局部改性弹体低速贯穿金属靶板的破坏形式研究

沈正祥 李亚哲 张宏亮 杨辉 王芳 周克 刘峰涛

引用本文:
Citation:

局部改性弹体低速贯穿金属靶板的破坏形式研究

    作者简介: 沈正祥(1984—), 男, 博士, 主要从事材料爆炸与冲击动力学研究. E-mail: shenzx84@163.com;
  • 基金项目: 冲击环境材料技术重点实验室基金 C32146
    宁波市自然科学基金 2015A610069

  • 中图分类号: O385; TJ413.1

Experimental Studies on Failure Mode of Low Speed Projectilesby Local Modification on Steel Plates

  • CLC number: O385; TJ413.1

  • 摘要: 为研究局部改性弹体结构的破坏和质量损失规律,设计了不同改性特征的侵彻弹体,在380~500 m/s速度范围内进行了侵彻装甲靶板的实验研究,并对弹体的破坏形式、质量损失等问题进行了探讨。结果表明:随着初始速度的增加,实验弹体的弹长侵蚀率及相对质量损失率相应增加,而弹径磨损率变化较小;穿靶后实验弹体以头部剪切断裂为主要破坏形式,但主体部分仍然保持稳定。改性工艺①和工艺⑤既与弹体强度有较好的匹配性,又可保持良好的破碎性能。
  • 图 1  实验弹体实物

    Figure 1.  Structural schematic of cylindrical projectiles

    图 2  弹体表面的改性区与基体组织

    Figure 2.  Structure of hardened layers and bulk materials

    图 3  实验系统示意图

    Figure 3.  Schematic of experiment system

    图 4  穿靶后弹体头部的失效破坏情况

    Figure 4.  Failure of projectiles after impacting experiments

    图 5  两种弹体头部的断面形貌

    Figure 5.  Fracture surface of the head of 2 projectiles

    图 6  穿靶后结构完整的弹体

    Figure 6.  Projectiles of structural integrity after impacting experiments

    图 7  不同条件下弹长侵蚀率变化

    Figure 7.  Corrosion rate of projectile length vs. impact velocity

    图 8  不同条件下弹径磨损率变化

    Figure 8.  Corrosion rate of projectile diameter vs. impact velocity

    图 9  不同条件下弹体的质量损失率

    Figure 9.  Mass loss of projectile vs. impact velocity

    图 10  弹体结构示意图

    Figure 10.  Schematic of projectile

    图 11  穿靶后10#、6#和1#弹体破片的数量分布

    Figure 11.  Cumulative number distributions of 10#, 6# and 1# projectiles

    表 1  局部改性工艺

    Table 1.  Processes of local modification

    Technical parameter Voltage/(kV) Focus current/(mA) Scan speed/(mm/s) Projectile No.
    60 520 90 8#, 10#
    60 515 70 2#, 3#
    50 405 75 4#, 5#
    60 400 70 9#
    50 410 90 6#, 7#
    None 1#
    下载: 导出CSV

    表 2  弹体侵彻装甲靶板实验结果

    Table 2.  Experimental results of penetration into RHA target

    Projectile No. Target thickness/(mm) Mass of projectile/(g) Technical parameter Impact velocity/(m/s) Results
    1# 4 107.0 None 494 Perforation with projectile nose destroyed
    2# 4 107.2 407 Perforation with projectile nose destroyed
    3# 4 105.5 417 Perforation with projectile nose destroyed
    4# 4 106.6 427 Perforation with projectile nose destroyed
    5# 4 106.1 441 Perforation with projectile nose destroyed
    6# 4 105.6 441 Perforation with projectile integrity
    7# 4 105.8 440 Perforation with projectile integrity
    8# 4 107.1 443 Perforation with projectile integrity
    9# 4 107.5 484 Perforation with projectile nose destroyed
    10# 4 105.1 443 Perforation with projectile integrity
    下载: 导出CSV

