高速破片侵徹防護(hù)液艙試驗研究

沈曉樂 朱 錫 侯海量 陳長海

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

高速破片侵徹防護(hù)液艙試驗研究

沈曉樂 朱 錫 侯海量 陳長海

海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

為研究水下接觸爆炸產(chǎn)生的高速破片在水中的侵徹特性，針對3.3 g立方體破片進(jìn)行了水下彈道試驗，結(jié)果表明：破片的侵徹阻力系數(shù)受形狀的影響較大，撞擊隔板時產(chǎn)生壓縮波使破片產(chǎn)生墩粗和侵蝕，造成破片迎流面積的增加和質(zhì)量的下降，從而使破片在速度較高時侵徹深度反而下降。

爆炸力學(xué)；高速破片；防護(hù)水艙；侵徹阻力

1 引言

水下接觸爆炸的2個主要毀傷元素是沖擊波和高速破片，其中高速破片的初始速度可以達(dá)到1 000 m／s以上，具有很強(qiáng)的穿甲破壞能力。為抵御高速破片的侵徹，大型艦船主要通過設(shè)置隔離水艙或重油艙衰減吸收高速破片的動能，以減小其對后續(xù)防護(hù)結(jié)構(gòu)的穿甲破壞。

在水下彈道特性的研究方面，上世紀(jì)70年代，磯部孝等［1］對侵徹速度在 500 ～800 m／s下彈體的入水及跳彈，水中侵徹能力等問題進(jìn)行了大量的試驗研究，并提出了不同彈型侵徹能力的一系列經(jīng)驗公式。Varas［2］對封閉水箱的水錘效應(yīng)進(jìn)行了試驗研究，指出球形彈初始速度是影響封閉結(jié)構(gòu)變形程度的重要因素，并認(rèn)為拖曳和開空腔是產(chǎn)生塑性變形的重要階段，但是作者主要考慮了破片侵徹過程中封閉容器的響應(yīng)和破壞程度，并未對球形彈在液體中的侵徹能力進(jìn)行分析；Masahiro［3］通過對球形彈侵徹封閉液艙進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，激波能占破片初始動能的很小一部分，但是彈速較低，并不能模擬爆炸產(chǎn)生高速破片對結(jié)構(gòu)的破壞作用。國內(nèi)對水下彈道特性的研究主要集中在長桿型彈體不同頭部形狀的空化作用和減阻效應(yīng)，而針對形狀不規(guī)則的高速破片水下侵徹特性問題還未見相關(guān)報道［4－6］。

與以往試驗研究多選用制式彈頭或球形彈頭不同，本文結(jié)合防雷艙結(jié)構(gòu)和爆炸產(chǎn)生高速破片的形狀特點選用立方體破片作為研究對象，對破片在防護(hù)液艙中的侵徹能力進(jìn)行了試驗研究，并對經(jīng)驗公式阻力系數(shù)進(jìn)行了修正，對防雷艙的設(shè)計有一定的參考意義。

2 試驗設(shè)計

水下爆炸高速破片主要來自戰(zhàn)斗部殼體爆炸產(chǎn)生的碎片與艦艇舷側(cè)外板破裂產(chǎn)生的碎片，其特征尺寸基本與外板厚度相當(dāng)，約為20 mm。破片在進(jìn)入防護(hù)液艙之前首先穿透分隔艙壁，其厚度一般為5～10 mm，艦用防護(hù)液艙布置如圖1所示。因此試驗在幾何相似的基礎(chǔ)上對破片侵徹防護(hù)液艙的過程進(jìn)行模擬，按照近似3∶1的縮比設(shè)計選取7.5 mm破片作為防護(hù)液艙的防御對象，破片材料為45號鋼，經(jīng)淬火處理，隔板的厚度設(shè)置為3.5 mm。同時為了提高破片穿透隔板后剩余速度，試驗另外選用了1 mm板作為試驗對象，破片和隔板材料參數(shù)如表1所示。

試驗用破片發(fā)射裝置為14.8 mm口徑的滑膛彈道槍，采用火藥推進(jìn)，發(fā)射速度由藥量控制。為保證發(fā)射所必須的密封性和達(dá)到規(guī)定的速度，破片用特制的鋁合金彈托包覆，破片出膛后彈托自動分離。破片入射速度通過專制靶網(wǎng)測得。在設(shè)計試驗用水艙時考慮到爆炸產(chǎn)生破片分散近似于一個平面，在進(jìn)入液艙后由于不同破片間相互作用，使得單個破片的作用水域如同一個半封閉的狹長水道，因此，采用如圖2所示的水箱形式，長寬高分別為1 500 mm、400 mm和600 mm，注水深度為400 mm。破片和隔板材料參數(shù)如表1所示。

