張元豪，朱 錫，陳長海

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

破片高速侵徹防護液艙剩余特性研究

張元豪，朱 錫，陳長海

(海軍工程大學(xué) 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

為探討破片高速侵徹液艙后的剩余特性，通過彈道試驗，并結(jié)合有限元分析軟件 Ansys/Ls-Dyna，比較破片侵徹垂直和傾斜液艙后的瞬時余速和運動軌跡。試驗結(jié)果表明：破片穿透液艙前板初期，會產(chǎn)生空泡和射流，空泡大小和射流強度與破片入水初速有關(guān)，而空泡形狀和射流方向則受液艙的傾斜角度影響；破片穿透液艙前板后，在水中的運動軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與破片入水初速有關(guān)。

高速侵徹；防護液艙；剩余特性；有限元

0 引 言

彈丸侵徹下液艙結(jié)構(gòu)的動響應(yīng)問題近些年來受到工程界的廣泛關(guān)注。爆炸型戰(zhàn)斗部接觸爆炸產(chǎn)生的大量高速破片，會對艦船舷側(cè)設(shè)置的防護液艙結(jié)構(gòu)帶來嚴重毀傷。針對高速破片的侵徹，艦艇主要設(shè)置防護液艙衰減吸收高速破片的動能，減小其后續(xù)的侵徹能力，提高艦艇生命力。

因此，國內(nèi)外學(xué)者們針對高速彈體侵徹液艙結(jié)構(gòu)破損問題開展了大量研究工作。McMillen 等[1-2]針對彈體入水沖擊波傳播等問題通過實驗進行了分析。Townsend 等[3]則結(jié)合實驗研究了高速破片侵徹薄壁水箱結(jié)構(gòu)引起的水錘效應(yīng)，并提出了衰減沖擊波壓力的初步構(gòu)想。Disimile 等[4]通過試驗分析了鋼質(zhì)和鋁質(zhì)球形彈丸穿透背水薄鋁板后在水中引起的水錘效應(yīng)，并比較了 4 種不同排列形式下三角形楔形體的沖擊波衰減效果[5]。Deletombe 等[6]比較了密閉水箱和敞開水池兩種情形下水錘效應(yīng)引起的沖擊波壓力差異。國內(nèi)研究者們針對高速破片侵徹防護液艙問題，也開展了大量的研究[7-10]。張振華[11]從能量流的概念出發(fā)，提出液艙結(jié)構(gòu)對沖擊能量的耗散量最大。沈曉樂[12]認為破片在速度較高時侵徹液艙深度反而下降；徐雙喜等[13]分析了液艙前壁對破片速度衰減的影響。

從研究現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，目前針對破片侵徹液艙問題的研究大多集中于穿透背水鋼板后引起的水錘效應(yīng)，對于破片穿透后的水中運動特性研究較少，且研究對象大多為垂直背水薄板。而艦艇為防御破片侵徹通常也布置有傾斜液艙結(jié)構(gòu)，所以研究高速破片對傾斜液艙的侵徹特性對液艙的防護能力有著實際意義。

本文通過彈道試驗，并結(jié)合有限元分析軟件 Ansys/Ls-Dyna 分析了破片高速侵徹液艙后的特性，探討了破片高速侵徹傾斜和垂直液艙前壁后的水中運動特性的差異。

1 試驗設(shè)計

試驗采用 14.5 mm 口徑的滑膛彈道槍系統(tǒng)發(fā)射彈體，通過火藥推進，破片初速采用激光測速系統(tǒng)得到。破片穿透液艙隔離板后的余速采用高速攝影記錄破片水中運動軌跡后進一步處理得到。

為模擬高速破片垂直和斜侵徹防護液艙的情形，制作了 2 種水箱結(jié)構(gòu)，一種是破片垂直侵徹背水鋼板的水箱（水箱Ⅰ），如圖 1 所示；另一種是破片以30°斜侵徹背水鋼板的水箱（水箱Ⅱ），如圖 2 所示。

2 種水箱結(jié)構(gòu)均在高速攝影觀察一側(cè)設(shè)置透明的防彈玻璃，以觀測破片穿透背水鋼板后在水中的運動情況。

試驗彈丸采用質(zhì)量為3.3 g、邊長為 7.5 mm 的立方體破片，破片由經(jīng)淬火處理的 45#鋼加工而成。試驗靶板采用 Q235 鋼，尺寸為 300 mm × 300 mm × 5 mm。

