陳長(zhǎng)海，侯海量，張?jiān)?，戴文喜，?錫，方志威

破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性＊

陳長(zhǎng)海1，侯海量1，張?jiān)?，戴文喜2，朱 錫1，方志威1

（1.海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北 武漢430033；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064）

為探討破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性，通過(guò)彈道實(shí)驗(yàn)，分析了彈體和靶板的破壞模式，比較了破片侵徹垂直和傾斜背水鋼板后的瞬時(shí)余速和運(yùn)動(dòng)軌跡，以及由此引起的初始沖擊波的壓力特性。結(jié)果表明，破片在高速侵徹下，頭部產(chǎn)生了嚴(yán)重的鐓粗變形，鋼板背后水介質(zhì)的動(dòng)支撐作用不容忽視；背水鋼板的破壞模式主要為剪切沖塞破壞，背彈面穿孔存在絕熱剪切效應(yīng)；破片穿透背水鋼板初期，會(huì)產(chǎn)生空泡和射流，空泡大小和射流強(qiáng)度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；破片穿透背水鋼板后，在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與破片入水初速有關(guān)；由于水介質(zhì)的動(dòng)支撐作用和動(dòng)能耗散效應(yīng)，破片穿透背水鋼板后的動(dòng)能損失要大于穿透背空鋼板的情形；水中初始沖擊波的壓力特性應(yīng)考慮稀疏波的影響；相同初速下，破片侵徹垂直背水鋼板引起的初始沖擊波的峰值壓力較侵徹傾斜背水鋼板要大。

高速侵徹；背水鋼板；剩余特性；初始沖擊波

液艙結(jié)構(gòu)在彈丸侵徹下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題近年來(lái)受到工程界廣泛關(guān)注。戰(zhàn)斗部接觸爆炸會(huì)產(chǎn)生大量高速破片，對(duì)艦船舷側(cè)防護(hù)液艙結(jié)構(gòu)的侵徹會(huì)造成嚴(yán)重毀傷。針對(duì)高速?gòu)楏w侵徹液艙結(jié)構(gòu)的破損問(wèn)題已開(kāi)展了大量研究工作。J.H.McMillen等［1］早在20世紀(jì)40年代就針對(duì)彈體入水沖擊波傳播等問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析。D.Townsend等［2］則結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)高速破片侵徹薄壁水箱結(jié)構(gòu)引起的水錘效應(yīng)做了細(xì)致的研究，并提出了衰減沖擊波壓力的初步構(gòu)想。隨后，R.J.Disimile等［3］通過(guò)實(shí)驗(yàn)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)。D.Varas等［4］則從壓力變化和管壁變形等方面對(duì)球形彈丸侵徹注水方管引起的水錘效應(yīng)進(jìn)行了研究，并分析了注水液面的影響。E.Deletombe等［5］比較了密閉和敞開(kāi)水箱兩種情形下水錘效應(yīng)引起的沖擊波壓力差異。沈曉樂(lè)等［6］、徐雙喜等［7］、李典等［8］針對(duì)高速破片侵徹液艙問(wèn)題也開(kāi)展了大量研究。通過(guò)分析可知，目前針對(duì)破片侵徹液艙問(wèn)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(duì)于破片穿透后的剩余特性研究較少，且研究對(duì)象大多為垂直背水薄板。本文中通過(guò)彈道實(shí)驗(yàn)，分析破片高速侵徹中厚背水鋼板后的剩余特性，從彈體和靶板的破壞模式以及破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速等方面，探討破片高速侵徹傾斜和垂直背水鋼板后的剩余特性的差異，力圖揭示中厚背水鋼板的抗高速侵徹機(jī)理，為后續(xù)的理論分析和數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用15mm口徑滑膛彈道槍，通過(guò)火藥發(fā)射。破片初速采用激光測(cè)速系統(tǒng)（1＃和2＃光幕靶）得到。實(shí)驗(yàn)彈丸采用質(zhì)量3.3g、邊長(zhǎng)7.5mm的立方體破片。破片材料為經(jīng)淬火處理的45鋼。實(shí)驗(yàn)靶板為5mm左右的Q235船用低碳鋼。為模擬破片垂直和斜侵徹背水鋼板的情形，制作了垂直90°和傾斜60°兩種水箱結(jié)構(gòu)，分別如圖1～2所示。

