破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性＊

陳長海，侯海量，張元豪，戴文喜，朱 錫，方志威

破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性＊

陳長海1，侯海量1，張元豪1，戴文喜2，朱 錫1，方志威1

（1.海軍工程大學艦船工程系，湖北 武漢430033；2.中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064）

為探討破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性，通過彈道實驗，分析了彈體和靶板的破壞模式，比較了破片侵徹垂直和傾斜背水鋼板后的瞬時余速和運動軌跡，以及由此引起的初始沖擊波的壓力特性。結果表明，破片在高速侵徹下，頭部產生了嚴重的鐓粗變形，鋼板背后水介質的動支撐作用不容忽視；背水鋼板的破壞模式主要為剪切沖塞破壞，背彈面穿孔存在絕熱剪切效應；破片穿透背水鋼板初期，會產生空泡和射流，空泡大小和射流強度與破片入水初速有關，而空泡形狀和射流方向則受背水鋼板的傾斜角度影響；破片穿透背水鋼板后，在水中的運動軌跡會發生偏轉，偏轉方向與破片入水初速有關；由于水介質的動支撐作用和動能耗散效應，破片穿透背水鋼板后的動能損失要大于穿透背空鋼板的情形；水中初始沖擊波的壓力特性應考慮稀疏波的影響；相同初速下，破片侵徹垂直背水鋼板引起的初始沖擊波的峰值壓力較侵徹傾斜背水鋼板要大。

高速侵徹；背水鋼板；剩余特性；初始沖擊波

液艙結構在彈丸侵徹下的動態響應問題近年來受到工程界廣泛關注。戰斗部接觸爆炸會產生大量高速破片，對艦船舷側防護液艙結構的侵徹會造成嚴重毀傷。針對高速彈體侵徹液艙結構的破損問題已開展了大量研究工作。J.H.McMillen等［1］早在20世紀40年代就針對彈體入水沖擊波傳播等問題通過實驗進行了分析。D.Townsend等［2］則結合實驗對高速破片侵徹薄壁水箱結構引起的水錘效應做了細致的研究，并提出了衰減沖擊波壓力的初步構想。隨后，R.J.Disimile等［3］通過實驗分析了鋼質和鋁質球形彈丸穿透背水薄鋁板后在水中引起的水錘效應。D.Varas等［4］則從壓力變化和管壁變形等方面對球形彈丸侵徹注水方管引起的水錘效應進行了研究，并分析了注水液面的影響。E.Deletombe等［5］比較了密閉和敞開水箱兩種情形下水錘效應引起的沖擊波壓力差異。沈曉樂等［6］、徐雙喜等［7］、李典等［8］針對高速破片侵徹液艙問題也開展了大量研究。通過分析可知，目前針對破片侵徹液艙問題的研究大多集中于穿透背水鋼板后引起的水錘效應，對于破片穿透后的剩余特性研究較少，且研究對象大多為垂直背水薄板。本文中通過彈道實驗，分析破片高速侵徹中厚背水鋼板后的剩余特性，從彈體和靶板的破壞模式以及破片穿透背水鋼板后的瞬時余速等方面，探討破片高速侵徹傾斜和垂直背水鋼板后的剩余特性的差異，力圖揭示中厚背水鋼板的抗高速侵徹機理，為后續的理論分析和數值模擬研究提供數據支撐。

1 實驗設計

實驗采用15mm口徑滑膛彈道槍，通過火藥發射。破片初速采用激光測速系統（1＃和2＃光幕靶）得到。實驗彈丸采用質量3.3g、邊長7.5mm的立方體破片。破片材料為經淬火處理的45鋼。實驗靶板為5mm左右的Q235船用低碳鋼。為模擬破片垂直和斜侵徹背水鋼板的情形，制作了垂直90°和傾斜60°兩種水箱結構，分別如圖1～2所示。

2 彈道實驗結果

采用高速攝影機對破片穿透背水鋼板后在水中的運動過程進行了觀測，得到背水鋼板情形下破片余速即彈丸穿透鋼板入水瞬間的速度。表1中給出了彈道實驗結果及主要參數。

3 實驗結果及分析

3.1 彈體破壞模式分析

圖3給出了實驗后收集的破片變形破壞形貌。由圖可知，立方體破片不管是侵徹背水鋼板還是背空鋼板，頭部均發生了嚴重的鐓粗變形。對于垂直侵徹情形，破片頭部近似呈圓形；而對于60°斜侵徹情形，破片頭部雖然也近似呈圓形，但圓形中心向入射速度反方向偏移。進一步觀察可知，立方體破片基本上是以面接觸的形式侵徹靶板，且能夠較好地保持侵徹姿態。