    表 3  穿靶后弹体的质量损失

    Table 3.  Variation of the projectiles mass after impacting

    Projectile No. m0/(g) mf/(g) $ \frac{{\Delta m}}{{{m_0}}}/\left( \% \right) $
    1# 107.0 100.3 6.20
    2# 107.2 104.9 2.10
    3# 105.5 104.3 1.10
    4# 106.6 106.5 0.09
    5# 106.1 103.7 2.26
    6# 105.6 105.5 0.09
    7# 105.8 105.4 3.70
    8# 107.1 107.0 0.09
    9# 107.5 103.6 3.62
    10# 105.1 105.0 0.09
    下载: 导出CSV
  • [1] 徐文铮, 王晶禹, 陆震, 等.弹性弹体侵彻混凝土靶板的过载特性研究[J].振动与冲击, 2010, 29(5):91-95. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2010.05.020
    XU W Z, WANG J Y, LU Z, et al.Drag acceleration characteristic of penetration of elastic projectiles into a concrete target[J].Journal of Vibration and Shock, 2010, 29(5):91-95. doi: 10.3969/j.issn.1000-3835.2010.05.020
    [2] WOODWARD R L.Penetration of semi-infinite metal targets by deforming projectiles[J].Int J Mech Sci, 1982, 24(2):73-87. doi: 10.1016/0020-7403(82)90039-X
    [3] MEYERS M A.Effects of metallurgical parameters on shear band formation in low-carbon steels[J].Metall Trans A, 1990, 21:3153-3164. doi: 10.1007/BF02647311
    [4] FORRESTAL M J, PIEKUTOWSKI A J.Penetration experiments with 6061-T6511 aluminum targets and spherical nose steel projectiles at striking velocities between 0.5 and 3.0 km/s[J].Int J Impact Eng, 2000, 24(1):57-67. doi: 10.1016/S0734-743X(99)00033-0
    [5] MISHRA B, RAMAKRISHNA B, JENA P K, et al.Experimental studies on the effect of size and shape of holes on damage and microstructure of high hardness armour steel plates under ballistic impact[J].Mater Des, 2013, 43:17-24. doi: 10.1016/j.matdes.2012.06.037
    [6] 皮爱国, 黄风雷.大长细比结构弹体侵彻2024-O铝靶的弹塑性动力响应[J].爆炸与冲击, 2008, 28(3):252-260. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.03.010
    PI A G, HUANG F L.Elastic-plastic dynamic response of slender projectiles penetrating into 2024-O aluminum targets[J].Explosion and Shock Waves, 2008, 28(3):252-260. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2008.03.010
    [7] 王可慧, 耿宝刚, 初哲, 等.弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失的实验研究[J].高压物理学报, 2014, 28(1):61-68.
    WANG K H, GENG B G, CHU Z, et al.Experimental studies on structural response and mass loss of high velocity projectiles penetrating into reinforced concrete targets[J].Chinese Journal of High Pressure Physics, 2014, 28(1):61-68.
    [8] 陈小伟, 张方举, 梁斌, 等.A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的试验研究[J].爆炸与冲击, 2006, 26(3):199-207. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2006.03.002
    CHEN X W, ZHANG F J, LIANG B, et al.Three modes of penetration mechanics of A3 steel cylindrical projectiles impact onto 45 steel plates[J].Explosion and Shock Waves, 2006, 26(3):199-207. doi: 10.3321/j.issn:1001-1455.2006.03.002
    [9] 王富耻, 王琳, 李树奎, 等.空心侵彻弹侵彻金属靶板的细观损伤行为研究[J].兵工学报, 2004, 25(3):359-362. doi: 10.3321/j.issn:1000-1093.2004.03.025
    WANG F C, WANG L, LI S K, et al.Micro-damage study of hollow steel projectiles impacting steel plates[J].Acta Armamentarii, 2004, 25(3):359-362. doi: 10.3321/j.issn:1000-1093.2004.03.025
    [10] 刘峰涛, 袁书强, 陈炯, 等.高能束控制破碎弹体威力对比研究[J].兵器材料科学与工程, 2008, 31(1):67-70. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2008.01.018
    LIU F T, YUAN S Q, CHEN J, et al.Comparative study on the shell power after high-energy-beam controlled fragmentation[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2008, 31(1):67-70. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2008.01.018
