現象，當侵徹10塊6mm厚的鋁板后，射流能量損失將達到16.7%，速度損失將達到27.5%，仿真計算結果如圖1所示。王振宇開展過聚能裝藥對復雜板殼結構的破壞機理研究，推導了射流穿過薄壁后的剩余速度和長度的計算公式，并開展了射流對2層鋼靶的侵徹仿真計算，對比分析了多層板對射流和爆炸成形彈丸的不同影響效果[4]。

上述研究均未涉及到設備構件的模擬和對射流侵徹能力影響程度的具體研究。本文利用對某設備構件各組成零部件具體結構的測繪結果，進行了結構分析，設計了模擬結構，通過試驗驗證了結構模擬原理可行性和正確性，并對試驗結果進行了計算分析。

1　設備構件的模擬設計

1.1模擬原理

布設在破甲彈前部的設備構件通過消耗射流前部質量、減短射流長度，使得射流對目標的侵徹深度降低。一般情況下，射流頭部速度較高，達到8 km/s以上[5-7]。此時，設備構件的材料強度對射流消耗量的影響可以忽略。由于射流在通過設備構件期間存在速度梯度，因而射流的消耗減短過程適用于準定常理想不可壓縮流體理論[5]。

假設射流的初始速度為v0，射流與設備構件碰撞交界面以速度vt向前運動，滯止點上的壓力P由伯努利方程給出[6-7]：

對于不可壓縮流動，射流密度ρP恒定，積分上式得到：式中，ρt為設備構件材料密度。

對于長為L的各段射流，完成消耗時的時間為可穿透設備構件的厚度H為解得設備構件厚度與消耗的射流長度之間關系為：

可見，射流通過設備構件時的消耗量僅與設備構件厚度以及密度相關。由此，在設備構件的結構模擬中，以射流方向上設備構件的質量分布為基礎進行。

1.2模擬結構設計

經對某設備構件各組成零部件的結構尺寸、零件材質、安裝位置關系，射流前進方向上各構件厚度、橫向尺寸等的詳細分析可知，設備構件橫向尺寸上的質量分布不同將引起射流消耗存在較大差異，因而分別取沿射流前進方向上0.5倍聚能裝藥口徑柱形空間內設備構件的質量分布和0.2倍聚能裝藥口徑柱形空間內設備構件的質量分布進行結構模擬，這2個空間內的零部件代表了該設備構件空間分布的典型結構狀態。確定了設備構件的空間分布后，采用均勻鋁板代替零件材料、通過改變鋁板的厚度進行質量分布模擬，鋁板厚度采用式（6）計算：式（6）中：LAl為鋁板厚度；L0為零件厚度；ρ0為零件材料密度；ρAl為鋁密度。

1）按0.5倍口徑柱形空間的模擬設計結果。設計結果見圖2，迎射流方向共12塊鋁板，厚度及各板之間的間距見表1。

圖2　0.5倍口徑柱形空間的模擬結構Fig.2 Simulation structure of the clindrical space with 0.5 times of caliber

表1　迎射流方向各鋁板厚度和板間距Tab.1 Aluminum plate thickness and space between plates toward the jet flow

2）按0.2倍口徑柱形空間的模擬設計結果。設計結果見圖3，迎射流方向共6塊鋁板，厚度及各板之間的間距見表2。

圖3　0.2倍口徑柱形空間的模擬結構Fig.3 Simulated structure of the clindrical space with 0.2 times of caliber

表2　迎射流方向各鋁板厚度和板間距Tab.2 Aluminum plate thickness and space between plates toward the jet flow