表1 試驗材料參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of targets and fragment

3 試驗結(jié)果

彈道試驗時，高速破片穿過防護(hù)液艙隔板后，進(jìn)入防護(hù)液艙，在艙內(nèi)水的阻力作用下侵徹一段［7］距離后速度逐漸衰減到零。破片撞擊隔板初速度通過特質(zhì)靶網(wǎng)測得，穿透隔板入水剩余速度可由相關(guān)公式求出，具體試驗結(jié)果如表2所示。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 破片穿透金屬隔板后剩余特性

破片進(jìn)入液艙之前，首先會撞擊前置隔板，圖3、圖4所示為破片穿透隔板后的剩余特性。由圖3可以看出，立方體破片發(fā)生明顯的侵蝕，迎彈面根部出現(xiàn)塊狀剝離的現(xiàn)象，且速度越高彈體的剩余高度越低，侵蝕越明顯。破片撞擊液艙前置隔板瞬間會在破片內(nèi)部產(chǎn)生壓縮波，引起頭部速度的降低，同時壓縮波向破片尾部傳播，壓縮波傳播到尾部之前，破片尾部速度不變，尾部和頭部的速度差導(dǎo)致破片中部形成擠壓帶，由于這個區(qū)域的應(yīng)力超出了材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，造成破片的碎裂侵蝕。且速度較高，破片的侵蝕也越嚴(yán)重。

表2 彈道試驗結(jié)果Tab.2 Ballistic experiment results

若忽略破片侵徹過程中水對隔板的影響，由于隔板厚度與破片特征長度之比 b／d＜0.5，屬于典型的薄板穿甲問題，隔板主要發(fā)生剪切沖塞破壞。相關(guān)文獻(xiàn)［7］采用的剩余速度計算方法為：

式中，ρt為隔板密度；ρp為靶板密度；b 為隔板厚度；d為破片直徑；l為破片長度；τ為靶板剪切強(qiáng)度；ct、cp為隔板和破片材料中的聲速；Vi破片初始速度；Vr為剩余速度；V50為彈道極限。根據(jù)米塞斯屈服準(zhǔn)則Q235鋼的動態(tài)剪切強(qiáng)度取為271 MPa。由式（2）計算出的破片入水速度如表2所示。

4.2 方形破片阻力系數(shù)的確定

相關(guān)文獻(xiàn)［7-8］認(rèn)為破片在水中運(yùn)行過程中阻力的大小與速度的平方成正比，并認(rèn)為阻力系數(shù)Cd為常數(shù)，由此得到破片侵徹距離S與速度v的關(guān)系。

式中，v0為初速度；A為迎流面積；ρ為水的密度；m為破片質(zhì)量。文獻(xiàn)［1-2］的阻力系數(shù)分別取為0.32、0.4，通過和試驗數(shù)據(jù)對比，試驗數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式計算存在較大誤差。文獻(xiàn)試驗中選用的是柱型彈或球型彈，與本文試驗中選用的立方體型有較大差異，導(dǎo)致破片侵徹過程中阻力狀況不同，因此有必要對其阻力系數(shù)進(jìn)行修正。表3顯示了文獻(xiàn)［1］的修正值與本文試驗結(jié)果的比較。當(dāng)阻力系數(shù)取為0.15時，經(jīng)驗公式與試驗值誤差約為10%。

表3 經(jīng)驗值與試驗值比較Tab.3 Comparision between empirical and experimental rusults

4.3 隔板厚度對破片侵徹能力的影響

圖5所示為立方體破片撞擊3.56 mm隔板后的形貌，破片出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，頭部產(chǎn)生類似蘑菇型的迎流面，部分破片甚至出現(xiàn)嚴(yán)重碎裂的情況。由表2可以看出3.56 mm隔板能顯著降低立方體破片在液艙中的侵徹距離，撞擊3.56 mm隔板后的侵徹能力是撞擊1 mm隔板破片侵徹能力的約一半。首先對于初速度相當(dāng)?shù)钠破矒?.56 mm隔板后剩余速度小于撞擊1 mm隔板剩余速度，這樣撞擊較厚隔板的破片的侵徹能力會有所降低。另外撞擊較厚隔板破片的變形更為嚴(yán)重，破片迎流面積大于撞擊1 mm隔板破片如圖4、圖5所示，造成侵徹阻力增加，侵徹距離下降。因此隔板厚度的增加能夠有效降低破片在防護(hù)液艙中的侵徹能力。

