尺寸效應對密閉結構抗射流侵徹性能影響分析

單　鋒，趙昌方，祖旭東

(南京理工大學 機械工程學院， 南京　210094)

隨著現代彈藥技術的發展，破甲彈、穿甲彈對坦克裝甲的穿透能力越來越強，這對坦克復合裝甲的防護能力提出了更高的要求。當前國內、國外關于固體材料對射流干擾研究較多，而液體對射流干擾研究較少。

Xue和Huthcinson[1]對爆炸沖擊載荷作用下夾芯層板和同樣質量的實體板抗沖擊性能進行了對比分析。其目標參數包括面層的厚度、芯層單元的高跨比及相對密度等。Zhu等[2]實驗研究了面板厚度、孔徑尺寸、孔壁厚度及炸藥當量對結構響應的影響，并進行了相應的有限元分析。Liaghat等[3]實驗研究了圓柱彈體侵徹金屬蜂窩夾層板，結果表明，彈道極限速度隨面板厚度以及胞元壁厚度的增加而增加，隨單胞的尺寸和彈體質量的增加而減小。Crupi等[4]通過數值仿真研究表明，蜂窩夾層鋁板在靜態和低速沖擊下的失效與蜂窩大小及蜂窩間距尺寸有關。祖旭東等[5]利用 AUTODYNA計算程序對面板、背板厚度變化情況下的復合裝甲抗射流侵徹的規律進行研究，得出了尺寸效應對復合裝甲抗射流侵徹的影響。鄧磊等[6]通過有限元數值模擬方法，對方孔蜂窩夾層板在爆炸沖擊載荷下的變形機理和吸能特性進行了分析。

1　理論分析

1.1　數學模型的建立

根據Dipersio、Simon、Merendino定義的虛擬原點理論和肖強強提出的沖擊波影響下聚能射流侵徹擴孔方程[7]，可得射流侵徹背板結束后進入液體時在沖擊波影響下的速度為

(1)

根據伯努利方程和高振宇在周期胞結構復合裝甲抗射流侵徹性能研究中[8]提出的柴油液體徑向匯聚的理論，由應力波反射原理可得射流沖擊波經六邊形內壁反射后在匯聚通道上的壓強為

(2)

根據準定侵徹常理論[9]和史進偉等[10]進行的射流侵徹水夾層間隔靶的理論和實驗研究，可以得出射流侵徹背板和液體后射流的剩余頭部速度為

(3)

其中：ρt1為金屬背板密度；ρt2為液體密度；ρj為射流密度；c2為液體聲速；λ2為液體的Hugoniot參數；Rt為液體動態屈服強度；rc1為徑向匯聚半徑；rj為射流頭部半徑；r為密閉容器內腔半徑；ɑ為沖擊波的衰減系數；Z0為虛擬原點到密閉結構表面的距離；vj2為射流侵徹背板結束后的頭部速度；vj3為射流侵徹液體后的剩余頭部速度；h為液體高度；δ為密閉容器壁厚。射流侵徹密閉容器示意圖如圖1所示。

1.2　理論結果及分析

采用無殼體聚能裝藥基準彈、柴油液體、LC4鋁合金、紫銅等參數為計算依據，根據上述理論分析的式(1)、式(2)得出密閉結構半徑與液體徑向匯聚的關系；通過式(1)、式(3)得出密閉結構壁厚、高度對射流頭部速度的關系，理論結果如圖2。

2　仿真校驗

2.1　仿真模型及方案

聚能裝藥采用文獻[8]中?56 mm無殼體基準成型裝藥，起爆方式為中心起爆，炸高為80 mm。密閉結構由等壁厚六邊形密閉容器與腔內柴油液體組成，密閉容器外接圓半徑為r、內腔高度為h、壁厚為b。所設計的7種仿真方案如表1所示。