    [11] 陈炯, 袁书强, 周春华, 等.高能束控制破碎钨合金壳体破碎效果研究[J].兵器材料科学与工程, 2010, 33(6):62-64. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2010.06.019
    CHEN J, YUAN S Q, ZHOU C H, et al.Fragmentation effect of tungsten alloy shells controlled by high-erengy-beam[J].Ordnance Material Science and Engineering, 2010, 33(6):62-64. doi: 10.3969/j.issn.1004-244X.2010.06.019
    [12] SILLING S A, FORRESTAL M J.Mass loss from abrasion on ogive-nose steel projectiles that penetrate concrete tergets[J].Int J Impact Eng, 2007, 34:1814-1820. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2006.10.008
    [13] 武海军, 黄风雷, 王一楠, 等.高速侵彻混凝土弹体头部侵蚀终点效应实验研究[J].兵工学报, 2012, 33(1):48-55.
    WU H J, HUANG F L, WANG Y N, et al.Experimental investigation on projectile nose eroding effect of high-velocity penetration into concrete[J].Acta Armamentarii, 2012, 33(1):48-55.
    [14] ZHONG W Z, SONG S C, CHEN G, et al.Stress field of orthotropic cylinder subjected to axial compression[J].Applied Mathematics and Mechanics, 2010, 31(3):305-316. doi: 10.1007/s10483-010-0304-z
  • [1] 王可慧耿宝刚初哲周刚李明古仁红宁建国 . 弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失的实验研究. 高压物理学报, 2014, 28(1): 61-68. doi: 10.11858/gywlxb.2014.01.010
    [2] 杨阳何涛文鹤鸣 . 弹体侵彻混凝土靶板过程中磨蚀问题的计算. 高压物理学报, 2012, 26(1): 83-88. doi: 10.11858/gywlxb.2012.01.012
    [3] 沈正祥袁书强陈炯刘峰涛周春华王芳杨辉 . 局部淬火金属柱壳破碎性的研究. 高压物理学报, 2015, 29(4): 293-298. doi: 10.11858/gywlxb.2015.04.009
    [4] 亓曾笃周军学曹振骏王明忠 . 多晶金刚石复合材料的某些质量问题. 高压物理学报, 1991, 5(3): 215-219 . doi: 10.11858/gywlxb.1991.03.009
    [5] 胡栋韩肇元张寿齐赵玉华王炳仁陈军蔡庆军姚协成董石孙珠妹 . 炸药爆炸变形和首次破碎的研究. 高压物理学报, 2004, 18(3): 198-202 . doi: 10.11858/gywlxb.2004.03.002
    [6] 管公顺牛瑞涛庞宝君 . 铝球弹丸高速正撞击铝网防护屏破碎特性的数值模拟研究. 高压物理学报, 2013, 27(5): 671-676. doi: 10.11858/gywlxb.2013.05.003
    [7] 李长顺刘天生王凤英高永宏 . 伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究. 高压物理学报, 2009, 23(2): 155-160 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.02.013
    [8] 吴普磊李鹏飞杨磊赵向军宋浦 . 长径比对侵彻阻力的影响. 高压物理学报, 2018, 32(2): 025105-1-025105-4. doi: 10.11858/gywlxb.20170631
    [9] 王可慧初哲周刚王金海朱玉荣闵涛韩娟妮 . 串联动能侵彻弹侵彻混凝土靶研究. 高压物理学报, 2005, 19(1): 93-96 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.01.016
    [10] 赵月红张丹丹赵晓玲战再吉 . 铝合金刷电枢的电磁发射特性研究. 高压物理学报, 2016, 30(3): 184-190. doi: 10.11858/gywlxb.2016.03.002
    [11] 刘小虎祝涛 . 颗粒体侵彻数值计算方法研究. 高压物理学报, 2010, 24(1): 21-25 . doi: 10.11858/gywlxb.2010.01.004
    [12] 邓云飞张伟曹宗胜陈勇 . 分段弹侵彻效率的数值模拟研究. 高压物理学报, 2011, 25(3): 251-260 . doi: 10.11858/gywlxb.2011.03.010
    [13] 胡静邓云飞孟凡柱姜颖 , . 分段杆弹侵彻效率的数值模拟. 高压物理学报, 2015, 29(6): 410-418. doi: 10.11858/gywlxb.2015.06.002
    [14] 郭婷婷任会兰宁建国 . 陶瓷复合靶板的抗侵彻模型. 高压物理学报, 2014, 28(5): 551-556. doi: 10.11858/gywlxb.2014.05.007
    [15] 王迎春王洁杜安利牛天林 . 动能杆侵彻目标靶毁伤效果研究. 高压物理学报, 2014, 28(2): 197-201. doi: 10.11858/gywlxb.2014.02.010
    [16] 钟卫洲宋顺成张方举张青平黄西成李思忠卢永刚 . 复合材料弹侵彻混凝土靶的研究. 高压物理学报, 2009, 23(1): 75-80 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.01.013
    [17] 周宁任辉启沈兆武何祥刘瑞朝 . 卵形头部弹丸侵彻混凝土的研究. 高压物理学报, 2007, 21(3): 242-248 . doi: 10.11858/gywlxb.2007.03.004
    [18] 王政倪玉山曹菊珍张文金吾根 . 基于速度势侵彻模型的应用研究. 高压物理学报, 2005, 19(1): 10-16 . doi: 10.11858/gywlxb.2005.01.003
    [19] 王凤英刘迎彬刘天生胡晓艳 . 强冲击载荷下氧化铝陶瓷靶破坏过程的SPH数值模拟. 高压物理学报, 2012, 26(4): 415-420. doi: 10.11858/gywlxb.2012.04.009
    [20] 迟润强管公顺庞宝君张伟唐颀 . 碎片云动量特性数值仿真研究. 高压物理学报, 2009, 23(1): 59-64 . doi: 10.11858/gywlxb.2009.01.010
  • 加载中
图(11)表(3)
计量
  • 文章访问数:  197
  • 阅读全文浏览量:  27
  • PDF下载量:  49
出版历程
  • 收稿日期:  2016-07-08
  • 录用日期:  2016-09-07
  • 刊出日期:  2017-04-25