2　試 驗

試驗產品由破甲試驗彈、設備構件、0.5倍口徑柱形空間的模擬構件、0.2倍口徑柱形空間的模擬構件、混凝土后效靶等組成。其中，混凝土后效靶用于觀察經過設備構件、各模擬結構消耗后射流的侵徹深度。試驗彈口徑為?142mm、裝藥高度為139mm、裝藥采用?110mm環形起爆器起爆；藥形罩高度為84.7mm；殼體材料為鋁?；炷梁笮О袠藶殇摻罨炷?，鋼筋配筋率體積比為0.6%。模擬構件采用鋁板焊接制成。試驗彈結構示意圖見圖4。

圖4　試驗彈結構示意圖Fig.4 Structure diagram of test warhead

共進行了5發試驗。其中，1發直接用于侵徹混凝土，1發帶0.5倍口徑模擬構件，2發帶0.2倍口徑模擬構件，1發帶設備構件進行試驗。

3　試驗結果及分析

5發試驗彈對混凝土侵徹深度的實測結果見表3。經仿真計算表明，該破甲彈形成的射流為桿式射流，速度分布見圖5，射流的頭部速度為8 833 m/s、尾部速度為1 995 m/s，沿尾部基本呈線性分布。假設各段射流在侵徹各勻質鋁板時速度恒定[6]，則射流侵徹鋁板時的消耗長度Lj可以采用式（7）計算：

圖5　射流速度分布圖Fig.5 Diagram of jet flow distribution

利用圖5的速度分布情況，根據各段射流侵徹混凝土靶標前的前進距離ΔHi，頭部速度vj0和尾部速度vj，可以計算得到各鋁板所消耗的射流對混凝土靶標的侵徹深度，采用式（8）計算各鋁板消耗的射流對混凝土靶標的侵徹深度P0，即可得到設備構件對射流的侵深損失[8]。計算結果列入表3中。式中：ρc為混凝土密度；ΔHi為各段射流的前進速度。

表3　試驗結果及侵深損失Tab.3 Test result and penetration depth damage

表3中，對各模擬構件，采用模擬原理得到的侵深損失與試驗結果基本一致，驗證了準定常理想不可壓縮流體理論應用于設備構件的模擬研究是可行的。對0.2倍口徑柱形空間進行模擬所得到的模擬結構，對射流的模擬耗損量與設備構件的影響程度一致，最大差異為2.5%左右，這在射流性能消耗程度的允許范圍內。由此可見，對設備構件在0.2倍口徑柱形空間內的質量分布進行模擬設計是可行的，能夠代表設備構件對射流消耗的影響。對0.5倍口徑柱形空間內設備構件的模擬試驗表明，計入橫向質量的范圍越大，集中于射流路徑上的構件質量就越多，導致模擬結構的試驗結果與設備構件相比誤差較大，從而也證明了距離設備構件中心越遠的零部件結構對射流影響越小，直至可以忽略。

4　結論

本文通過對設備構件對高速射流消耗過程的分析，將準定常理想不可壓縮流體理論應用于真實產品的模擬結構設計，并通過對比試驗和分析，得到如下結論：

1）將準定常理想不可壓縮流體理論應用于設備構件對高速射流損耗過程的模擬是可行的；

2）離設備構件中心較遠的零部件對桿式射流影響較小可以忽略，對本文所采用的試驗彈，在0.2倍口徑范圍內的零部件，能夠代表整個設備構件對射流的消耗特征；

3）本文未對偏心布置構件進行試驗分析，對于可否應用相同的模擬原理進行設備構件的模擬設計亟待驗證。

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Influence of Device Instrument to Jet Damage Performance

Influe

Abstrraacctt:: Through detailed analsis on the configuration of device instrument of two and the characteristices of jet damage, tpes of device instrument and conducts the test of the influence of equipment structural parts was obtained and the test of the influence on the jet damage performance was done. Test results showed that uniform plate simulating method could ac?curatelsimulate the influence of device instrument on the jet, and the research results had great reference significance for the design of high eplosive armour-piercing projectile.

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.010

文章編號：1673-1522（2015）02-0143-04

文獻標志碼：A

中圖分類號：TJ413.+2