2 彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用高速攝影機(jī)對(duì)破片穿透背水鋼板后在水中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，得到背水鋼板情形下破片余速即彈丸穿透鋼板入水瞬間的速度。表1中給出了彈道實(shí)驗(yàn)結(jié)果及主要參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彈體破壞模式分析

圖3給出了實(shí)驗(yàn)后收集的破片變形破壞形貌。由圖可知，立方體破片不管是侵徹背水鋼板還是背空鋼板，頭部均發(fā)生了嚴(yán)重的鐓粗變形。對(duì)于垂直侵徹情形，破片頭部近似呈圓形；而對(duì)于60°斜侵徹情形，破片頭部雖然也近似呈圓形，但圓形中心向入射速度反方向偏移。進(jìn)一步觀察可知，立方體破片基本上是以面接觸的形式侵徹靶板，且能夠較好地保持侵徹姿態(tài)。

3.2 靶板破壞模式分析

由于鋼板背后有液體存在，使得背液鋼板的抗侵徹過(guò)程及耗能機(jī)制與背空鋼板［9］差異較大。圖4中給出了中厚背水鋼板的典型破壞形貌。由圖4可知，高速侵徹下，中厚背水鋼板的穿甲破壞模式主要是剪切沖塞破壞。對(duì)于垂直和60°斜侵徹兩種侵徹情形，主要區(qū)別在于穿孔形狀。進(jìn)一步觀察圖5可知，背水鋼板在厚度方向存在一定的絕熱剪切現(xiàn)象。這說(shuō)明高速侵徹背水鋼板過(guò)程中，絕熱剪切效應(yīng)不容忽視。而未考慮絕熱剪切效應(yīng)的彈體侵徹背水鋼板的能量耗散理論計(jì)算［7］是不符合實(shí)際情況的。

3.3 破片在水中運(yùn)動(dòng)軌跡分析

破片在水中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程主要包括拖曳和空化兩個(gè)階段［3－4］。破片在水中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，垂直方向則受到水動(dòng)升力和重力及低壓效應(yīng)的共同作用［10］。

結(jié)合圖6～9可知，破片初速較大時(shí)，即穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速較大時(shí)，破片在水中的運(yùn)動(dòng)軌跡向上偏，如工況2（圖7）和工況4（圖9）；相反，則向下偏，如工況3（圖8）；若破片速度能使水動(dòng)升力和重力及低壓效應(yīng)保持平衡，則破片的水中運(yùn)動(dòng)軌跡近似成水平，如工況1（圖6）。進(jìn)一步比較可看出，破片在水中運(yùn)動(dòng)軌跡的偏轉(zhuǎn)主要還是受入水初速的影響，鋼板傾斜角度對(duì)軌跡偏轉(zhuǎn)的影響較小。

結(jié)合圖6～7可看出，破片入水初期即產(chǎn)生了明顯射流，射流方向與水平方向夾角均為約45°。這與彈體低速入水深閉合所產(chǎn)生的鉛垂方向的射流［10］有較大差異。進(jìn)一步分析圖8～9可看出，雖然破片在穿透傾斜背水鋼板后也產(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(jìn)一步結(jié)合圖6～9可知，破片入水初期形成的射流強(qiáng)度與破片入水初速有關(guān)，破片入水初速越大，射流越強(qiáng)。

進(jìn)一步分析圖6～9中空泡的相關(guān)特性可知，破片穿透垂直背水鋼板后的空泡形狀比較對(duì)稱，而穿透60°傾斜背水鋼板后形成的空泡則往下偏。從空泡的大小來(lái)看，主要還是取決于破片穿透背水鋼板后的余速即破片入水初速。

3.4 破片穿透背水鋼板后的余速分析

通過(guò)分析高速攝影圖片得到破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速。通過(guò)擬合求導(dǎo)得到各工況破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速，如表1所示。由表1通過(guò)計(jì)算可知，隨著破片初速提高，背水鋼板單位面密度吸能值相應(yīng)提高。破片初速越高，提高值越大。相對(duì)于背空鋼板而言，相同破片初速下，背水鋼板的單位面密度吸能要稍大。

