破片模拟弹速度衰减规律试验研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:中国兵器工业试验测试研究院基金项目()中国兵器工业试验测试研究院青年托举基金项目()作者简介:马营()男硕士助理研究员:.通信作者:胡杰()男博士研究员:.:./.破片模拟弹速度衰减规律试验研究马 营胡 杰冯志威杨 江支凯艳王昊东(.中国兵器工业试验测试研究院 陕西 华阴 .西安工业大学 机电工程学院 西安)摘要:针对材料防护性能评估试验中所用的 破片在空气中的运动规律问题设计了一种符合北约 装甲材料和防护服弹道试验方法标准的破片模拟弹 采用试验研究、数值仿真和理论分析相结合的方法对破片在距离炮口 内空气中运动的速度衰减规律进行了研究通过 弹道炮发射破片模拟弹通过多组区截装置获得了破片在 /范围内的速度数据结合破片运动方程建立了速度衰减模型推导了破片运动过程中迎风面积极值 结果表明:仿真与实测速度的最大误差为.破片速度衰减系数 为.建立的破片速度衰减模型为 .破片的空气阻力系数 仅与其轴线和水平平面的夹角有关取值范围为.通过试验验证研究建立的破片速度衰减模型计算的破片速度与实测数据相吻合可准确预判 破片在距离炮口 内给定位置点的速度在进行防护等级为 级的材料防护性能评估试验时炮目距可取 关键词:破片速度衰减衰减系数空气阻力系数试验测试本文引用格式:马营胡杰冯志威等.破片模拟弹速度衰减规律试验研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):“”./.:引言破片战斗部在对付武器平台、防御工事和地面活动的有生力量上具有良好的毁伤效果 在中越战争的一些战例中破片的致伤比例高达 破片毁伤原理是通过主装药爆炸驱动战斗部壳体产生高速破片依靠其动能对目标进行毁伤 因此在现代战争中新型武器平台的防护性能尤为重要 在材料的防护性能评估试验中依靠战斗部爆炸产生真实的破片开展材料防护能力研究成本比较高战斗部爆炸产生的不同形状以及不同质量的破片对防护材料的毁伤效果也不相同不便于对材料防护能力评估 对此欧美等国提出了破片模拟弹()的概念用以替代不同形状的破片进行破片毁伤能力评估并建立了相应标准 不少学者基于 破片在材料的防护性能方面开展了大量研究赵晓旭等采用.弹道枪驱动 弹体对 钢/芳纶纤维和 钢/芳纶纤维 种结构的复合板进行弹速侵彻试验研究了钢/纤维层合复合板对破片弹速侵彻防护性能的理论分析方法 黄晓明等对纤维增强复合材料层合板与 钢组成的轻型装甲开展弹道试验研究了纤维增强复合材料轻型装甲对高速 弹侵彻的防护性能 张霄针对 形、球形、圆柱形和立方体形破片模拟了 角侵彻 钢均质靶板过程并且通过对比破片的弹道极限速度获取了不同形状破片在不同着靶姿态下的侵彻性能规律 赵中南等通过泡沫铝 弹丸(破片)复合弹模拟联合载荷探究了具备抗多发弹打击的蜂窝点阵陶瓷复合装甲在冲击波与破片联合载荷下的防护性能 然而破片毁伤目标的效率不仅与破片的初始速度有关而且与破片的飞行速度衰减特性有关 在材料防护性能评估试验中破片发射装置与被试目标相距一定的距离直接测试破片冲击被试目标的着靶速度比较困难通常采用测速装置测试破片飞行弹道线上某一点的速度来预判破片冲击被试目标时的着靶速度因此为了能够准确的评判破片的着靶速度需要明确破片在空气中飞行时的速度衰减规律 国内外不少学者针对破片飞行速度衰减规律进行了研究但是对 破片的研究较少 等用传统阻力公式给出了初速为 /标准破片的速度 距离变化曲线 