局部改性弹体低速贯穿金属靶板的破坏形式研究

    作者简介:沈正祥(1984—), 男, 博士, 主要从事材料爆炸与冲击动力学研究. E-mail: shenzx84@163.com
  • 1. 北方材料科学与工程研究院宁波所,浙江宁波 315103
  • 2. 中国兵器科学研究院,北京 100089
基金项目:  冲击环境材料技术重点实验室基金 C32146宁波市自然科学基金 2015A610069

摘要: 为研究局部改性弹体结构的破坏和质量损失规律,设计了不同改性特征的侵彻弹体,在380~500 m/s速度范围内进行了侵彻装甲靶板的实验研究,并对弹体的破坏形式、质量损失等问题进行了探讨。结果表明:随着初始速度的增加,实验弹体的弹长侵蚀率及相对质量损失率相应增加,而弹径磨损率变化较小;穿靶后实验弹体以头部剪切断裂为主要破坏形式,但主体部分仍然保持稳定。改性工艺①和工艺⑤既与弹体强度有较好的匹配性,又可保持良好的破碎性能。

English Abstract

    • 随着高强高韧材料和结构越来越多地应用在穿甲防护领域,半穿甲弹体在撞击初期或侵彻过程中不可避免会出现结构稳定性问题,即弹体有可能面临动态失效破坏,将严重影响弹体的侵彻效应和后续的毁伤威力。这种现象主要与侵彻速度、方向、弹靶材料和弹体结构等相关[1]

      目前对侵彻过程中弹体变形和破坏的研究以细长弹体居多,如Woodward[2]、Meyers[3]、Forrestal等[4]、Mishra等[5]提出的头部质量消蚀和塑性变形方式,这两种方式的作用条件由弹靶之间相对硬度、屈服强度决定。皮爱国等[6]研究了大长细比结构弹体侵彻2024-O铝靶的弹塑性动力响应,给出了轴向及横向载荷交互作用下计算刚塑性自由梁危险截面屈服函数的控制方程。王可慧等[7]研究了弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失,确定了多种弹体变形破坏形式。陈小伟等[8]分析了A3钢钝头弹撞击45钢板的破坏模式并发现,随着弹体和靶体经历不同的结构破坏模式,弹材和靶材也经历了相当复杂的材料失效。王富耻等[9]研究了3种钢制截卵形空心侵彻弹侵彻45钢板的细观损伤机制后得出,微孔洞和绝热剪切损伤机制为弹体的细观损伤机制。与之相比,局部改性侵彻弹体的结构相对复杂,在不损害材料连续性的前提下,通过局部改性工艺在弹体表面引进组织和性能不均匀的间断区(改性区),从而控制弹体破碎生成破片的质量和数量分布[10-11]。该工艺可有效提高弹体后续的破片毁伤威力,但在侵彻过程中弹体的结构稳定性问题有待深入研究。

