球形彈體打擊作用下寬距水間隔鋁板的動態響應特性

李 營， 張 瑋， 杜志鵬， 張 磊， 趙鵬鐸， 方岱寧

(1.北京理工大學 先進結構研究院,北京 100081； 2.海軍研究院，北京 100161)

飛機燃油艙在戰時易遭受子彈或爆炸破片的打擊，嚴重時一顆子彈或破片就能破壞整個燃油艙的蒙皮結構，甚至造成機毀人亡。艦船結構在舷側設置液體艙室防高速爆炸破片。彈體打擊下含液結構的動態響應機理十分復雜，開展有關研究工作即具有較強的科學意義，也是燃油艙結構防護設計的前提。

國內外學者開展了一些研究工作，具有代表性的有Varas等[1-2]開展了球形彈體侵徹方形鋁管、CFRP管的研究工作，Disimile等[3]利用三角棒衰減水中沖擊波的研究等。李亞智等[4]利用Dytran開展了彈體打擊下的水錘效應及靶板動態響應研究，Zhang等[5]對比了有無水對彈體速度衰減特性的影響。沈曉樂等[6]開展了3.3 g立方體破片高速侵徹液艙的實驗研究，分析了彈體在液體中的速度衰減規律。徐雙喜等[7]分析了背液靶板的抗侵徹特性。李營等[8-9]分析了彈體侵徹過程中液體艙室的能量變化關系，并談論了不同速度區間平頭彈體的速度衰減規律。李典等[10]采用數值仿真方法考慮空化效應討論了前后靶板的不同載荷特性。但總體來說，有關研究工作尚不深入，需要開展更為細致的研究工作。

本文設計了水間隔靶板在球形彈體撞擊下動態響應的實驗裝置，利用高速相機等記錄了整個過程，分析了不同階段的復雜物理現象，分析了彈體在水中運動時的位移變化和速度衰減規律，對比了背空靶板和背水靶板在相近速度彈體侵徹作用下的變形特點。研究結論為飛機燃油艙和艦船防護液艙設計提供了理論支持。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

實驗采用一級輕氣炮開展，靶板選用純鋁板，尺寸規格為200 mm×200 mm，厚度為1 mm，前后靶板的間距為100 mm，通過8個直徑為10 mm的螺栓孔固定。間隔水靶板采用前后艙壁中間夾持一定厚度水的方式實現。前后靶板中間為一段PMMA圓管，厚度為4 mm。子彈為直徑9.5 mm的球形彈體，采用軸承鋼制作。整體實驗裝置如圖1(a)所示，水間隔靶板示意圖如圖1(b)所示。

(a) 整體實驗裝置示意圖

(b) 水間隔靶板示意圖

1.2 給光方式與高速相機

實驗中采用2個1 000 W鈉燈給光，懸掛在實驗用間隔水靶板的正上方。為了記錄子彈在水中的飛行軌跡，捕捉水中產生的巨型氣穴及前后板的變形，實驗中使用了一臺高速攝像機。采用高速攝像機10 000幀每秒的采樣頻率記錄整個物理過程，快門設置為1/25 000 s。在支撐結構后方添加一個加速度傳感器，并使用高速采集儀的trigger out功能為高速攝像機提供TTL觸發。

1.3 激光測速

此外，為了避免高速相機觸發失效，使用激光遮幕的方法測量彈體初始速度。子彈從一級炮口飛出后，依次遮擋2束間隔50 mm的激光。假定飛行過程中速度未發生明顯衰減，通過計算2束激光被遮擋的間隔時間即可得出彈體的初始速度。

2 實驗結果

2.1 基本物理過程

圖2為球形彈體打擊寬間距水間隔鋁板的物理過程。整個物理過程分為3個階段。

(1) 彈體侵徹前板階段。該階段為典型的彈體侵徹背水靶板的過程，彈體以157.6 m/s撞擊前板，前板向后運動擾動后板阻礙靶板的變形，靶板運動在水中形成沖擊波，并以1 500 m/s的速度向水中傳播，該過程與文獻[1]中的現象吻合。該階段如圖(a)所示。

(2) 彈體水中運動階段。彈體在水中帶動周圍水運動，當速度達到一定階段后，彈體兩側和后方的水逐漸與水脫離，形成空化氣穴，并將彈體的動能部分轉化為水的動能，彈體水運動擠壓遠處的水，一部分動能轉化為水的勢能。如圖(b)～(f)所示。

(3) 彈體撞擊后板階段。彈體在水中運動后期，彈體壓縮前端水，形成沖擊波，沖擊波先于彈體作用于后板上，如圖(g)所示。在彈體和水中沖擊波共同總用下發生較大整體變形，如圖(h)所示。氣穴后端不再變大，前端繼續變大，直到前后直徑大小基本相當，此后氣穴變小，被壓縮的水體釋放自身勢能，如圖(i)所示。

