液體密度對單胞結(jié)構(gòu)抗射流侵徹性能的影響*

趙昌方,祖旭東

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

0 引言

近年來,隨著科技的發(fā)展,國際軍備競爭日益尖銳。穿甲彈、破甲彈等得到了空前的發(fā)展,其彈種越來越多,功能越來越強大,嚴重地威脅到了裝甲車輛、坦克等地面武器的安全,甚至低空直升機也難逃襲擊。防護裝甲扮演著盾牌的角色,相應(yīng)地也得到了飛快的發(fā)展,先后出現(xiàn)了均質(zhì)裝甲、復合裝甲、反應(yīng)裝甲等多種類型的裝甲[1]。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,只有提高裝甲的防護能力,坦克等武器系統(tǒng)才能獲得更多的生存機會,發(fā)揮更好的作戰(zhàn)能力。

White等[2]驗證了飽含水等液體的密閉結(jié)構(gòu)在一定程度上具有很好的抗射流侵徹性能。Andersson等[3]通過X光攝影的手段觀察射流侵徹飽含水的密閉結(jié)構(gòu)后,指出液體造成的侵徹通道聚攏會影響射流的侵徹能力。祖旭東等[4]通過實驗的方式,驗證了飽含聚醚多元醇液體的復合裝甲結(jié)構(gòu)會對射流的穩(wěn)定性造成一定的干擾。高振宇等[5]利用數(shù)值仿真的方式對飽含柴油密閉結(jié)構(gòu)抗射流侵徹性能作了分析,指出柴油液體的徑向匯聚嚴重干擾射流的穩(wěn)定性。

隨著現(xiàn)代工業(yè)合成技術(shù)的發(fā)展,一種液體聲速可以對應(yīng)一系列密度值。文中固定液體聲速值,進行液體密度對射流侵徹性能的影響研究,力圖為飽含液體防護裝甲的設(shè)計提供科學依據(jù)。

1 理論研究

根據(jù)射流侵徹密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)液體的干擾機理[6]可知,射流先是在液體中擴孔,然后是經(jīng)密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)壁反射的沖擊波到達侵徹通道孔壁上再次反射使得液體質(zhì)點反向運動,出現(xiàn)侵徹通道的徑向匯聚效應(yīng),因此侵徹可分為兩個階段。

1.1 基本假設(shè)

為簡化計算,忽略密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)底部反射沖擊波的影響,根據(jù)文獻[6]的基本理論作出以下假設(shè):

1)射流垂直侵徹圓形密閉結(jié)構(gòu),假設(shè)射流在到達密閉結(jié)構(gòu)前無任何損失;

2)射流侵徹面板、液體、背板時,其能量損失均視為線性衰減;

3)由于射流侵徹整個胞元的時間非常短,引起的沖擊波反射可認為單個高速脈沖作用的結(jié)果,其作用時長即為穿過整個胞元厚度的時間;

4)脈沖射流作用時間短,可以不考慮尾數(shù)衰減的情況,只考慮波頭衰減;

5)假設(shè)未受擾動的區(qū)域內(nèi)液體聲速小于射流侵徹速度;

6)在極短的距離內(nèi),假設(shè)沖擊波波速不變;

7)射流侵徹液體時,假設(shè)射流為一高速圓柱桿。

1.2 液體徑向擴孔

根據(jù)Dipersio、Simon、Merendino定義的虛擬原點理論,以及射流在密閉結(jié)構(gòu)中引起的沖擊波類似于錐形擴散[7],如圖1所示。

設(shè)vj2為射流頭部速度,Z0為虛擬原點到密閉結(jié)構(gòu)上表面的距離,δ為密閉容器厚度,ρt1為容器密度,ρj為射流密度,ρt2為液體密度,c2、λ2為液體的Hugoniot參數(shù)(c2為液體聲速),Rt為液體動態(tài)屈服強度,vs為沖擊波在液體中傳播的速度,rj為射流頭部半徑。綜合文獻[6]的基本理論有假設(shè)(5)條件下沖擊波影響射流侵徹的速度u為

