液體密度對單胞結構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,相應地也得到了飛快的發展,先后出現了均質裝甲、復合裝甲、反應裝甲等多種類型的裝甲[1]。在現代戰爭中,只有提高裝甲的防護能力,坦克等武器系統才能獲得更多的生存機會,發揮更好的作戰能力。

White等[2]驗證了飽含水等液體的密閉結構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構后,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構會對射流的穩定性造成一定的干擾。高振宇等[5]利用數值仿真的方式對飽含柴油密閉結構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定性。

隨著現代工業合成技術的發展,一種液體聲速可以對應一系列密度值。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計提供科學依據。

1 理論研究

根據射流侵徹密閉結構內液體的干擾機理[6]可知,射流先是在液體中擴孔,然后是經密閉結構內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點反向運動,出現侵徹通道的徑向匯聚效應,因此侵徹可分為兩個階段。

1.1 基本假設

為簡化計算,忽略密閉結構內底部反射沖擊波的影響,根據文獻[6]的基本理論作出以下假設:

1)射流垂直侵徹圓形密閉結構,假設射流在到達密閉結構前無任何損失;

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,可以不考慮尾數衰減的情況,只考慮波頭衰減;

5)假設未受擾動的區域內液體聲速小于射流侵徹速度;

6)在極短的距離內,假設沖擊波波速不變;

7)射流侵徹液體時,假設射流為一高速圓柱桿。

1.2 液體徑向擴孔

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

設vj2為射流頭部速度,Z0為虛擬原點到密閉結構上表面的距離,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(c2為液體聲速),Rt為液體動態屈服強度,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(5)條件下沖擊波影響射流侵徹的速度u為

(1)

根據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之間的變化關系為

(2)

1.3 液體徑向匯聚

沖擊波在密閉結構內發生反射,與侵徹通道相互作用產生液體徑向匯聚效應,從而干擾射流的繼續侵徹,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c1為容器材料的聲速,r為容器內腔半徑,rc1為液體徑向匯聚的半徑,α為沖擊波衰減系數。

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

(3)

1.4 理論結果

采用Φ56 mm無殼體聚能裝藥,密閉結構為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。根據液體可合成原理,當液體聲速c2一定時,設定不同密度ρt2的值,構成聲速相同而密度不同的一系列液體,結合式(1)、式(2)、式(3),單位時間內的影響關系如圖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 數值研究

2.1 仿真物理模型

射流侵徹飽含液體的密閉結構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體對稱結構,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狀態方程;液體的材料模型采用Null模型和Gruneisen狀態方程。JH-2炸藥和液體的材料參數見表1,仿真設置的六組液體密度參數如表2。

表1 JH-2炸藥和柴油材料參數[8]

表2 液體密度參數

2.2 數值仿真結果

通過數值仿真得出,射流穿深后效靶結果如圖5,90 μs斷裂情況如圖6所示。

2.3 仿真結果分析

根據圖5仿真結果可知,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 結論

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

1)理論研究得出了射流在密閉容器內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增大而導致的。

2)仿真結果表明,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間隨密度增大而減小,且干擾區間最大速度也減小。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構后剩余侵徹能力增大,這表明理論分析與數值仿真結果相吻合。