圖3為背空板在初速度為158.4 m/s情況下侵徹的情況。可以看到，球形彈體侵徹后產生了局部充塞。彈體侵徹引起靶板的局部變形。通過分析侵徹前后的高速攝像圖像，侵徹后彈體的剩余速度為137.6 m/s。

2.2 彈體速度衰減特性

破片在液體中運動時，動能損失主要轉化為水的動能和勢能。彈體由于附著超空泡，其大部分表面并不直接與水接觸，摩擦阻力較小，因而影響彈體運動的主要是壓差阻力。壓差阻力受彈體頭型影響明顯。由于彈體速度較快，作用時間較短，可以忽略重力的影響，根據牛頓第二定律得

(1)

式中:m為破片質量;z為破片前進的距離;V為破片的速度;A0為破片與水接觸的投影面積;Cd為阻力系數，近似看作常數[11]。

對式(1)進行積分，得到

(2)

式中，常數β為速度衰減系數，定義為

β=ρwACd/2m

(3)

速度衰減比可以表示為

(4)

聯立以上各式，可以得到破片動能沿軌道方向的

(a) 0 ms

(b) 0.2 ms

(c) 0.4 ms

(d) 0.6 ms

(e) 0.8 ms

(f) 1.0 ms

(g) 1.2 ms

(h) 2.1 ms

(i) 2.7 ms

(a) 0 ms

(b) 0.3 ms

(c) 0.5 ms

損失

(5)

通過高速攝像記錄彈體的位移，進一步假設單位時間間隔內彈體勻速運動，計算得到彈體的位移和速度變化曲線。不同時刻彈體的位移變化如圖4所示，隨著時間的延長，位移越來越大，但變化速率略有減小。

圖5為彈體速度隨著位移變化的曲線。采用式(4)擬合得到球形彈體的速度衰減規律，可以看出式(4)能較好得與實際速度衰減規律吻合。得到球形彈體在水中的速度衰減系數為0.38。

2.3 靶板變形與破壞分析

在初速度157.6 m/s的球形彈體撞擊作用下，寬間距水間隔靶板的毀傷情況如圖6所示。可以看出水間隔靶板的前板被球形彈體侵徹，而水間隔靶板的背板則并未穿透，彈體留在水間隔靶板內部。但背板中心局部發生鼓包和蝶形凹陷，整體發生較大的塑性變形。

圖4 彈體的位移變化

圖5 彈體的速度變化

圖6 水間隔靶板的毀傷情況

圖7為背空靶和水間隔靶板的變形情況。對比圖7(a)和圖7(b)可以看出，在相近速度球形彈體撞擊下，背空靶板的局部蝶形凹陷明顯大于水間隔靶板的前板，說明前板背后的水對靶板的塑性變形區域產生了較為明顯的影響，背水靶板能更大程度上消耗彈體的動能。觀察圖7(c)可以看出，彈體經過水介質后并未有效穿透間隔水靶板的背板，該水間隔靶板有效防御了初速度157.4 m/s的球形彈體。

圖8為打擊后的彈體和靶板變形。圖8(a)可以看出，彈體并未發生明顯塑性變形，侵徹間隔水靶板前板后產生了帽狀充塞，充塞較為圓潤且邊緣較薄，說明侵徹過程中，靶板發生了徑縮變形。圖8(b)、(c)可以看出，局部穿甲孔的破壞模式方面，并未有明顯區別，均為彈體穿甲后，由于受較大環向和徑向拉伸作用，產生了較為密集的花瓣狀開裂，但水間隔靶板前板產生的花瓣開裂數目少于背空靶板。

(a) 背空靶板(v0=158.4 m/s)

(b) 間隔水靶板前板(v0=157.6 m/s)

(c) 間隔水靶板后板(v0=157.6 m/s)

(a) 水間隔靶板的彈體和充塞塊

(b) 水間隔靶板前板

(c) 背空靶板

3 結 論

設計了水間隔靶板在球形彈體撞擊下動態響應的實驗裝置，利用高速相機等記錄了整個過程，分析了不同階段的復雜物理現象，討論了彈體在水中運動時的位移變化和速度衰減規律，對比了背空靶板和背水靶板在相近速度彈體侵徹作用下的變形特點。得到以下主要結論：

(1) 球形彈體侵徹寬間距水間隔鋁板的過程可以劃分為3個階段，彈體在水中運動的過程中，水中將產生巨大的空化氣穴，彈體動能轉變為水的動能和勢能，且在彈體碰撞后板后，水中勢能再次轉化為水的動能施加在靶板上。

(2) 球形彈體在水中低速運動過程中，阻力系數近似為常數，約為0.38。

(3) 球形彈體侵徹時，靶板主要由于局部徑縮產生花瓣開裂，背水靶板將比背空靶板產生更小的塑性變形，且背水靶板的花瓣開裂數更少。

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