(1)

根據(jù)普朗特流體力學馬赫錐和虛擬原點理論,得出擴孔半徑rc與時間t之間的變化關(guān)系為

(2)

1.3 液體徑向匯聚

沖擊波在密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生反射,與侵徹通道相互作用產(chǎn)生液體徑向匯聚效應(yīng),從而干擾射流的繼續(xù)侵徹,物理模型可簡化為圖2,其干擾能力可以反射波到達孔壁的壓力pr來表征。

設(shè)c1為容器材料的聲速,r為容器內(nèi)腔半徑,rc1為液體徑向匯聚的半徑,α為沖擊波衰減系數(shù)。

根據(jù)伯努利方程和應(yīng)力波原理,由文獻[6]的基本理論得出射流侵徹液體時反射波經(jīng)衰減到達通道孔壁時的壓力pr為

(3)

1.4 理論結(jié)果

采用Φ56 mm無殼體聚能裝藥,密閉結(jié)構(gòu)為LC4鋁合金材料,液體為柴油,藥型罩為紫銅,炸高80 mm,進行理論計算。根據(jù)液體可合成原理,當液體聲速c2一定時,設(shè)定不同密度ρt2的值,構(gòu)成聲速相同而密度不同的一系列液體,結(jié)合式(1)、式(2)、式(3),單位時間內(nèi)的影響關(guān)系如圖3所示。

從圖中不難看出,隨著液體密度的增大徑向匯聚的壓強增大,導致射流擴孔能力減小。

2 數(shù)值研究

2.1 仿真物理模型

射流侵徹飽含液體的密閉結(jié)構(gòu)有限元仿真物理模型如圖4所示,該物理模型由炸藥、藥型罩、空氣域、密閉容器、液體、后效靶六部分組成。鑒于整個仿真模型為旋轉(zhuǎn)體對稱結(jié)構(gòu),仿真時可采用二分之一模型以提高計算效率。

聚能裝藥為JH-2炸藥,材料模型采用高能炸藥爆轟模型和JWL狀態(tài)方程;液體的材料模型采用Null模型和Gruneisen狀態(tài)方程。JH-2炸藥和液體的材料參數(shù)見表1,仿真設(shè)置的六組液體密度參數(shù)如表2。

表1 JH-2炸藥和柴油材料參數(shù)[8]

表2 液體密度參數(shù)

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果

通過數(shù)值仿真得出,射流穿深后效靶結(jié)果如圖5,90 μs斷裂情況如圖6所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖5仿真結(jié)果可知,剩余穿深隨著密度的增大而增大,說明射流受到的干擾隨密度增大而逐漸減小。由圖6可知,射流受干擾斷裂時間隨著密度增大而增大。如圖7所示,隨著密度增大射流受干擾速度區(qū)間減小,同時受干擾射流的最大速度也減小,表明密度增大導致射流受干擾程度減小。

3 結(jié)論

通過理論分析和仿真研究,得出了周期胞結(jié)構(gòu)單胞密閉容器內(nèi)液體密度對射流侵徹性能的幾個結(jié)論,為研究射流侵徹液體復合裝甲提供了科學依據(jù)。

1)理論研究得出了射流在密閉容器內(nèi)的徑向擴孔半徑隨著液體密度增大而減小,這是由于液體徑向匯聚效應(yīng)增大而導致的。

2)仿真結(jié)果表明,射流的剩余穿深能力隨密度增大而增大。射流斷裂時受干擾速度區(qū)間隨密度增大而減小,且干擾區(qū)間最大速度也減小。從能量變化的角度來說,由于射流侵徹胞內(nèi)液體時液體徑向匯聚導致徑向擴孔減小從而消耗的能量減少,以至于射流穿過密閉結(jié)構(gòu)后剩余侵徹能力增大,這表明理論分析與數(shù)值仿真結(jié)果相吻合。