基于Tate簡化侵徹模型的率相關相似律研究

段士偉, 李 平

(1 安徽工業大學機械工程學院, 安徽馬鞍山 243032; 2 安徽工業大學管理科學與工程學院, 安徽馬鞍山 243032)

0 引言

彈體對防護材料的侵徹問題一直是武器研發和工程防護研究部門所關注的重點。由于靶體規模較大或材料較昂貴,用小尺寸模型進行抗侵徹規律研究就成為比較常用的實驗方法。因此對于抗侵徹規律的相似律研究具有比較重要的學術意義和工程價值,國內外許多學者在這方面曾開展過大量研究[1]。文中基于李永池等在流體動力比擬的基礎上提出的修正Tate簡化侵徹模型[2](如圖1所示),對考慮彈體和靶板應變率效應時的相似律問題進行了模擬計算,得到了修正的幾何相似律公式。

圖1中面積為A0的面A0A0左側為彈體無變形部分,此區域長l;面積為A1的面A1A1左側A0A0A1A1區域為彈體產生塑性變形蘑菇頭區域;環形彈渣反彈面A1B1面積記為B1;侵徹交界面A2A2面積記為A2;面積為A3的A3A3面為靶板破碎前陣面。

圖1 簡化侵徹模型

1 模型簡要介紹

根據文獻[2]侵徹問題的常微分方程組為:

(1)

(2)

考慮應變率效應時,將彈體破碎應變,彈體破碎強度和靶板破碎強度的應變率分別設為:

2 相似律分析

由式(1)～式(3)可見,總侵徹深度是由以下因素決定的(忽略了開坑階段,只考慮準穩定階段):

當模型與原型具有相同的彈體和靶體材料且滿足幾何相似的條件下,上式轉化為:

(4)

在忽略彈靶應變率效應時,在相同的彈體速度并滿足幾何相似大小不同的原型和模型中所引起的無量綱侵徹深度H/l0是相同的,即:

(5)

其中下標m和y分別表示模型和原型。此即時率無關材料高速侵徹的幾何相似律。

但是式(4)中由于材料應變率的存在,幾何相似律并不嚴格成立。需要注意的是式(4)的具體形式并不能單純地由量綱分析方法而得出,必須由實驗或者數值模擬計算的方法來確定。

3 計及材料應變率效應的影響

數值計算所采用的材料參數取自文獻[2-4],見表1。

表1 彈靶材料參數

針對式(1),應用Runge-Kutta算法,計算得到了初始入射速度為1 300 m/s下,只考慮靶體應變率效應、只考慮彈體應變率效應以及同時考慮靶體和彈體應變率效應情況下,不同彈長的最大侵徹深度值,分別如表2、表3和表4所示。對表2、表3和表4所得數據進行任意組合可得到Hy/Hm和Ly/Lm之間的關系,分別如圖2、圖3和圖4所示。

圖2、圖3和圖4中45°虛線為嚴格的幾何相似律成立條件下Hy/Hm與Ly/Lm之間的關系。

由圖2可見,同樣彈速的情況下,由于幾何相似性,隨著彈長的增加,彈體直徑也相應增加,導致靶板應變率相對于小彈長時的應變率有所降低,從而使靶的相對破碎強度有所降低(式(3c)),導致上圖中隨著原型和模型彈長比的增加,原型和模型侵徹深度之比向上偏離45°虛線。

表2 只考慮靶體應變率效應

表3 只考慮彈體應變率效應

表4 同時考慮彈靶應變率效應

圖2 只考慮靶體應變率效應

圖3 只考慮彈體應變率效應

圖3中,同樣彈速的情況下,由于幾何相似性,隨著彈長的增加,彈體應變率相對于小彈長時的應變率有所降低:(a)從而使彈體的相對破碎強度有所降低,彈體的破碎強度決定了彈體受到的阻力,隨著破壞強度的降低,彈體受到的侵徹阻力隨之減小,從而有利于侵徹;(b)同時彈體的相對破碎應變有所增加(a<0),破碎應變的增大,使得蘑菇頭的面積增大,不利于侵徹。(a)、(b)同時作用的結果是不利于侵徹,導致上圖中隨著原型和模型彈長比的增加,原型和模型侵徹深度之比向下偏離45°虛線。

圖4 同時考慮彈靶應變率效應

由圖4可見,在1 300 m/s彈速之下,Hy/Hm與Ly/Lm之間有比較明顯的線性關系,擬合得到:

Hy/Hm=0.037 54+0.949 18·Ly/Lm

(6)

數值計算中,應變率取為彈體侵徹速度與彈體直徑的4倍之比,同時應變率因子較小,所以當速度變化不大時(小于10倍),隨著入射速度的變化,式(6)中系數的改變并不明顯。

與幾何相似律(H/l0)m=(H/l0)y比較,在同時考慮彈、靶應變率效應的影響下,幾何相似律發生了少許變化。較小的縮尺比λ=Ly/Lm下,幾何相似律是基本成立的,隨著縮尺比的增大,應變率效應對相似律的影響越來越明顯。

4 結論

文中對彈體高速侵徹靶板的率相關相似律進行分析研究。利用數值計算,研究了彈體和靶體材料應變率效應對侵徹深度的影響。

1)隨著縮尺比的增加,材料的應變率效應越來越明顯,在相關分析中應該考慮材料的應變率效應;

2)通過對相同彈速下靶板抗侵徹問題進行數值計算,結果顯示,侵徹深度之比與縮尺比呈現出線性關系,在同時考慮彈、靶應變率效應的影響下,幾何相似律發生了少許偏移;

3)通過擬合得到了修正的幾何相似律公式。

文中結論對相關侵徹相似實驗的設計有一定的參考意義。

參考文獻:

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