液体密度对单胞结构抗射流侵彻性能的影响*

赵昌方,祖旭东

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

0 引言

近年来,随着科技的发展,国际军备竞争日益尖锐。穿甲弹、破甲弹等得到了空前的发展,其弹种越来越多,功能越来越强大,严重地威胁到了装甲车辆、坦克等地面武器的安全,甚至低空直升机也难逃袭击。防护装甲扮演着盾牌的角色,相应地也得到了飞快的发展,先后出现了均质装甲、复合装甲、反应装甲等多种类型的装甲[1]。在现代战争中,只有提高装甲的防护能力,坦克等武器系统才能获得更多的生存机会,发挥更好的作战能力。

White等[2]验证了饱含水等液体的密闭结构在一定程度上具有很好的抗射流侵彻性能。Andersson等[3]通过X光摄影的手段观察射流侵彻饱含水的密闭结构后,指出液体造成的侵彻通道聚拢会影响射流的侵彻能力。祖旭东等[4]通过实验的方式,验证了饱含聚醚多元醇液体的复合装甲结构会对射流的稳定性造成一定的干扰。高振宇等[5]利用数值仿真的方式对饱含柴油密闭结构抗射流侵彻性能作了分析,指出柴油液体的径向汇聚严重干扰射流的稳定性。

随着现代工业合成技术的发展,一种液体声速可以对应一系列密度值。文中固定液体声速值,进行液体密度对射流侵彻性能的影响研究,力图为饱含液体防护装甲的设计提供科学依据。

1 理论研究

根据射流侵彻密闭结构内液体的干扰机理[6]可知,射流先是在液体中扩孔,然后是经密闭结构内壁反射的冲击波到达侵彻通道孔壁上再次反射使得液体质点反向运动,出现侵彻通道的径向汇聚效应,因此侵彻可分为两个阶段。

1.1 基本假设

为简化计算,忽略密闭结构内底部反射冲击波的影响,根据文献[6]的基本理论作出以下假设:

1)射流垂直侵彻圆形密闭结构,假设射流在到达密闭结构前无任何损失;

2)射流侵彻面板、液体、背板时,其能量损失均视为线性衰减;

3)由于射流侵彻整个胞元的时间非常短,引起的冲击波反射可认为单个高速脉冲作用的结果,其作用时长即为穿过整个胞元厚度的时间;

4)脉冲射流作用时间短,可以不考虑尾数衰减的情况,只考虑波头衰减;

5)假设未受扰动的区域内液体声速小于射流侵彻速度;

6)在极短的距离内,假设冲击波波速不变;

7)射流侵彻液体时,假设射流为一高速圆柱杆。

1.2 液体径向扩孔

根据Dipersio、Simon、Merendino定义的虚拟原点理论,以及射流在密闭结构中引起的冲击波类似于锥形扩散[7],如图1所示。

设vj2为射流头部速度,Z0为虚拟原点到密闭结构上表面的距离,δ为密闭容器厚度,ρt1为容器密度,ρj为射流密度,ρt2为液体密度,c2、λ2为液体的Hugoniot参数(c2为液体声速),Rt为液体动态屈服强度,vs为冲击波在液体中传播的速度,rj为射流头部半径。综合文献[6]的基本理论有假设(5)条件下冲击波影响射流侵彻的速度u为

(1)

根据普朗特流体力学马赫锥和虚拟原点理论,得出扩孔半径rc与时间t之间的变化关系为

(2)

1.3 液体径向汇聚

冲击波在密闭结构内发生反射,与侵彻通道相互作用产生液体径向汇聚效应,从而干扰射流的继续侵彻,物理模型可简化为图2,其干扰能力可以反射波到达孔壁的压力pr来表征。

设c1为容器材料的声速,r为容器内腔半径,rc1为液体径向汇聚的半径,α为冲击波衰减系数。

根据伯努利方程和应力波原理,由文献[6]的基本理论得出射流侵彻液体时反射波经衰减到达通道孔壁时的压力pr为

(3)

1.4 理论结果

采用Φ56 mm无壳体聚能装药,密闭结构为LC4铝合金材料,液体为柴油,药型罩为紫铜,炸高80 mm,进行理论计算。根据液体可合成原理,当液体声速c2一定时,设定不同密度ρt2的值,构成声速相同而密度不同的一系列液体,结合式(1)、式(2)、式(3),单位时间内的影响关系如图3所示。

从图中不难看出,随着液体密度的增大径向汇聚的压强增大,导致射流扩孔能力减小。

2 数值研究

2.1 仿真物理模型

射流侵彻饱含液体的密闭结构有限元仿真物理模型如图4所示,该物理模型由炸药、药型罩、空气域、密闭容器、液体、后效靶六部分组成。鉴于整个仿真模型为旋转体对称结构,仿真时可采用二分之一模型以提高计算效率。

聚能装药为JH-2炸药,材料模型采用高能炸药爆轰模型和JWL状态方程;液体的材料模型采用Null模型和Gruneisen状态方程。JH-2炸药和液体的材料参数见表1,仿真设置的六组液体密度参数如表2。

表1 JH-2炸药和柴油材料参数[8]

表2 液体密度参数

2.2 数值仿真结果

通过数值仿真得出,射流穿深后效靶结果如图5,90 μs断裂情况如图6所示。

2.3 仿真结果分析

根据图5仿真结果可知,剩余穿深随着密度的增大而增大,说明射流受到的干扰随密度增大而逐渐减小。由图6可知,射流受干扰断裂时间随着密度增大而增大。如图7所示,随着密度增大射流受干扰速度区间减小,同时受干扰射流的最大速度也减小,表明密度增大导致射流受干扰程度减小。

3 结论

通过理论分析和仿真研究,得出了周期胞结构单胞密闭容器内液体密度对射流侵彻性能的几个结论,为研究射流侵彻液体复合装甲提供了科学依据。

1)理论研究得出了射流在密闭容器内的径向扩孔半径随着液体密度增大而减小,这是由于液体径向汇聚效应增大而导致的。

2)仿真结果表明,射流的剩余穿深能力随密度增大而增大。射流断裂时受干扰速度区间随密度增大而减小,且干扰区间最大速度也减小。从能量变化的角度来说,由于射流侵彻胞内液体时液体径向汇聚导致径向扩孔减小从而消耗的能量减少,以至于射流穿过密闭结构后剩余侵彻能力增大,这表明理论分析与数值仿真结果相吻合。