王卓等通过对不同形状破片开展高速侵彻仿真研究分析了高速破片侵彻液舱速度衰减特性 张华丽根据预制破片飞行特点对球形破片、立方体破片、圆柱体破片的速度衰减规律进行了研究 李峰梅等对不同海拔高度下破片速度衰减模型进行修正并开展低气压情况下破片速度衰减特性试验 谭多望等通过研究给出了战斗部小质量不同球形破片速度的衰减规律在开展材料防护性能评估试验时为了准确预估破片着靶速度本文中针对北约 标准防护等级中防护等级为 级规定的速度为()/的 破片通过试验和数值模拟相结合的方法研究了其在 范围内的速度衰减特性并且通过非线性拟合的方法建立 破片速度衰减模型给出了破片飞行过程中的阻力系数范围 试验测试根据北约 的要求:防护等级是指在单独的炮弹爆炸情况下武器平台有 机会存活的能力 对炮弹产生的自然破片的防护性能进行评估时可以采用发射装置发射破片模拟弹的方式进行试验研究防护等级 级的部件验收试验强制用口径为 的破片模拟弹破片模拟弹按照北约 装甲材料和防护服弹道试验方法中的规定进行设计 本文中针对防护等级为 级(破片速度达到 /以 打击车顶)的防护条件进行试验 破片如图 所示破片材质为 钢质量为.图 破片尺寸及 破片.试验系统试验采用 口径弹道炮发射 破片采用区截测马 营等:破片模拟弹速度衰减规律试验研究速装置进行速度测试破片速度通过 个靶距和破片经过 个靶时的时间差来计算 试验时破片测速系统如图 所示主要由弹道炮、个通断靶、计时仪及防护掩体等组成 计时仪型号为 型测量精度为 在距离炮口 处布置靶 其余靶间隔 布置图 试验测试系统.速度测试为了使获得的 破片速度衰减规律具有较强的适应性采用不同装药量共发射了 枚破片获取了 枚 破片的速度数据破片速度 位移数据见表 第 枚破片前 靶公用计时仪故障未测上数据第 枚破片靶 连接线有问题未测上数据计算出第 枚破片在 处的速度为./表 破片速度 位移数据 位移速度/()第 发第 发第 发第 发第 发.数值模拟为了进一步研究破片飞行规律及其受力情况采用 对第一枚及第 枚破片进行空气动力学仿真分析 仿真分析时采用相对运动的方法即:设定破片不动对流体施加与破片大小相等、速度相反的入口流速分析计算破片的阻力、升力、扭矩等数据通过受力分析求解出破片的速度曲线.有限元仿真计算将 中建立的破片模型导入 中并且建立 倍破片直径的矩形流体域划分非结构网格利用分部网格控制对网格进行精细化设置取尾翼部分的最小厚度.作为破片的网格划分尺寸流体域网格取 仿真模型如图 所示 流体采用理想气体模型对其施加.的压强(此为试验靶场实测大气压强)温度取.图 仿真模型.对仿真模型的网格进行尺寸无关性分析网格质量检验结果如图 所示网格质量良好大部分网格处于.之间在流体分析中网格质量大于.时计算一般是收敛的由网格质量带来的计算误差可以忽略不计图 网格质量检验图.破片是超音速飞行采用基于()的 湍 流 模 型 算 法 进 行 仿 真 分 析 其 控 制 方 程兵 器 装 备 工 程 学 报:/./为式():()/()式()中:是一个混合函数对于存在不合适假设的自由剪切流用来约束壁面层的限制数 是应变率的一个定估算值计算结束后破片周围的流场速度分布云图如图 所示从图 中可以看出流场对称分布则仿真参数设置合理 对仿真结果后处理计算出破片飞行时受到的阻力、升力及扭矩结果见表 表中速度为破片在 处的速度表 破片阻力、升力及扭矩数据 序号速度/()阻力/升力/扭矩/().图 破片周围流场速度分布.