4.4 破片的侵徹能力

由圖6可以看出，在本文的試驗點范圍內(nèi)，隨著速度的增加，破片在水中的侵徹距離先增加，隨后有一定程度的降低。破片在水中的侵徹距離與破片質(zhì)量、迎流面積和入射速度相關(guān)。在速度較低時，破片的墩粗變形較小，如圖7所示。由于破片墩粗變形引起的破片侵徹能力的變化不能改變破片侵徹距離隨速度增大而增加的趨勢，破片的侵徹距離隨速度遞增；隨著速度的進(jìn)一步增加，由于墩粗變形的顯著增大和質(zhì)量的下降，破片的侵徹能力呈下降趨勢。

5 結(jié)論

本文通過彈道試驗對破片的水下彈道性能進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明：

1）破片的侵徹阻力受其形狀的影響較大，對不同形狀的破片阻力系數(shù)應(yīng)進(jìn)行修正；對于邊長7.5 mm 的立方體破片阻力系數(shù) Cd＝0.15， 經(jīng)驗公式計算侵徹距離與試驗吻合較好。

2）隔板厚度對破片的侵徹能力影響較大，增加隔板厚度能顯著降低破片入水速度，同時使破片產(chǎn)生嚴(yán)重的墩粗塑性變形，從而顯著增加破片侵徹阻力，降低破片在液艙中的侵徹能力。

3）對于試驗采用破片，在速度較低時破片在液艙中的侵徹距離隨速度的增加而增加；隨著速度的提高破片將產(chǎn)生墩粗和侵蝕，造成迎流面積的增加和質(zhì)量的下降，從而使破片侵徹能力在速度較高時反而下降。

［1］磯部孝.水下彈道的研究［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1983.

［2］VARAS D，LóPEZ J P， R.Zaera Experimental analysis of fluid－filled aluminium tubes subjected to high－velocity impact ［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36：81－91.

［3］MASAHIRO N， KOICHI T.Experimental study of perforation and cracking of water－filled aluminum tubes impacted by steel spheres［J］.International Journal of Impact Engineering， 2006，32：2000－2016.

［4］顧建農(nóng)，張志宏，范武杰.旋轉(zhuǎn)彈丸入水侵徹規(guī)律［J］.爆炸與沖擊，2005，25（4）：341－349.

［5］熊天紅，易文俊，吳軍基，等.水下高速射彈超空泡流特性分析［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2008（4）：6－9.

［6］蔣增輝，于開平，張嘉鐘，等.水下航行體通氣超空泡形態(tài)及阻力特性試驗研究工 ［J］.工程力學(xué)，2007，24（4）：152－158.

［7］錢偉長.穿甲力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1984.

［8］王永虎，石秀華.入水沖擊問題研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.爆炸與沖擊，2008，28（5）：276－282.

Experimental Study on Penetration Properties of High Velocity Fragment into Safety Liquid Cabin

Shen Xiao－le Zhu Xi Hou Hai－liang Chen Chang－h(huán)ai
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

In order to study penetration properties of high velocity fragment produced by underwater contact explosion， underwater ballistic experiments of 3.3 g cubic fragment was carried out， the results show that resistance coefficient of fragment is significantly influenced by the fragment shape.When the fragment crash on the steel plate，it will bring about great compress wave which makes fragment generate mushrooming and erosion， so the incident flow area increases and the weight decreases， consequently the underwater penetration ability of the fragments decrease with the increasing of velocity.

explosion mechanics； high velocity fragment； safety liquid cabin； penetration resistance

O353.4

A

1673－3185（2011）03－12－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.003

2010-09-15

沈曉樂（1985－），男，碩士研究生。研究方向：艦艇抗爆抗沖擊。E-mail：sxl04401014＠sina.com

朱 錫（1961－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)，艦艇抗爆抗沖擊。E-mail：zhuxi816＠163.com