3.2 靶板破壞模式分析

由于鋼板背后有液體存在，使得背液鋼板的抗侵徹過程及耗能機制與背空鋼板［9］差異較大。圖4中給出了中厚背水鋼板的典型破壞形貌。由圖4可知，高速侵徹下，中厚背水鋼板的穿甲破壞模式主要是剪切沖塞破壞。對于垂直和60°斜侵徹兩種侵徹情形，主要區別在于穿孔形狀。進一步觀察圖5可知，背水鋼板在厚度方向存在一定的絕熱剪切現象。這說明高速侵徹背水鋼板過程中，絕熱剪切效應不容忽視。而未考慮絕熱剪切效應的彈體侵徹背水鋼板的能量耗散理論計算［7］是不符合實際情況的。

3.3 破片在水中運動軌跡分析

破片在水中運動的過程主要包括拖曳和空化兩個階段［3－4］。破片在水中運動過程中，垂直方向則受到水動升力和重力及低壓效應的共同作用［10］。

結合圖6～9可知，破片初速較大時，即穿透背水鋼板后的瞬時余速較大時，破片在水中的運動軌跡向上偏，如工況2（圖7）和工況4（圖9）；相反，則向下偏，如工況3（圖8）；若破片速度能使水動升力和重力及低壓效應保持平衡，則破片的水中運動軌跡近似成水平，如工況1（圖6）。進一步比較可看出，破片在水中運動軌跡的偏轉主要還是受入水初速的影響，鋼板傾斜角度對軌跡偏轉的影響較小。

結合圖6～7可看出，破片入水初期即產生了明顯射流，射流方向與水平方向夾角均為約45°。這與彈體低速入水深閉合所產生的鉛垂方向的射流［10］有較大差異。進一步分析圖8～9可看出，雖然破片在穿透傾斜背水鋼板后也產生了上下方向的射流，但由于傾斜鋼板的影響，向上射流的方向平行于鋼板平面，與水平方向成60°夾角；向下射流的方向仍與水平方向成45°夾角。進一步結合圖6～9可知，破片入水初期形成的射流強度與破片入水初速有關，破片入水初速越大，射流越強。

進一步分析圖6～9中空泡的相關特性可知，破片穿透垂直背水鋼板后的空泡形狀比較對稱，而穿透60°傾斜背水鋼板后形成的空泡則往下偏。從空泡的大小來看，主要還是取決于破片穿透背水鋼板后的余速即破片入水初速。

3.4 破片穿透背水鋼板后的余速分析

通過分析高速攝影圖片得到破片穿透背水鋼板后的瞬時余速。通過擬合求導得到各工況破片穿透背水鋼板后的瞬時余速，如表1所示。由表1通過計算可知，隨著破片初速提高，背水鋼板單位面密度吸能值相應提高。破片初速越高，提高值越大。相對于背空鋼板而言，相同破片初速下，背水鋼板的單位面密度吸能要稍大。

3.5 初始沖擊波壓力特性分析

大量研究結果表明［2，5，8］，彈體高速侵徹水介質時形成的沖擊波壓力峰值較大。因此，本節主要分析初始沖擊波壓力特性。假設稀疏波以對稱于自由液面虛擬鏡像波源為起點向外傳播，則初始沖擊波和稀疏波的傳播過程如圖10所示。以初始沖擊波產生時刻為起點，得到初始沖擊波傳播至壓力測點的時間t1為

式中：Lh為壓力測點離撞擊點的水平距離，B為壓力測點離軌跡線的水平橫向距離，D為撞擊點離自由液面的高度，h為壓力測點離水底高度，H 為自由液面高度，cw為水中聲速。

稀疏波到達壓力測點所需的時間t2為

由于H＞h，因此t2始終要大于t1，但隨著水平距離Lh的增大，t2與t1的差值變小。

考慮到初始沖擊波有一定的持續作用時間Δt，若稀疏波在初始沖擊波持續作用時間內到達，則需考慮稀疏波對初始沖擊波的影響；反之，稀疏波對初始沖擊波無影響。由此得到以下判據：

對于線性可壓縮介質而言，波傳播具有頻率恒定的特性［11］。因此，初始沖擊波在水中傳播時，距離上的幾何衰減僅對沖擊波載荷幅值即峰值壓力大小產生影響，對載荷的持續作用時間沒有影響［4］。因而某一壓力測點上，初始沖擊波持續作用時間Δt可按下式計算［12］：

式中：R為被壓縮水介質的區域半徑，v0w為彈丸（破片）入水初速。

若壓力測點位于水平彈道軌跡上，則稀疏波和初始沖擊波傳播至該點的時間差ΔT為

假設該壓力測點的初始沖擊波峰值壓力與距離的平方成反比，且近似呈三角形脈沖形式，則考慮稀疏波的影響下，該壓力測點的比沖量I近似等于：

式中：P（L0）為距離撞擊點L0（L0＜Lh）處的峰值壓力值。

將上式對D求導得到：

由上式可以看出，撞擊點水深D對壓力測點比沖量I的影響與該點離撞擊點距離Lh的3次方成反比，即稀疏波對初始沖擊波的影響程度隨距離的3次方倒數下降，說明距離越遠，稀疏波的影響越小。