      本工作以细长结构侵彻弹体为研究对象,经局部改性工艺预制破片后,在380~500 m/s速度范围内侵彻装甲靶板,着重研究穿靶后弹体的破坏形式和质量损失规律,以期为今后研究半穿甲战斗部威力及设计提供参考。

    • 实验弹体如图 1所示。采用尖卵形细长圆柱体,前端实心,后端中空,长径比为7,外径为15 mm,壁厚为4 mm。弹体内装填等比重沙土以模拟实际装药,弹体材料为30CrMnSiNi2A钢,其屈服强度为1 350 MPa,拉伸强度极限为1 440 MPa,伸长率为14%,冲击功为70 J。

      图  1  实验弹体实物

      Figure 1.  Structural schematic of cylindrical projectiles

      利用局部改性工艺对实验弹体预制破片,该工艺主要以高能束轰击弹体表面,在极短的时间内加热钢至其相变点以上。由于高能束能量极高且集中,加热区呈细长形分布,可以依靠自激冷却而转变为晶粒较细的改性区。如表 1所示,采用5种工艺参量,分别以工艺①、②、③、④、⑤表示,共预制10发弹体。图 2为经局部改性工艺预制后的实验弹体,可看到改性区在弹体表面呈网格状分布,并且晶粒明显细化,从而与基体形成性能差异[10-11]。所有改性弹体设计的有效破片质量均为0.2~0.5 g,不同工艺对应不同的改性区宽度、深度等特征,有可能影响到侵彻过程中弹体结构稳定。实验前所有改性弹体均通过工业无损检测技术扫描,并未发现明显的损伤和裂纹。靶板材料选用616装甲钢(RHA),靶面尺寸为400 mm×400 mm,厚度为4 mm,以嵌入方式固定于支架平台。

      Technical parameter Voltage/(kV) Focus current/(mA) Scan speed/(mm/s) Projectile No.
      60 520 90 8#, 10#
      60 515 70 2#, 3#
      50 405 75 4#, 5#
      60 400 70 9#
      50 410 90 6#, 7#
      None 1#

      表 1  局部改性工艺

      Table 1.  Processes of local modification

      图  2  弹体表面的改性区与基体组织

      Figure 2.  Structure of hardened layers and bulk materials

    • 实验在Ø37 mm弹道炮上进行,弹体与弹托经弹道炮发射进入靶室,触发测速装置后撞击靶板。测速探针信号可测量弹体速度,并触发高速摄影仪记录着靶姿态和撞击过程,记录幅频为18 ms-1。靶板后安装回收箱软回收弹体,以减小二次破坏效应。实验系统如图 3所示。

      图  3  实验系统示意图

      Figure 3.  Schematic of experiment system

    • 表 2为全部实验弹体侵彻装甲靶板的实验数据,其中1#弹体未进行局部改性预制破片,用于与改性弹体的侵彻性能对比。实验中弹体均穿透靶板,其中:1#、2#、5#、9#弹体头部破坏,3#弹体头部少量破坏,4#弹体头部发生塑性变形,6#、7#、8#、10#弹体保持完整。

      Projectile No. Target thickness/(mm) Mass of projectile/(g) Technical parameter Impact velocity/(m/s) Results
      1# 4 107.0 None 494 Perforation with projectile nose destroyed
      2# 4 107.2 407 Perforation with projectile nose destroyed
      3# 4 105.5 417 Perforation with projectile nose destroyed
      4# 4 106.6 427 Perforation with projectile nose destroyed
      5# 4 106.1 441 Perforation with projectile nose destroyed
      6# 4 105.6 441 Perforation with projectile integrity
      7# 4 105.8 440 Perforation with projectile integrity
      8# 4 107.1 443 Perforation with projectile integrity
      9# 4 107.5 484 Perforation with projectile nose destroyed
      10# 4 105.1 443 Perforation with projectile integrity

