设备构件对射流开孔性能的影响

董桂旭，赵培洪（.海军装备部驻重庆地区军事代表局，重庆400000；.海军士官学校，安徽蚌埠330）



设备构件对射流开孔性能的影响

董桂旭1，赵培洪2
（1.海军装备部驻重庆地区军事代表局，重庆400000；2.海军士官学校，安徽蚌埠233012）

摘要：通过对设备构件的结构布局和射流毁伤特性的详细分析，得到2种设备构件的模拟结构，并开展了对射流开孔性能影响的试验。试验结果表明，采用均匀平板模拟的方式能够较准确地模拟设备构件对射流的影响。研究结果对破甲弹的设计具有较好的参考意义。

关键词：设备构件；射流毁伤；破甲弹

大多数反装甲和反硬目标破甲弹的前部，均布设有大量的仪器设备等，有些产品在系统设计时专门设置了供后继射流通过的通道，但大多数仪器设备还是依靠破甲弹前置装药形成的前驱射流进行预毁伤后，利用后继射流对目标实施侵彻[1]。由于这些仪器设备自身结构及安装支架组成的设备构件对射流的固有消耗作用，将在一定程度上降低破甲弹对目标的毁伤效果，甚至不能到达预定作战目的[2]。由于设备构件结构复杂、制造周期长、价格较高，不适于在破甲弹研究过程中的大量试验使用，因而有必要开展设备构件的模拟结构研究，以简化结构、降低成本、提高效率。

设备构件对射流消耗的模拟研究，在国内外均很少有报道。李慧卓等采用多层匀质铝板模拟了设备构件的影响[3]，并开展了仿真计算和试验观察，认为射流在通过这些匀质的多层铝板后将出现分散现象，当侵彻10块6mm厚的铝板后，射流能量损失将达到16.7%，速度损失将达到27.5%，仿真计算结果如图1所示。王振宇开展过聚能装药对复杂板壳结构的破坏机理研究，推导了射流穿过薄壁后的剩余速度和长度的计算公式，并开展了射流对2层钢靶的侵彻仿真计算，对比分析了多层板对射流和爆炸成形弹丸的不同影响效果[4]。

上述研究均未涉及到设备构件的模拟和对射流侵彻能力影响程度的具体研究。本文利用对某设备构件各组成零部件具体结构的测绘结果，进行了结构分析，设计了模拟结构，通过试验验证了结构模拟原理可行性和正确性，并对试验结果进行了计算分析。

1　设备构件的模拟设计

1.1模拟原理

布设在破甲弹前部的设备构件通过消耗射流前部质量、减短射流长度，使得射流对目标的侵彻深度降低。一般情况下，射流头部速度较高，达到8 km/s以上[5-7]。此时，设备构件的材料强度对射流消耗量的影响可以忽略。由于射流在通过设备构件期间存在速度梯度，因而射流的消耗减短过程适用于准定常理想不可压缩流体理论[5]。

假设射流的初始速度为v0，射流与设备构件碰撞交界面以速度vt向前运动，滞止点上的压力P由伯努利方程给出[6-7]：

对于不可压缩流动，射流密度ρP恒定，积分上式得到：式中，ρt为设备构件材料密度。

对于长为L的各段射流，完成消耗时的时间为可穿透设备构件的厚度H为解得设备构件厚度与消耗的射流长度之间关系为：

可见，射流通过设备构件时的消耗量仅与设备构件厚度以及密度相关。由此，在设备构件的结构模拟中，以射流方向上设备构件的质量分布为基础进行。

1.2模拟结构设计

经对某设备构件各组成零部件的结构尺寸、零件材质、安装位置关系，射流前进方向上各构件厚度、横向尺寸等的详细分析可知，设备构件横向尺寸上的质量分布不同将引起射流消耗存在较大差异，因而分别取沿射流前进方向上0.5倍聚能装药口径柱形空间内设备构件的质量分布和0.2倍聚能装药口径柱形空间内设备构件的质量分布进行结构模拟，这2个空间内的零部件代表了该设备构件空间分布的典型结构状态。确定了设备构件的空间分布后，采用均匀铝板代替零件材料、通过改变铝板的厚度进行质量分布模拟，铝板厚度采用式（6）计算：式（6）中：LAl为铝板厚度；L0为零件厚度；ρ0为零件材料密度；ρAl为铝密度。

1）按0.5倍口径柱形空间的模拟设计结果。设计结果见图2，迎射流方向共12块铝板，厚度及各板之间的间距见表1。

图2　0.5倍口径柱形空间的模拟结构Fig.2 Simulation structure of the clindrical space with 0.5 times of caliber