3.5 初始沖擊波壓力特性分析

大量研究結(jié)果表明［2，5，8］，彈體高速侵徹水介質(zhì)時(shí)形成的沖擊波壓力峰值較大。因此，本節(jié)主要分析初始沖擊波壓力特性。假設(shè)稀疏波以對(duì)稱于自由液面虛擬鏡像波源為起點(diǎn)向外傳播，則初始沖擊波和稀疏波的傳播過(guò)程如圖10所示。以初始沖擊波產(chǎn)生時(shí)刻為起點(diǎn)，得到初始沖擊波傳播至壓力測(cè)點(diǎn)的時(shí)間t1為

式中：Lh為壓力測(cè)點(diǎn)離撞擊點(diǎn)的水平距離，B為壓力測(cè)點(diǎn)離軌跡線的水平橫向距離，D為撞擊點(diǎn)離自由液面的高度，h為壓力測(cè)點(diǎn)離水底高度，H 為自由液面高度，cw為水中聲速。

稀疏波到達(dá)壓力測(cè)點(diǎn)所需的時(shí)間t2為

由于H＞h，因此t2始終要大于t1，但隨著水平距離Lh的增大，t2與t1的差值變小。

考慮到初始沖擊波有一定的持續(xù)作用時(shí)間Δt，若稀疏波在初始沖擊波持續(xù)作用時(shí)間內(nèi)到達(dá)，則需考慮稀疏波對(duì)初始沖擊波的影響；反之，稀疏波對(duì)初始沖擊波無(wú)影響。由此得到以下判據(jù)：

對(duì)于線性可壓縮介質(zhì)而言，波傳播具有頻率恒定的特性［11］。因此，初始沖擊波在水中傳播時(shí)，距離上的幾何衰減僅對(duì)沖擊波載荷幅值即峰值壓力大小產(chǎn)生影響，對(duì)載荷的持續(xù)作用時(shí)間沒(méi)有影響［4］。因而某一壓力測(cè)點(diǎn)上，初始沖擊波持續(xù)作用時(shí)間Δt可按下式計(jì)算［12］：

式中：R為被壓縮水介質(zhì)的區(qū)域半徑，v0w為彈丸（破片）入水初速。

若壓力測(cè)點(diǎn)位于水平彈道軌跡上，則稀疏波和初始沖擊波傳播至該點(diǎn)的時(shí)間差ΔT為

假設(shè)該壓力測(cè)點(diǎn)的初始沖擊波峰值壓力與距離的平方成反比，且近似呈三角形脈沖形式，則考慮稀疏波的影響下，該壓力測(cè)點(diǎn)的比沖量I近似等于：

式中：P（L0）為距離撞擊點(diǎn)L0（L0＜Lh）處的峰值壓力值。

將上式對(duì)D求導(dǎo)得到：

由上式可以看出，撞擊點(diǎn)水深D對(duì)壓力測(cè)點(diǎn)比沖量I的影響與該點(diǎn)離撞擊點(diǎn)距離Lh的3次方成反比，即稀疏波對(duì)初始沖擊波的影響程度隨距離的3次方倒數(shù)下降，說(shuō)明距離越遠(yuǎn)，稀疏波的影響越小。

圖11 中給出了典型工況（工況2）中壓力測(cè)點(diǎn)1～2的初始沖擊波壓力時(shí)程曲線。采用式（1）～（4）計(jì)算得到：工況2中初始沖擊波到達(dá)測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)1的時(shí)間差約為49μs，而實(shí)驗(yàn)得到兩測(cè)點(diǎn)峰值時(shí)間差約為51μs，兩者吻合較好。結(jié)合式（3）的判據(jù)可得，對(duì)于測(cè)點(diǎn)1，稀疏波無(wú)影響；而對(duì)于測(cè)點(diǎn)2，稀疏波有影響。而實(shí)際情況是，測(cè)點(diǎn)2受到了稀疏波影響，測(cè)點(diǎn)1未見(jiàn)明顯影響。因此，考慮破片后續(xù)運(yùn)動(dòng)和空化效應(yīng)影響，本文中對(duì)測(cè)點(diǎn)1～2中稀疏波是否影響的預(yù)測(cè)判別還是比較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。

表2中給出了各工況下壓力測(cè)點(diǎn)1～2各自的初始沖擊波峰值壓力大小。由表2可知，各工況中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2處的初始沖擊波峰值壓力大小順序是相同的，即工況2＞工況4＞工況1＞工況3。由于初始沖擊波峰值壓力大小與破片的入水初速近似呈線性增大［2，4，8，12］，因而由峰值壓力大小順序可反推得到破片入水初速即破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速的大小順序應(yīng)該相同，這與上一節(jié)的分析結(jié)果是一致的。