      表 2  弹体侵彻装甲靶板实验结果

      Table 2.  Experimental results of penetration into RHA target

    • 图 4为回收弹体照片,相比于原始弹体,穿靶后弹体表面均存在黑色高温烧蚀痕迹。1#弹体(未改性)、2#弹体(工艺②)、3#弹体(工艺②)、4#弹体(工艺③)、5#弹体(工艺③)、9#弹体(工艺④)除头部出现少量断裂造成部分质量损失外,弹身(改性区域)未发生明显弯曲或宏观的断裂、损伤,结构基本保持稳定。选取1#弹体、5#弹体头部断面进行SEM扫描,如图 5(a)图 5(b)所示,两种弹体头部断面较为平滑,并与圆柱的外表面呈一定角度,均为靶板材料对弹体的切削作用形成的剪切断面。需要注意的是,当采用工艺①、工艺⑤对弹体预制破片时,穿靶后的改性弹体(6#、7#、8#、10#)头部和主体结构均保持稳定,没有出现明显的塑性变形和破坏,如图 6所示。

      图  4  穿靶后弹体头部的失效破坏情况

      Figure 4.  Failure of projectiles after impacting experiments

      图  5  两种弹体头部的断面形貌

      Figure 5.  Fracture surface of the head of 2 projectiles

      图  6  穿靶后结构完整的弹体

      Figure 6.  Projectiles of structural integrity after impacting experiments

    • 对回收弹体进行观察分析可以发现, 弹体的主要破坏形式为头部塑性变形或剪切断裂,变形或破坏程度主要取决于侵彻速度和改性工艺。根据实验前、后弹体的长度及径向尺寸的变化,可以估算出侵彻过程中弹体的弹长侵蚀率(ΔL/L)和弹径磨损率(ΔD/D)变化[7],其中L为实验前弹体长度,ΔL为侵蚀长度,D为实验前弹体直径,ΔD为弹径磨损尺寸。图 7为弹体的弹长侵蚀率(ΔL/L)随侵彻速度变化曲线,弹长侵蚀率总体随速度变大而略有增加。当弹体采用改性工艺①和工艺⑤时,穿靶后弹体长度保持不变,侵蚀率基本为零。图 8为弹径磨损率(ΔD/D)随速度变化曲线,可看出在不同侵彻速度下,磨损率变化范围为0.93%~1.06%。所有弹体的径向磨损率均较小,表明侵彻过程中弹体没有出现严重的表面烧蚀和墩粗现象。这是因为弹体的尖卵形头部长度大于靶板厚度,侵彻过程的总阻力大部分来自开坑阶段头部阻力,在之后的贯穿过程中弹-靶作用力变小,导致塑性变形和断裂主要集中在弹体头部,而其主体结构的变形量较小。

      图  7  不同条件下弹长侵蚀率变化

      Figure 7.  Corrosion rate of projectile length vs. impact velocity

      图  8  不同条件下弹径磨损率变化

      Figure 8.  Corrosion rate of projectile diameter vs. impact velocity

      对穿靶后弹体称重可得弹体的相对质量损失,如表 3所示,其中m0为弹体的初始质量,mf为回收弹体的质量,Δm/m0表示弹体的相对质量损失率。Silling等[12]通过拟合实验数据,给出了弹体质量磨损与初始撞击动能之间的线性关系,如下

      $ \frac{{\Delta m}}{{{m_0}}} = \frac{{{m_0} - {m_{\rm{f}}}}}{{{m_0}}} = \frac{1}{2}Cv_{\rm{s}}^2 $

      Projectile No. m0/(g) mf/(g) $ \frac{{\Delta m}}{{{m_0}}}/\left( \% \right) $
      1# 107.0 100.3 6.20
      2# 107.2 104.9 2.10
      3# 105.5 104.3 1.10
      4# 106.6 106.5 0.09
      5# 106.1 103.7 2.26
      6# 105.6 105.5 0.09
      7# 105.8 105.4 3.70
      8# 107.1 107.0 0.09
      9# 107.5 103.6 3.62
      10# 105.1 105.0 0.09