仿真分析结果与试验对比通过仿真计算得到破片在空气域中受到的阻力、升力及扭矩并且已知破片的质量、质心位置、转动惯量采用式()方法求解破片飞行速度设定破片是沿着 正方向飞行 方向为升力方向 破片参数见表 表 破片参数 名称质量/转动惯量/()破片.()式()中:为破片的质量数值 为破片飞行时间的数值 为破片沿 轴方向速度的数值/为破片沿 轴方向速度的数值/为破片的翻转角速度的数值/为破片在 向位移的数值 为破片在 向位移的数值 为破片的攻角的数值 为破片在相对 轴的转动惯量的数值 为作用在破片上的气动力在 方向上合力的数值 为作用在破片上的气动力在 方向上合力的数值 为作用在破片上 方向上气动力矩数值在不同的入口流速下分别计算出破片的速度采用四阶龙格库塔法拟合破片速度变化情况破片的实测速度和数值计算速度变化情况如图 所示 从图 中可以看出数值计算结果和试验数据比较吻合速度变化趋势一致呈递减规律图 破片速度变化情况.通过对 枚破片试验实测速度数据和数值计算数据误马 营等:破片模拟弹速度衰减规律试验研究差结果统计分析 枚破片的最大误差不超过.破片速度衰减规律研究.破片速度衰减模型的建立对破片在空气中飞行时的速度衰减规律进行研究考虑到破片速度高而且质量小忽略飞行过程中的重力作用和空气阻力径向作用影响假设破片在空气中作一维运动给出高速破片飞行过程中的受力及运动方程:()式()中:为破片质量 为空气密度 为破片迎风面积对于非球形破片而言迎风面积不断发生变化为空气阻力系数 为破片飞行速度破片运动初始条件为:、对于式()进行积分可得到破片速度和飞行时间之间的关系:()式()中:将 /代入式()中积分整理后可得破片速度和飞行距离之间的关系:()式()中:为破片衰减系数破片衰减系数与破片迎风面积、质量等因素有关利用最小二乘法对试验的 枚破片飞行过程中速度 和飞行距离 按照式()进行非线性拟合得到速度衰减系数 和初速 实测速度拟合曲线如图 所示本研究建立的破片速度衰减模型的决定系数 为.拟合关系具有较高可信度图 实测速度与拟合曲线.破片空气阻力系数计算由于破片在飞行过程中不停的翻滚、旋转其飞行姿态是随机变化的迎风面积与阻力系数之间存在很强的相关性 迎风面积是指破片在其速度矢量上的投影面积对 破片模型下部结构进行简化忽略破片下部的倒角区域简化后破片由上部钝角部、中间圆柱部及下部圆柱部组成 破片在飞行中的几种典型姿态如图 所示图 中 表示破片运动方向图 破片飞行中的几种典型姿态.姿态:图()所示破片轴线与水平面垂直的 种运动方式姿态:图()所示破片轴线与水平面平行的 种运动方式姿态:图()所示破片轴线与水平面斜交的 种运动方式破片飞行的姿态取决于其轴线与速度方向夹角 和与水平平面的夹角 的值 令破片底部圆柱部直径为、中间圆柱部直径为、钝角部分最小宽度为、破片高为、中间圆柱部高为、下部圆柱部高为 破片尺寸参数见表 表 破片尺寸参数 .当 、时即为破片轴线与水平面垂直其迎风面积 为 ()为()(兵 器 装 备 工 程 学 报:/./)代入破片参数得 ().()().当 、时即为破片轴线与水平面平行其迎风面积为 /代入破片参数得:/.当 时即为破片轴线与水平面斜交并且忽略底部圆柱底面多于中部圆柱底面的交界面上外露的面积其迎风面积为与、角的函数用()、()表示迎风面积则:()/()/)()()/()()()当 范围内迎风面积()、()不是单调函数令常数项/()/而()()代入式()、式()得到:()()()()将上面两式统一成式()的形式()()对上式两边对、求导数得到:()()()()()()()()()()()由于()()令()()有极大值为仅与 角相关的函数且取最大值时 (/)()代入式()、式()求得:当()()、()(.)