高速運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流頭部速度影響的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　孫國慶　張國偉　喬磊

高速運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流頭部速度影響的數(shù)值模擬

山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院孫國慶張國偉喬磊

高速運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流頭部速度會(huì)產(chǎn)生一定影響。本文主要使用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)破甲彈戰(zhàn)斗部侵徹運(yùn)動(dòng)靶板進(jìn)行仿真，得出了高速運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流頭部速度影響的一般性規(guī)律，為今后實(shí)驗(yàn)研究打下了基礎(chǔ)。

高速運(yùn)動(dòng)靶板；頭部速度；有限元；數(shù)值模擬

引言

射流頭部速度是射流侵徹能力大小的一個(gè)重要體現(xiàn)，分析研究高速運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)該參數(shù)的影響變化至關(guān)重要。當(dāng)其它條件一定時(shí)（沒有徑向干擾或徑向干擾一樣，或其它影響因素一定等），頭部速度越大侵徹能力也相對(duì)越大，侵徹后效作用也相對(duì)增大；頭部速度越小侵徹能力也相對(duì)越小，侵徹后效作用也相對(duì)減小［1］。

1彈目交匯條件

彈目交匯條件對(duì)射流侵徹威力的影響主要體現(xiàn)在射流侵徹相對(duì)厚度和射流相對(duì)速度的變化。當(dāng)射流垂直侵徹時(shí)，射流侵徹靶板的厚度為原始厚度，射流相對(duì)速度沒有增加；當(dāng)射流為斜侵徹時(shí)，運(yùn)動(dòng)靶板的速度會(huì)在射流軸向上有分量，從而增加射流的相對(duì)速度。同樣，靶板的厚度也會(huì)在射流軸向上增加，加大侵徹深度。隨著夾角的減小，運(yùn)動(dòng)靶板的相對(duì)厚度逐漸增大，射流的相對(duì)速度增加增大。彈目夾角的變化同樣也影響著其對(duì)射流的橫向剪切力矩［2］。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及彈目交匯示意圖見圖1。

注：θ—入射角 v—運(yùn)動(dòng)靶板速度圖1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及彈目交匯示意圖

2數(shù)值模擬

將靶板速度取為 400m/s、600m/s、800m/s三種情況，分別在不同入射角下進(jìn)行動(dòng)態(tài)斜侵徹分析仿真計(jì)算［3］。表1為射流以不同入射角侵徹不同運(yùn)動(dòng)靶板后射流頭部的軸向速度vjz。

從表1中可以看出，侵徹后射流頭部的軸向速度 vjz最大值為 θ=30°，v=400m/s時(shí)，vjz=3474m/s；最小值 為θ=60°，v=800m/s時(shí)，vjz=1090m/s。此時(shí)，射流都具有一定后續(xù)侵徹能力，加之其同時(shí)具有極高的溫度，與破片和動(dòng)能桿以及其它戰(zhàn)斗部毀傷元素相比，對(duì)殼體后面的裝藥或電子器件具有更大的毀傷威脅。

圖2為依據(jù)表1繪制的射流頭部軸向速度vjz隨運(yùn)動(dòng)靶板速度v變化曲線圖。

圖2　射流頭部軸向速度vjz隨運(yùn)動(dòng)靶板速度v變化曲線圖

3結(jié)果分析

由圖2結(jié)合表1可以看出，入射角θ=30°時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)靶板速度v的增大，射流頭部軸向速度vjz逐漸遞減。射流頭部軸向速度vjz逐漸遞減，呈下降趨勢(shì)，射流侵徹能力越來越低，相應(yīng)的射流的破甲能力也降低。

表1　不同入射角和運(yùn)動(dòng)靶板速度時(shí)射流頭部軸向速度vjz（單位：m/s）

運(yùn)動(dòng)靶板速度對(duì)射流的干擾可以分為兩方面：一方面是運(yùn)動(dòng)靶板的速度；另一方面是運(yùn)動(dòng)靶板速度在射流徑向方向的分量。

入射角θ一定時(shí)，運(yùn)動(dòng)靶板速度v對(duì)射流頭部軸向速度vjz影響曲線變化規(guī)律基本相同，但是變化的走勢(shì)略有差異。入射角θ=45°時(shí)，v=600m/s時(shí)vjz的數(shù)值較v=400m/s時(shí)數(shù)值降低了267m/s，約9%；v=800m/s時(shí)數(shù)值較v=600m/s時(shí)數(shù)值降低了206m/s，約9%，變化不明顯，走勢(shì)呈趨于直線型；入射角 θ=55°時(shí)，v=600m/s時(shí)數(shù)值較v=400m/s時(shí)數(shù)值降低了451m/s，約18%；v=800m/s時(shí)數(shù)值較v=600m/s時(shí)數(shù)值降低了533m/s，約27%，變化較大，走勢(shì)呈遞減凹函數(shù)型；其余入射角隨運(yùn)動(dòng)靶板速度曲線走勢(shì)都為遞減凸函數(shù)型，射流頭部軸向速度vjz變化越來越劇烈，受速度影響越來越大。從總體上說，運(yùn)動(dòng)靶板速度v對(duì)射流頭部軸向速度vjz影響曲線變化為遞減凸函數(shù)型，隨外界干擾影響越來越劇烈。

圖3射流頭部軸向速度vjz隨入射角θ變化趨勢(shì)圖

圖3是在不同運(yùn)動(dòng)靶板速度情況下，射流頭部軸向速度vjz隨入射角θ變化趨勢(shì)圖。從圖3中可以看出，運(yùn)動(dòng)靶板速度v=400m/s時(shí)，隨著入射角θ的增大，射流頭部軸向速度 vjz逐漸遞減，由3474m/s（θ=30°時(shí)）降低為 2965m/s （θ=60°時(shí)）；v=600m/s時(shí)和v=800m/s時(shí)vjz變化趨勢(shì)基本相同，都為遞減趨勢(shì)。

隨著入射角θ增加，運(yùn)動(dòng)靶板對(duì)射流影響的橫向速度逐漸減小，從而降低對(duì)射流的干擾，這是對(duì)射流侵徹有利的方向；然而，入射角θ增加帶來的不利方向是增加了射流的侵徹厚度，消耗了射流能量。在這兩個(gè)方面，速度主要影響射流的中段，是次要矛盾；而厚度主要影響射流頭部，浪費(fèi)射流的侵徹力，是主要矛盾。這也可以從圖3中看出，入射角的θ增加，并沒有提高侵徹后射流的速度，反而降低了其速度。從而證明了厚度是影響射流后續(xù)侵徹能力的主要因素。

4結(jié)論

綜上所述，當(dāng)入射角一定時(shí)，隨著運(yùn)動(dòng)靶板速度的增加，侵徹后射流頭部軸向速度逐漸遞減，其變化幅度越來越大；當(dāng)運(yùn)動(dòng)靶板速度一定時(shí)，隨著入射角的增加，侵徹后射流頭部軸向速度也是逐漸遞減。入射角對(duì)射流侵徹能力的干擾作用主要體現(xiàn)在其侵徹厚度對(duì)射流的影響。

［1］盧芳云，李翔宇，林玉亮.戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)與原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：66-72.

［2］隋樹元，王樹山.終點(diǎn)效應(yīng)學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000：196-232.

［3］趙海鷗.LS-DYNA動(dòng)力分析指南［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2003.