      表 3  穿靶后弹体的质量损失

      Table 3.  Variation of the projectiles mass after impacting

      式中:Δm为弹体的质量磨损,vs为初始撞击速度,C为依赖于弹体和靶体材料特征的经验常数。

      表 3中回收弹体的质量损失率与侵彻速度进行绘图,如图 9所示。可以看出, 弹体的质量损失率Δm/m0与侵彻速度v存在近似的线性关系,即Δm/m0=c1v+c0,拟合曲线参数c1=0.026, c0=-9.23。由于侵彻过程中弹体动量的物理意义为侵彻阻力对弹体作用的时间积累[13],故弹体初速度越大,动量也越大,弹体头部由于侵彻阻力质量损失也越多。

      图  9  不同条件下弹体的质量损失率

      Figure 9.  Mass loss of projectile vs. impact velocity

      为便于分析,将弹体结构简化, 如图 10所示。假设弹体圆筒部分长为l, 外径为R,内径为r,弹体总质量为m, 侵彻靶板瞬时加速度为a;圆筒部分x处的横截面为圆环形,其面积A(x)=π(R2-r2), 质量为ρA(x)dx(ρ为圆筒密度)。根据牛顿第二定律,弹体侵彻阻力F及轴向应力σx

      $ F = ma $

      $ {\sigma _x} = F/A\left( x \right) = {[{\rm{ \mathsf{ π} }}({R^2} - {r^2})]^{ - 1}}\int_0^x {\rho A\left( x \right)a\;{\rm{d}}x} $

      图  10  弹体结构示意图

      Figure 10.  Schematic of projectile

      σx=0x=0处弹体横截面的轴向应力,则由(3)式可得

      $ {\sigma _x} = {\sigma _{x = 0}} + \rho a\int_0^x {A\left( x \right){\rm{d}}x/A\left( x \right) = {\sigma _{x = 0}} + \rho ax} $

      由(4)式可知,在侵彻过程中, 弹体横截面应力跟距离x呈正比,即截面应力分布从弹头到弹尾线性递减,因此弹头部分将承受高压阻力,属于弹体相对薄弱的位置[14]。对于局部改性弹体侵彻问题,弹体可能的失效破坏形式为弹头压溃,而弹体及改性区域基本完整,与实验结果一致。

      对回收弹体装药进行水箱静爆试验, 可得到弹体破片的分布特征。图 11为相同条件下穿靶后10#弹体(工艺①)、6#弹体(工艺⑤)和1#弹体(自然破碎)的破片数量分布结果,可看出,10#、6#弹体的有效破片数量仍远高于1#弹体。一般认为,局部改性弹体的有效破片越多,相应的杀伤威力也越大[11]。破碎性实验结果表明,侵彻目标后,相比未改性弹体,局部改性工艺可使弹体保持较高的毁伤威力。

      图  11  穿靶后10#、6#和1#弹体破片的数量分布

      Figure 11.  Cumulative number distributions of 10#, 6# and 1# projectiles

      综上所述,局部改性弹体头部的侵蚀效应是弹体结构与靶板材料相互作用的一个复杂过程,弹体初速度越高,弹体头部破坏越严重,质量损失也越大,但弹体的主体结构保持完整。采用不同工艺对弹体局部预制破片,不会影响其侵彻能力,可满足实际工程需要。采用工艺①和工艺⑤预制的实验弹体穿靶后,弹体结构基本完整,可能与多种因素有关,可作为下一步研究内容。

    • 在380~500 m/s初速度范围内,对局部改性弹体侵彻装甲靶板进行了实验研究,着重考察了穿靶后弹体结构破坏和质量损失的规律。结果表明:随着侵彻速度的增加,弹体的弹长侵蚀率及相对质量损失率相应增加,而弹径磨损率变化较小;穿靶后弹体以头部剪切断裂为主要破坏形式,其中局部改性弹体与未改性弹体的宏观破坏程度相当,但其主体及改性区部分仍然保持稳定。经改性工艺①和工艺⑤预制破片的实验弹体穿靶后,弹体结构基本完整,质量损失率为零,并且破碎性能保持良好。

参考文献 (14)

目录

    /

    返回文章
    返回