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杀爆战斗部破片对厚壁钢管的毁伤效应研究pdf

归档日期:08-08       文本归类:毁伤效果      文章编辑:爱尚语录

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  杀爆战斗部破片对厚壁钢管的毁伤效应研究沈晓军,,张鹏翔,孙韬,刘娟,王晓鸣(�南京理工大学机械工程学院,江苏南京�中国人民解放军部队,北京)��摘要:采用静爆试验与数值仿真的方法,研究了杀爆战斗部破片对厚壁钢管的毁伤效应。根据Tresca准则和厚壁圆筒强度理论,给出了厚壁钢管的失效判据。研究了破片形状、着角、质量、速度等因素对毁伤效果的影响。研究结果表明,杀爆战斗部在厚壁钢管侧方或前方近处爆炸,形成的破片对厚壁钢管有较为明显的破坏效应。所给出的数据及对毁伤规律的分析,对厚壁钢管生存能力的分析和战斗部的设计与改进提供了参考依据。��关键词:爆炸力学破片毁伤侵彻试验数值仿真��中图分类号:TJ�文献标志码:A文章编号:�()����收稿日期:��杀爆战斗部在厚壁钢管侧方或前上方起爆,形成大量高速破片,会对厚壁钢管造成侵彻毁伤。其表现形式之一是破片冲击厚壁钢管外表面形成的凹坑(以下简称破片坑)。如果破片坑达到一定深度,当钢管中通过高压气体或高压水流时,钢管可能沿这些部位失效。因此,破片对厚壁钢管的冲击毁伤效应是一个有研究价值的问题。建立表面凹坑导致钢管失效的判据,研究不同形状、不同质量、不同速度的破片对厚壁钢管的冲击毁伤效应,对杀爆战斗部设计、厚壁钢管设计与防护措施的选取等都具有重要的参考价值和实用意义。�失效判据在钢管内壁承受高压气体等均布载荷的情况下,根据Tresca准则,钢管截面强度为py=k�s��,()式中:�s为钢管材料屈服强度�=ba,为钢管外内半径之比k为动载系数,通常取为�~�若钢管表面出现凹坑,凹坑处的截面强度将会降低。凹坑越深,强度越低,当()式成立时,认为钢管失效。py�pi,()式中pi为钢管内壁承受的压力。取�=(bh)a,其中h为凹坑深度,代入()式、()式,经推导,表面凹坑导致钢管失效的判据为h�bak�sk�spi,()式中b=ad,其中d为钢管壁厚度。故()式又可写为h�daak�sk�spi()由()式、()式可见,失效判据与钢管材料的屈服强度、管壁内外半径及钢管内壁承受的压力等因素有关。由()式、()式,可以计算并给出凹坑临界深度与管壁厚度、钢管内壁所承受的压力等参数的关系曲线。如果假定钢管内径为mm,钢管材料屈服强度假定为MPa,取k=�,计算得到的凹坑临界深度与钢管内壁所承受的压力、管壁厚度的关系曲线如图、图所示。当钢管内壁承受的压力为MPa时,由图中的数据可以看出,导致mm厚钢管失效的临界凹坑深度为mm,本文以此为判据,对试验及数值仿真结果进行分析。�试验及分析试验设置由厚壁圆钢管与杀爆战斗部组成,如图所示。管壁厚度是mm,内径为mm钢管材料屈服强度为MPa钢管下方为圆柱状杀爆战斗部,距钢管�~�m,其轴线与厚壁钢第卷第期年月兵工学报ACTAARMAMENTARIIVolNoJul图�凹坑临界深度与钢管内壁所承受的压力关系Fig�Relationshipbetweenpits�criticaldeepsandpressuresoninnersurfacesofpipes�图�凹坑临界深度与管壁厚度的关系Fig�Relationshipbetweenpits�criticaldeepsandthicknessesofpipes�管平行。战斗部直径为mm,内装�kg的A����炸药。图�试验装置示意图Fig�Schemeoftestequipment�把此装药静爆形成的破片按照~g、~g、~g等质量区间分级,统计出不同质量区间破片的数量,并计算出不小于质量区间下限的破片数目占破片总数的百分率,绘制成破片破碎率曲线,如图所示。结合破片破碎率曲线,选取~g范围的破片进行统计平均,算得破片平均质量为�g经测量,破片的长径比在�~�之间。图显示的是此种战斗部爆炸后形成的几个典型破片。图为杀爆战斗部静爆后形成的破片冲击在厚壁钢管上产生的凹坑情况。试验数据统计结果显示:破片坑口部最大尺寸(以下简称坑口直径)在~mm之间,平均值为�mm,坑深~mm,平均值为�mm根据失效判据,判定试验用钢管失效。