表2 破片侵徹背水鋼板各工況測(cè)點(diǎn)1～2的峰值壓力測(cè)量結(jié)果Table 2Measured peak pressures of test points 1and 2for cases of water－bakced steel plates penetrated by fragments

4 結(jié) 論

通過(guò)彈道實(shí)驗(yàn)，從彈體和靶板的破壞模式、破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速等方面，分析了破片高速侵徹中厚背水鋼板的剩余特性，得出主要結(jié)論如下：

（1）破片高速侵徹中厚背水鋼板過(guò)程中，頭部會(huì)發(fā)生嚴(yán)重鐓粗變形，而鐓粗變形主要發(fā)生在侵徹背水鋼板階段，但背部水介質(zhì)的“動(dòng)支撐”作用不可忽視；

（2）破片高速侵徹下，中厚背水鋼板的主要破壞模式為剪切沖塞，迎彈面出現(xiàn)靶材的反向飛濺，而背彈面穿孔則存在絕熱剪切現(xiàn)象；

（3）破片穿透背水鋼板初期，會(huì)產(chǎn)生空泡和射流，空泡大小和射流強(qiáng)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；

（4）破片穿透背水鋼板后，在水介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)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(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡向上偏，反之則向下偏；

（5）由于水介質(zhì)的“動(dòng)支撐”作用和動(dòng)能耗散效應(yīng)，破片穿透背水鋼板后的瞬時(shí)余速較穿透背空鋼板后的余速要低，動(dòng)能損失要大；

（6）由于有自由液面的存在，水介質(zhì)中初始沖擊波壓力特性需考慮稀疏波的影響，而稀疏波影響的可能性隨離撞擊點(diǎn)的距離的增大而提高，但影響程度會(huì)大大降低；

（7）相同初速條件下，破片侵徹垂直背水鋼板引起的初始沖擊波的峰值壓力大小較侵徹傾斜背水鋼板要大，但峰值壓力的提高幅度隨破片初速的增大或離撞擊點(diǎn)距離的增大均相應(yīng)減弱。

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Residual characteristics of moderately thick water－backed steel plates penetrated by high－velocity fragments

Chen Changhai1，Hou Hailiang1，Zhang Yuanhao1，Dai Wenxi2，Zhu Xi1，F(xiàn)ang Zhiwei1
（1.Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，Hubei，China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，Hubei，China）

In this study we carried out ballistic tests to explore the residual characteristics of moderately thick water－backed steel plates penetrated by high－velocity fragments.Damage modes of projectiles as well as targets were analyzed.We compared the vertical and inclined water－backed steel plates penetrated by fragments in terms of instantaneous fragment velocities，moving trajectories and the pressure characteristics of induced incipient shockwaves.The results show that serious mushrooming deformation occur on the noses of the fragments during high－velocity penetration，and the dynamic supporting effect of water in the back of the steel plate should be considered in its examination.Damage modes of the water backed steel plates are mainly shear plugging，together with adiabatic shear effect available on the distal side of the perforation holes.In the earlier stage after the fragment perforating the water－backed steel plates，cavities and jets are produced.The cavity size and the jet intensity are both related to the initial velocities of the fragments entering the water，whereas both the cavity shape and the jet direction are affected by the inclined angle of the water－backed steel plates.After the perforation of the water－backed steelplates，the moving trajectories of the fragments will deflect，and the deflection direction is related to the initial velocities.Due to the dynamic supporting as well as the kinetic energy dissipation effects of water，the kinetic energy loss of the fragment perforating waterbacked steel plates is greater than that perforating air－backed steel plates.The influence of the rarefaction wave on the pressure characteristics of incipient shock waves should be considered.Under the condition of the same initial fragment velocity，penetration of the vertical water－backed steel plates result in incipient shock waves with higher peak pressures than those resulting from the penetration of the inclined water－backed steel plates.

high－velocity penetration；water－backed steel plate；residual characteristic；incipient shock wave

O385 國(guó)標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A

10.11883／1001－1455（2017）06－0959－07

2016－04－12；

2016－09－06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51409253，51479204）

陳長(zhǎng)海（1985— ），男，博士，講師，chenchanghai0746＠163.com。

（責(zé)任編輯 曾月蓉）