圖11 中給出了典型工況（工況2）中壓力測點1～2的初始沖擊波壓力時程曲線。采用式（1）～（4）計算得到：工況2中初始沖擊波到達測點2和測點1的時間差約為49μs，而實驗得到兩測點峰值時間差約為51μs，兩者吻合較好。結合式（3）的判據可得，對于測點1，稀疏波無影響；而對于測點2，稀疏波有影響。而實際情況是，測點2受到了稀疏波影響，測點1未見明顯影響。因此，考慮破片后續運動和空化效應影響，本文中對測點1～2中稀疏波是否影響的預測判別還是比較符合實驗結果的。

表2中給出了各工況下壓力測點1～2各自的初始沖擊波峰值壓力大小。由表2可知，各工況中測點1和測點2處的初始沖擊波峰值壓力大小順序是相同的，即工況2＞工況4＞工況1＞工況3。由于初始沖擊波峰值壓力大小與破片的入水初速近似呈線性增大［2，4，8，12］，因而由峰值壓力大小順序可反推得到破片入水初速即破片穿透背水鋼板后的瞬時余速的大小順序應該相同，這與上一節的分析結果是一致的。

表2 破片侵徹背水鋼板各工況測點1～2的峰值壓力測量結果Table 2Measured peak pressures of test points 1and 2for cases of water－bakced steel plates penetrated by fragments

4 結 論

通過彈道實驗，從彈體和靶板的破壞模式、破片穿透背水鋼板后的瞬時余速等方面，分析了破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性，得出主要結論如下：

（1）破片高速侵徹中厚背水鋼板過程中，頭部會發生嚴重鐓粗變形，而鐓粗變形主要發生在侵徹背水鋼板階段，但背部水介質的“動支撐”作用不可忽視；

（2）破片高速侵徹下，中厚背水鋼板的主要破壞模式為剪切沖塞，迎彈面出現靶材的反向飛濺，而背彈面穿孔則存在絕熱剪切現象；

（3）破片穿透背水鋼板初期，會產生空泡和射流，空泡大小和射流強度主要與破片入水初速有關，而空泡形狀和射流方向則受背水鋼板的傾斜角度影響；

（4）破片穿透背水鋼板后，在水介質中的運動軌跡會發生偏轉，偏轉方向主要與破片入水初速有關，破片初速較大時，運動軌跡向上偏，反之則向下偏；

（5）由于水介質的“動支撐”作用和動能耗散效應，破片穿透背水鋼板后的瞬時余速較穿透背空鋼板后的余速要低，動能損失要大；

（6）由于有自由液面的存在，水介質中初始沖擊波壓力特性需考慮稀疏波的影響，而稀疏波影響的可能性隨離撞擊點的距離的增大而提高，但影響程度會大大降低；

（7）相同初速條件下，破片侵徹垂直背水鋼板引起的初始沖擊波的峰值壓力大小較侵徹傾斜背水鋼板要大，但峰值壓力的提高幅度隨破片初速的增大或離撞擊點距離的增大均相應減弱。

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Residual characteristics of moderately thick water－backed steel plates penetrated by high－velocity fragments

Chen Changhai1，Hou Hailiang1，Zhang Yuanhao1，Dai Wenxi2，Zhu Xi1，Fang Zhiwei1
（1.Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，Hubei，China）

In this study we carried out ballistic tests to explore the residual characteristics of moderately thick water－backed steel plates penetrated by high－velocity fragments.Damage modes of projectiles as well as targets were analyzed.We compared the vertical and inclined water－backed steel plates penetrated by fragments in terms of instantaneous fragment velocities，moving trajectories and the pressure characteristics of induced incipient shockwaves.The results show that serious mushrooming deformation occur on the noses of the fragments during high－velocity penetration，and the dynamic supporting effect of water in the back of the steel plate should be considered in its examination.Damage modes of the water backed steel plates are mainly shear plugging，together with adiabatic shear effect available on the distal side of the perforation holes.In the earlier stage after the fragment perforating the water－backed steel plates，cavities and jets are produced.The cavity size and the jet intensity are both related to the initial velocities of the fragments entering the water，whereas both the cavity shape and the jet direction are affected by the inclined angle of the water－backed steel plates.After the perforation of the water－backed steelplates，the moving trajectories of the fragments will deflect，and the deflection direction is related to the initial velocities.Due to the dynamic supporting as well as the kinetic energy dissipation effects of water，the kinetic energy loss of the fragment perforating waterbacked steel plates is greater than that perforating air－backed steel plates.The influence of the rarefaction wave on the pressure characteristics of incipient shock waves should be considered.Under the condition of the same initial fragment velocity，penetration of the vertical water－backed steel plates result in incipient shock waves with higher peak pressures than those resulting from the penetration of the inclined water－backed steel plates.

high－velocity penetration；water－backed steel plate；residual characteristic；incipient shock wave

O385 國標學科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0959－07

2016－04－12；

2016－09－06

國家自然科學基金項目（51409253，51479204）

陳長海（1985— ），男，博士，講師，chenchanghai0746＠163.com。

（責任編輯 曾月蓉）