45#鋼及 Q235 鋼的材料參數(shù)如表 1 所示。

表1 材料性能參數(shù)Tab. 1 Material properties

2 有限元仿真

利用有限元軟件 Ls-Dyna，建立高速破片侵徹防護液艙結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真。破片、鋼板以及箱體采用 8 節(jié)點拉格朗日實體單元，為減小計算量，模型截取 1/2，截面采用對稱邊界。在撞擊區(qū)域采用加密網(wǎng)格處理，遠離撞擊區(qū)域網(wǎng)格逐步向四周稀疏過渡。液艙液體采用水介質(zhì)，水域和空氣域選用 8 節(jié)點實體單元，采用單點 Euler/ALE 多物質(zhì)單元算法。為實現(xiàn)水介質(zhì)的流動，將空氣域與水域的網(wǎng)格共節(jié)點（見圖 4）。通過歐拉-拉格朗日罰函數(shù)耦合算法，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)與流體（破片與水、鋼板與水）的耦合。

破片采用 JC 本構(gòu)模型，該模型考慮了應(yīng)變率強化、絕熱升溫引起的軟化效應(yīng)，能反映材料在高應(yīng)變率以及高溫情況下材料性質(zhì)的變化，其狀態(tài)方程為：

式中：σ 為鋼材動屈服強度；εp為塑性應(yīng)變；T為溫度；A為靜態(tài)屈服極限；B為應(yīng)變硬化模量；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；C為應(yīng)變率系數(shù)；為臨界應(yīng)變率；m為熱軟化指數(shù)；Tm為材料的熔點；T0為參考溫度（取室溫）。

由下述方程描述受沖擊區(qū)域材料的失效：

式中：D1～D5為材料常數(shù)；σeff為 Mises 等效應(yīng)力，取D1= 0.8，σh∑ 為材料在三向應(yīng)力狀態(tài)下靜水壓力值，當破壞參數(shù) ?εp/εf=1 發(fā)生失效。

液艙結(jié)構(gòu)采用雙線性彈塑性本構(gòu)模型，材料的應(yīng)變率效應(yīng)由 Cowper-Symonds 模型描述，動態(tài)屈服強度為：

其中：σ0為靜態(tài)屈服強度，Eh為應(yīng)變硬化模量，εp為有效塑性應(yīng)變，ε˙ 為有效應(yīng)變率；D和n為材料參數(shù)；材料失效模型采用最大塑性應(yīng)變失效。破片和液艙結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)與文獻[10]一致。

水采用 Gruneisen 狀態(tài)方程：

式中：ρ0 為密度，c為v0s-v0p曲線的斜率（聲速）；γ0為格呂內(nèi)森參數(shù)；a為 γ0和的一階體積修正量；S1，S2，S3分別為曲線擬合參數(shù)。

氣體狀態(tài)方程為線性多項式：

水和空氣的材料參數(shù)參考文獻[10]。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 試驗結(jié)果

表2 給出了破片以不同入射角度侵徹液艙結(jié)構(gòu)所得到的入水瞬時速度。通過高速攝影得到破片在水中的運動位移時程擬合曲線，計算得到破片入水瞬時速度。

表2 試驗結(jié)果及主要參數(shù)Tab. 2 Experimental results and main parameters

3.2 破片入水過程分析

圖5 給出了工況 1 中 3.3 g 立方體破片以 1 105.0 m/s的初速垂直侵徹液艙結(jié)構(gòu)，穿透 5 mm 鋼板后在水中的運動過程。由圖可知，破片在穿透鋼板后，入水運動過程中產(chǎn)生了較強的空化效應(yīng)，整個入水過程基本保持與初速運動相同的水平彈道軌跡。

圖6 給出了工況 2 中 3.3 g 立方體破片以 1 231.2 m/s的初速垂直侵徹液艙結(jié)構(gòu)，穿透 5 mm 鋼板后在水中的運動過程。從圖中可看出，在破片穿透鋼板后的入水初期，水介質(zhì)中形成的空泡區(qū)域較小，隨著破片的進一步運動，空泡很快增大。由于破片在水中運動引起的激波效應(yīng)，空泡不僅沿破片軌跡方向傳播，還存在向四周傳播的現(xiàn)象。破片在水中的運行軌跡基本上與破片初始入水位置保持水平一致，運動后期還出現(xiàn)了一定的向上偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖7 給出了工況 2 破片垂直正侵徹液艙的數(shù)值仿真過程。由圖可知，破片在侵徹液艙的過程中，頭部產(chǎn)生了嚴重的鐓粗變形。在破片侵徹的過程中，鋼板在撞擊區(qū)邊緣的材料發(fā)生失效侵蝕，同時撞擊區(qū)的材料形成塞塊貼于破片頭部，與破片一起運動，破片出現(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖8 為工況 3 中 3.3 g 立方體破片以 1 058.1 m/s 的初速、30°的入射角侵徹液艙結(jié)構(gòu)，穿透 5 mm 鋼板后在水中的運動過程。由圖可看出，由于穿透鋼板后的速度較低，因此破片運動在水中形成空泡的區(qū)域大小較工況 2 要小得多，且沒有空泡出現(xiàn)橫向擴展的現(xiàn)象，空泡基本上是沿彈體水平運動軌跡傳播。破片在水介質(zhì)中的運動軌跡基本上保持水平，且水平位置與破片初始入水位置保持一致。