时、有最大值 代入破片参数求得:().、().理论上破片在整个运动过程的迎风面积随着姿态的变化有无穷多种则迎风面积 为、的函数、为破片 种飞行姿态出现的频次迎风面积 即:()实际试验中很难统计出破片 种飞行状态出现的频次所以在破片运动方程中我们给出迎风面积 的取值区间.对于破片阻力系数 由式()计算()由式()得出()式()中:为空气密度取./为破片质量.为 破 片 飞 行 中 迎 风 面 积 取.和.破片衰减系数值 为.可得 的取值范围为.速度衰减模型的验证为了进一步验证构建的破片飞行速度衰减模型在相同试验条件下发射 枚破片对破片在 处和 处速度进行测试实测速度与破片速度衰减模型评估速度吻合 破片在 处速度 能保持在 /范围内在进行防护等级为 级的材料防护性能评估试验时炮目距可取 图 为所构建的速度衰减模型与实测数据的比较图 为速度衰减模型残差图 实测数据与预测模型.马 营等:破片模拟弹速度衰减规律试验研究图 速度衰减模型残差.由图 可见发射 枚破片实测速度与所构建速度衰减模型预测速度的残差最大值小于 /结论本文中通过试验研究、数值仿真计算、理论分析相结合的方法对 装甲材料和防护服弹道试验方法中规定的破片在空气中飞行时的速度衰减规律进行了研究得出以下结论:)使用 软件对破片在空气中飞行规律进行研究破片的数值仿真速度与实测速度最大误差为.)采用建立的破片速度衰减模型和非线性拟合方法得到 破片在 /速度范围内的速度衰减系数 为.建立的破片速度衰减模型为 .模型计算破片速度与实测结果吻合在进行防护等级为 级的材料防护性能评估试验时炮目距可取 )对 破片的飞行姿态进行研究获得了迎风面积极值范围空气阻力系数 仅与破片轴线和水平面的夹角有关取值范围为:.参考文献:韩祖南.国外著名导弹解析.北京:国防工业出版社:.:.中国人民解放军总后勤部卫生部.抗美援朝战争卫生工作总结卫生勤务.北京:人民军医出版社:.:.谭小辉张兴金冯立华等.陶瓷复合装甲弹道极限速度与抗重复打击性能研究.弹道学报():.():.赵洪志张建梁振刚等.预制破片杀爆战斗部威力准确评估研究.计算机仿真():.():.:./.:/.:.赵晓旭徐豫新田非等.钢/纤维复合板对破片弹速侵彻吸能机制及分析方法.兵工学报():./.():.黄晓明方志威侯海量等.纤维增强复合材料轻型装甲抗高速 弹侵彻性能.工程塑料应用():.():.张霄.不同形状及着靶姿态破片对 钢靶的侵彻性能研究.北京:中国舰船研究院:.:.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./赵中南韩宾李朗等.蜂窝点阵陶瓷复合装甲在联合载荷下的动态力学行为.振动与冲击():.():.庄志洪路建伟张清泰等.破片速度衰减对命中目标部位的影响.弹道学报():.():./.:.王卓孔祥韶吴卫国.高速破片侵彻液舱的速度衰减特性.兵工学报():.():.张华丽.典型破片速度衰减规律实验研究.南京:南京理工大学:.:.李峰梅熊国松王保等.不同海拔高度下破片速度衰减模型的修正方法.含能材料():.()():.谭多望温殿英张忠斌等.球形破片长距离飞行时速度衰减规律研究.高压物理学报():.():.:.:.谢龙汉赵新宇.流体分析及仿真.版.北京:电子工业出版社:.:.钱林方.火炮弹道学.版.北京:北京理工大学出版社:.:.科学编辑邢柏阳 博士(四川航天系统工程研究所 工程师)责任编辑 徐佳忆马 营等:破片模拟弹速度衰减规律试验研究