尺寸效应对密闭结构抗射流侵彻性能影响分析

单　锋，赵昌方，祖旭东

(南京理工大学 机械工程学院， 南京　210094)

随着现代弹药技术的发展，破甲弹、穿甲弹对坦克装甲的穿透能力越来越强，这对坦克复合装甲的防护能力提出了更高的要求。当前国内、国外关于固体材料对射流干扰研究较多，而液体对射流干扰研究较少。

Xue和Huthcinson[1]对爆炸冲击载荷作用下夹芯层板和同样质量的实体板抗冲击性能进行了对比分析。其目标参数包括面层的厚度、芯层单元的高跨比及相对密度等。Zhu等[2]实验研究了面板厚度、孔径尺寸、孔壁厚度及炸药当量对结构响应的影响，并进行了相应的有限元分析。Liaghat等[3]实验研究了圆柱弹体侵彻金属蜂窝夹层板，结果表明，弹道极限速度随面板厚度以及胞元壁厚度的增加而增加，随单胞的尺寸和弹体质量的增加而减小。Crupi等[4]通过数值仿真研究表明，蜂窝夹层铝板在静态和低速冲击下的失效与蜂窝大小及蜂窝间距尺寸有关。祖旭东等[5]利用 AUTODYNA计算程序对面板、背板厚度变化情况下的复合装甲抗射流侵彻的规律进行研究，得出了尺寸效应对复合装甲抗射流侵彻的影响。邓磊等[6]通过有限元数值模拟方法，对方孔蜂窝夹层板在爆炸冲击载荷下的变形机理和吸能特性进行了分析。

1　理论分析

1.1　数学模型的建立

根据Dipersio、Simon、Merendino定义的虚拟原点理论和肖强强提出的冲击波影响下聚能射流侵彻扩孔方程[7]，可得射流侵彻背板结束后进入液体时在冲击波影响下的速度为

(1)

根据伯努利方程和高振宇在周期胞结构复合装甲抗射流侵彻性能研究中[8]提出的柴油液体径向汇聚的理论，由应力波反射原理可得射流冲击波经六边形内壁反射后在汇聚通道上的压强为

(2)

根据准定侵彻常理论[9]和史进伟等[10]进行的射流侵彻水夹层间隔靶的理论和实验研究，可以得出射流侵彻背板和液体后射流的剩余头部速度为

(3)

其中：ρt1为金属背板密度；ρt2为液体密度；ρj为射流密度；c2为液体声速；λ2为液体的Hugoniot参数；Rt为液体动态屈服强度；rc1为径向汇聚半径；rj为射流头部半径；r为密闭容器内腔半径；ɑ为冲击波的衰减系数；Z0为虚拟原点到密闭结构表面的距离；vj2为射流侵彻背板结束后的头部速度；vj3为射流侵彻液体后的剩余头部速度；h为液体高度；δ为密闭容器壁厚。射流侵彻密闭容器示意图如图1所示。

1.2　理论结果及分析

采用无壳体聚能装药基准弹、柴油液体、LC4铝合金、紫铜等参数为计算依据，根据上述理论分析的式(1)、式(2)得出密闭结构半径与液体径向汇聚的关系；通过式(1)、式(3)得出密闭结构壁厚、高度对射流头部速度的关系，理论结果如图2。

2　仿真校验

2.1　仿真模型及方案

聚能装药采用文献[8]中∅56 mm无壳体基准成型装药，起爆方式为中心起爆，炸高为80 mm。密闭结构由等壁厚六边形密闭容器与腔内柴油液体组成，密闭容器外接圆半径为r、内腔高度为h、壁厚为b。所设计的7种仿真方案如表1所示。

表1　仿真方案　mm

2.2　仿真结果及分析

1) 外接圆半径r对饱含柴油密闭容器抗射流侵彻性能的影响

在内腔半径r=20 mm、25 mm和30 mm的数值仿真中，射流受到了不同程度的干扰，射流除了头部的自然断裂外，还有由于柴油干扰所引起的中后部速度区间出现的紧缩甚至断裂。从仿真中得到了射流出现断裂的时间与密闭容器半径的关系，如图3所示。

随着半径的增大，射流断裂的时间增长，这是因为射流侵彻柴油形成的冲击波和壁面反射冲击波在柴油液体中传播距离增加，延长了汇聚的柴油液体与射流接触的时刻，从而导致受干扰射流中最大速度的不同。内腔半径越大，射流受干扰的速度区间越往射流尾部移动。这是由于随着柴油液体直径的增大，冲击波压力在液体中衰减得越多，导致后面柴油液体汇聚对后续射流的干扰程度减小。