圖9 為工況 4 中 3.3 g 立方體破片以 1 290.3 m/s 的初速、30°的入射角侵徹液艙結(jié)構(gòu)，穿透 5 mm 鋼板后在水中的運動過程。由圖可看出，由于破片初速較大入水初期形成的空泡很快增大，空泡還出現(xiàn)了橫向擴展現(xiàn)象。觀察破片在水介質(zhì)中的運動軌跡可看出，破片在水中的運動軌跡基本上與破片入水位置處于相同水平線上。不過，在破片運動的中后期，由于空泡的影響，破片運動過程中出現(xiàn)了一定的向上偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

由圖 10 可看出，破片在斜侵徹液艙的過程中，破片先是以棱邊接觸的形式撞擊鋼板。但是隨著侵徹過程的繼續(xù)，破片逐漸會出現(xiàn)向后的翻轉(zhuǎn)。這是由于破片在侵徹的過程中，會受到鋼靶板較大的阻抗力，阻抗力的方向并不是與靶板的方向垂直，而是與破片侵徹的運動軌跡方向有一定夾角，因此破片受到翻轉(zhuǎn)分量力的作用，從而使破片發(fā)生翻轉(zhuǎn)。破片在斜侵徹的過程中出現(xiàn)了嚴重的頭部鐓粗現(xiàn)象，該現(xiàn)象一直持續(xù)至完全穿透鋼板。

結(jié)合圖 5 和圖 6 可看出，破片穿透垂直鋼板后，入水初期即產(chǎn)生了明顯的射流，射流的方向有向上的，也有向下的，與水平方向的夾角均約為 45°，主要原因是本文中破片高速入水引起的水質(zhì)點的慣性效應(yīng)所致。而進一步分析圖 8 和圖 9 可看出，雖然破片在穿透傾斜鋼板后也產(chǎn)生了上下方向的射流，但由于傾斜鋼板的影響，向上射流的方向平行于鋼板平面，與水平方向成 60°夾角；向下射流的方向仍與水平方向成45°夾角。進一步分析可知，破片入水初期形成的射流強度與破片入水初速有關(guān)，破片入水初速越大，射流越強。由此可見，破片入水初期形成的射流強度與破片入水初速有關(guān)，而射流的方向則受背水鋼板傾斜角度的影響。

4 結(jié) 語

本文通過彈道試驗，并結(jié)合有限元分析軟件 Ansys/Ls-Dyna 分析了破片高速侵徹傾斜和垂直液艙前壁后的水中運動特性的差異，得到如下結(jié)論：

空泡和射流產(chǎn)生在破片穿透液艙前板初期，空泡大小和射流強度主要與破片入水初速有關(guān)，而空泡形狀和射流方向則受背水鋼板的傾斜角度影響；破片穿透液艙前板后，在水介質(zhì)中的運動軌跡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向主要與破片入水初速有關(guān)，破片初速較大時，運動軌跡向上偏，反之則向下偏。

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Research on residual characteristics of protecting liquid cabin penetrated by high-velocity fragments

ZHANG Yuan-hao, ZHU Xi, CHEN Chang-hai
(Department of Naval Architecture Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To explore the residual characteristics of protecting liquid cabin penetrated by high velocity fragments,experiments were carried out, and combine Ansys/Ls-Dyna, comparisons between vertical and inclined liquid cabins penetrated by fragments in terms of instantaneous fragment velocities and moving trajectories result show that, in the earlier stage after the fragment perforating the protecting liquid cabin foreplate, cavities and jets are produced. The cavity size and the jet intensity are both related to entry-water initial velocities of fragments, whereas both the cavity shape and the jet direction are affected by the inclined angle of the protecting liquid cabin. After the perforation of protecting liquid cabin foreplate, the moving trajectories of fragments will deflect, and the deflection direction is related to entry-water initial velocities of fragments.

high-velocity penetration；protecting liquid cabin；residual characteristics；finite element

O344.7

A

1672 - 7619(2017)04 - 0049 - 05

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.010

2016 - 05 - 18；

2016 - 07 - 07

國家自然科學(xué)基金資助項目(51409253)

張元豪(1992 - )，男，碩士研究生，主要研究方向為艦艇防護。