表1　仿真方案　mm

2.2　仿真結果及分析

1) 外接圓半徑r對飽含柴油密閉容器抗射流侵徹性能的影響

在內腔半徑r=20 mm、25 mm和30 mm的數值仿真中，射流受到了不同程度的干擾，射流除了頭部的自然斷裂外，還有由于柴油干擾所引起的中后部速度區間出現的緊縮甚至斷裂。從仿真中得到了射流出現斷裂的時間與密閉容器半徑的關系，如圖3所示。

隨著半徑的增大，射流斷裂的時間增長，這是因為射流侵徹柴油形成的沖擊波和壁面反射沖擊波在柴油液體中傳播距離增加，延長了匯聚的柴油液體與射流接觸的時刻，從而導致受干擾射流中最大速度的不同。內腔半徑越大，射流受干擾的速度區間越往射流尾部移動。這是由于隨著柴油液體直徑的增大，沖擊波壓力在液體中衰減得越多，導致后面柴油液體匯聚對后續射流的干擾程度減小。

2) 內腔高度h對飽含柴油密閉容器抗射流侵徹性能的影響

通過射流侵徹內腔高度h=20 mm、30 mm和40 mm的六邊形密閉結構的仿真得出，隨著容器內腔高度的增加，射流斷裂時間也不斷推遲，受干擾速度區間如圖4所示。

上述3種斷裂現象都是因為射流在穿過密閉容器時柴油液體徑向匯聚導致的。隨著容器內腔高度的增大，受干擾的射流軸向速度區間中最大速度越大、最小速度越小。這是因為隨著容器內腔長度的增加，液體的高度也增加，從而使射流在液體中運動的時間得以增長，則液體徑向匯聚作用于射流的時間增長，受到干擾的射流微元數目增多、區間增大，加劇了液體對射流的侵蝕，消耗射流的能量同時也在增加，從而對干擾射流起到了很好的效果。

江都三站原機組為可逆式機組,因此同轉速發電時，只要考慮部分輔助設備調整改造需增加的投資，經估算約為20萬元；年發電運行管理費平均約10萬元；同轉速發電量比變極發電量低，經實測約為變極發電的60%，根據江都三站歷史發電數據統計，變極發電平均年效益約為108.24萬元，同轉速發電效益約為64.94萬元。

3) 壁厚b對飽含柴油密閉容器抗射流侵徹性能的影響

射流侵徹六邊形密閉結構壁厚b=3 mm、5 mm和7 mm的胞元后，由仿真結果得到，隨著容器壁厚的增大，射流開始侵徹柴油液體時的速度減小，初始形成的沖擊波強度也減小，干擾射流的速度區間如圖5所示。

結果表明，隨著容器壁厚的增加，射流消耗的能量增加，從而射流穿過密閉結構后剩余的頭部速度減小，在柴油中形成的沖擊波強度也略微減小。當沖擊波到達側壁時，要在壁面上形成反射，六邊形結構由壁面反射的沖擊波和由棱邊反射的沖擊波存在壓力梯度，液體的運動存在速度差，使得射流受力不均勻，射流受干擾效果更明顯。

3　結論

射流穿過正六邊形飽含柴油液體密閉結構時，由于液體的徑向匯聚，使射流受到干擾，提前斷裂，受干擾程度與正六邊形密閉結構的尺寸息息相關。通過理論分析與數值仿真的比較研究得到：

1) 隨著半徑的增大，射流斷裂的時間增加，射流受干擾的速度區間往射流尾部移動，柴油液體徑向匯聚對后續射流的干擾程度減小；

2) 射流侵徹內腔高度不同的飽含柴油液體六邊形密閉結構時，隨著容器內腔高度的增加，射流受干擾的時間提前，受干擾的速度區間“上移”；

3) 射流侵徹不同壁厚的六邊形飽含柴油液體密閉結構時，隨著容器壁厚越大，射流侵徹容器壁消耗的能量增加，從而導致射流受到的干擾增大。

參考文獻：

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