表1　迎射流方向各铝板厚度和板间距Tab.1 Aluminum plate thickness and space between plates toward the jet flow

2）按0.2倍口径柱形空间的模拟设计结果。设计结果见图3，迎射流方向共6块铝板，厚度及各板之间的间距见表2。

图3　0.2倍口径柱形空间的模拟结构Fig.3 Simulated structure of the clindrical space with 0.2 times of caliber

表2　迎射流方向各铝板厚度和板间距Tab.2 Aluminum plate thickness and space between plates toward the jet flow

2　试 验

试验产品由破甲试验弹、设备构件、0.5倍口径柱形空间的模拟构件、0.2倍口径柱形空间的模拟构件、混凝土后效靶等组成。其中，混凝土后效靶用于观察经过设备构件、各模拟结构消耗后射流的侵彻深度。试验弹口径为ϕ142mm、装药高度为139mm、装药采用ϕ110mm环形起爆器起爆；药形罩高度为84.7mm；壳体材料为铝。混凝土后效靶标为钢筋混凝土，钢筋配筋率体积比为0.6%。模拟构件采用铝板焊接制成。试验弹结构示意图见图4。

图4　试验弹结构示意图Fig.4 Structure diagram of test warhead

共进行了5发试验。其中，1发直接用于侵彻混凝土，1发带0.5倍口径模拟构件，2发带0.2倍口径模拟构件，1发带设备构件进行试验。

3　试验结果及分析

5发试验弹对混凝土侵彻深度的实测结果见表3。经仿真计算表明，该破甲弹形成的射流为杆式射流，速度分布见图5，射流的头部速度为8 833 m/s、尾部速度为1 995 m/s，沿尾部基本呈线性分布。假设各段射流在侵彻各匀质铝板时速度恒定[6]，则射流侵彻铝板时的消耗长度Lj可以采用式（7）计算：

图5　射流速度分布图Fig.5 Diagram of jet flow distribution

利用图5的速度分布情况，根据各段射流侵彻混凝土靶标前的前进距离ΔHi，头部速度vj0和尾部速度vj，可以计算得到各铝板所消耗的射流对混凝土靶标的侵彻深度，采用式（8）计算各铝板消耗的射流对混凝土靶标的侵彻深度P0，即可得到设备构件对射流的侵深损失[8]。计算结果列入表3中。式中：ρc为混凝土密度；ΔHi为各段射流的前进速度。

表3　试验结果及侵深损失Tab.3 Test result and penetration depth damage

表3中，对各模拟构件，采用模拟原理得到的侵深损失与试验结果基本一致，验证了准定常理想不可压缩流体理论应用于设备构件的模拟研究是可行的。对0.2倍口径柱形空间进行模拟所得到的模拟结构，对射流的模拟耗损量与设备构件的影响程度一致，最大差异为2.5%左右，这在射流性能消耗程度的允许范围内。由此可见，对设备构件在0.2倍口径柱形空间内的质量分布进行模拟设计是可行的，能够代表设备构件对射流消耗的影响。对0.5倍口径柱形空间内设备构件的模拟试验表明，计入横向质量的范围越大，集中于射流路径上的构件质量就越多，导致模拟结构的试验结果与设备构件相比误差较大，从而也证明了距离设备构件中心越远的零部件结构对射流影响越小，直至可以忽略。

4　结论

本文通过对设备构件对高速射流消耗过程的分析，将准定常理想不可压缩流体理论应用于真实产品的模拟结构设计，并通过对比试验和分析，得到如下结论：

1）将准定常理想不可压缩流体理论应用于设备构件对高速射流损耗过程的模拟是可行的；

2）离设备构件中心较远的零部件对杆式射流影响较小可以忽略，对本文所采用的试验弹，在0.2倍口径范围内的零部件，能够代表整个设备构件对射流的消耗特征；

3）本文未对偏心布置构件进行试验分析，对于可否应用相同的模拟原理进行设备构件的模拟设计亟待验证。

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Influence of Device Instrument to Jet Damage Performance

Influe

Abstrraacctt:: Through detailed analsis on the configuration of device instrument of two and the characteristices of jet damage, tpes of device instrument and conducts the test of the influence of equipment structural parts was obtained and the test of the influence on the jet damage performance was done. Test results showed that uniform plate simulating method could ac⁃curatelsimulate the influence of device instrument on the jet, and the research results had great reference significance for the design of high eplosive armour-piercing projectile.

DOI:10.7682/j.issn.1673-1522.2015.02.010

文章编号：1673-1522（2015）02-0143-04

文献标志码：A

中图分类号：TJ413.+2