2) 内腔高度h对饱含柴油密闭容器抗射流侵彻性能的影响

通过射流侵彻内腔高度h=20 mm、30 mm和40 mm的六边形密闭结构的仿真得出，随着容器内腔高度的增加，射流断裂时间也不断推迟，受干扰速度区间如图4所示。

上述3种断裂现象都是因为射流在穿过密闭容器时柴油液体径向汇聚导致的。随着容器内腔高度的增大，受干扰的射流轴向速度区间中最大速度越大、最小速度越小。这是因为随着容器内腔长度的增加，液体的高度也增加，从而使射流在液体中运动的时间得以增长，则液体径向汇聚作用于射流的时间增长，受到干扰的射流微元数目增多、区间增大，加剧了液体对射流的侵蚀，消耗射流的能量同时也在增加，从而对干扰射流起到了很好的效果。

江都三站原机组为可逆式机组,因此同转速发电时，只要考虑部分辅助设备调整改造需增加的投资，经估算约为20万元；年发电运行管理费平均约10万元；同转速发电量比变极发电量低，经实测约为变极发电的60%，根据江都三站历史发电数据统计，变极发电平均年效益约为108.24万元，同转速发电效益约为64.94万元。

3) 壁厚b对饱含柴油密闭容器抗射流侵彻性能的影响

射流侵彻六边形密闭结构壁厚b=3 mm、5 mm和7 mm的胞元后，由仿真结果得到，随着容器壁厚的增大，射流开始侵彻柴油液体时的速度减小，初始形成的冲击波强度也减小，干扰射流的速度区间如图5所示。

结果表明，随着容器壁厚的增加，射流消耗的能量增加，从而射流穿过密闭结构后剩余的头部速度减小，在柴油中形成的冲击波强度也略微减小。当冲击波到达侧壁时，要在壁面上形成反射，六边形结构由壁面反射的冲击波和由棱边反射的冲击波存在压力梯度，液体的运动存在速度差，使得射流受力不均匀，射流受干扰效果更明显。

3　结论

射流穿过正六边形饱含柴油液体密闭结构时，由于液体的径向汇聚，使射流受到干扰，提前断裂，受干扰程度与正六边形密闭结构的尺寸息息相关。通过理论分析与数值仿真的比较研究得到：

1) 随着半径的增大，射流断裂的时间增加，射流受干扰的速度区间往射流尾部移动，柴油液体径向汇聚对后续射流的干扰程度减小；

2) 射流侵彻内腔高度不同的饱含柴油液体六边形密闭结构时，随着容器内腔高度的增加，射流受干扰的时间提前，受干扰的速度区间“上移”；

3) 射流侵彻不同壁厚的六边形饱含柴油液体密闭结构时，随着容器壁厚越大，射流侵彻容器壁消耗的能量增加，从而导致射流受到的干扰增大。

参考文献：

[1]XUE Z,HUTCHINSON J W.A comparative study of impulse-resistant metal sandwich plates[J].International Journal of ImpactEngineering,2004,30(10):1283-1305.

[2]ZHU F,ZHAO L,LU G,et al.Deformation and failure of blast-loaded metallic sandwich panels—Experimental investigations[J].International Journal of Impact Engineering,2008,35(8):937-951.

[3]LIAGHAT G H,NIA A A,DAGHYANI H R,et al.Ballistic limit evaluation for impact of cylindrical projectiles on honeycomb panels[J].Thin-Walled Structures,2010,48(1):55-61.

[4]CRUPI V,EPASTO G,GUGLIELMINO E.Collapse modes in aluminium honeycomb sandwich panels under bending and impact loading[J].International Journal of Impact Engineering,2012,43(5):6-15.

[5]祖旭东,黄正祥,顾晓辉.尺寸效应对复合靶抗射流侵彻性能影响研究[C]//中国系统仿真学会成立20周年大会暨2009年学术年会.北京：中国系统仿真学会,2009.

[6]邓磊,王安稳,毛柳伟,等.方孔蜂窝夹层板在爆炸载荷下的吸能特性[J].振动与冲击,2012,31(17):186-189.

[7]肖强强,黄正祥,顾晓辉.冲击波影响下的聚能射流侵彻扩孔方程[J].高压物理学报,2011,25(4):333-338.

[8]高振宇.周期胞结构复合装甲抗射流侵彻性能研究[D].南京：南京理工大学，2016：15-20.

[9]张俊坤，高欣宝，熊冉，等．射流对间隙靶板屏蔽炸药的冲击起爆[J]．含能材料，2014，22(5):607-611．

[10] 史进伟,罗兴柏,蒋建伟,等.射流侵彻水夹层间隔靶的理论和实验研究[J].含能材料,2016,24(3):213-218.