图�破片破碎率曲线Fig�Curveofsmashratio�图�几个典型的破片Fig�Severaltypicalfragments�图�破片对钢管的冲击效果Fig�Effectsbyfragment�simpactiontotube��数值仿真分析��建模根据对称性,建立了的模型结构,图(a)、图(b)是长方体破片侵彻钢管的模型和网格划分。破片和钢管材料均采用了JOHNSON�COOK模型,对流动应力采用如下表达式:�y=(AB�np)(Cln��*)(T*m),()式中:A、B、C、n、m为输入常数�p为有效塑性应变��*=��p��,��*是��=s时的有效塑性应变率�第期杀爆战斗部破片对厚壁钢管的毁伤效应研究(a)模型(a)Model(b)网格(b)Mesh图�模型的结构及网格划分Fig�Themodel�sconfigurationandthemesh�spartition�T*=(TTr)(TmTr)()()式中:T*为相应温度T为实际温度Tr为室内温度Tm为材料熔点。材料断裂时的应变值由下式给出:�f=(DDexpD�*)(Dln�*)(DT*),()式中:Di(i=,�,)是输入常数�*是压力p与有效应力�eff的比值,�*=p�eff()当损伤参数D=���p�f()的值达到时,发生断裂。材料模型的部分参数见文献。战斗部破片平均速度由格尼公式计算:va=Egmems�mems,()式中:mems为战斗部炸药质量与金属壳体质量的比值Eg为炸药的格尼能,其值与炸药的爆速近似成线性关系:Eg=��De,()式中De为炸药爆速。将战斗部装药的有关参数代入,算得破片平均速度va=ms当战斗部到钢管距离小于m时,破片飞行过程中的速度衰减可忽略不计。用有限元程序数值计算时采用了Lagrange坐标,破片与靶板的碰撞接触算法采用了侵蚀算法。��比较破片长细比(高与底面边长之比)取为�(与试验所得破片长细比相接近),质量根据试验结果取平均质量为�g,速度取理论计算所得破片的平均速度ms,管壁厚度取为mm,计算得到的破片坑的典型形状如图所示。图(a)、图(b)、图(c)分别是长方体破片正侵彻、着角�斜侵彻、着角�斜侵彻钢管所形成的破片坑形状这些坑形与试验拍摄到的破片坑的形状(见图)较为相似。其中图(a)是由模型对称为模型所得的图片图(b)、图(c)是模型的图片。(a)正侵彻(a)Penetrationofimpactangle�(b)着角�侵彻(b)Penetrationofimpactangle��(c)着角�侵彻(c)Penetrationofimpactangle�图�数值模拟所得破片坑的典型形状Fig�Numericalpicturesofthetypicalshapesofthepitsimpactedbyfragments�计算得到的破片坑尺寸平均值与试验测试值的平均值较为接近,数据列于表中。表�侵彻凹坑试验值与模拟值的比较Tab�Comparisonbetweenthetestdimensionofthepenetratingpitsandthesimulationdimension项目口部直径mm深度mm试验均值��仿真值��误差��分析在以下分析中,模型的设置情况,除了变化需进行分析的影响因素以外,其它因素与�中的正侵彻模型一致。���破片形状的影响选择了圆柱形、长方体形、球形、正方体形种破片。其中圆柱形破片的长径比为�,长方体形破片的长细比为�,后种破片的长径比为数值仿真结果显示:前种破片的侵彻深度较为接近。其中长细比较大的种破片形成的凹坑深度较大,且其值更为接近。根据中的判据及表所列数据,认为种形状的破片均可导致钢管失效。表的有关数据表明:破片质量相同、长细比接近时,破片形状的略微变化对侵彻效果的影响不是兵�工�学�报第卷十分明显。因此,以长方体破片作为典型破片进行仿真具有代表性。下面几种影响因素的分析,即以长方体形破片为主。表�破片形状影响侵彻效果的有关数据Tab�Somedatapresentingtheeffectsofthefragment�sfigureonpenetration破片形状坑深mm破片形状坑深mm圆柱形�球形�长方体形�正方体形����破片着角的影响着角是破片着靶时其飞行方向与碰撞点处管壁外表面法线的夹角。对破片以不同着角冲击环形管壁的情况进行了数值仿真,以模拟实际破片以不同着角撞击厚壁圆钢管的情况,部分结果见表所示。表�破片着角影响侵彻效果的有关数据Tab�Somedatapresentingtheeffectsofthefragment�saviationdirectiononpenetration倾角(�)破片坑口部尺寸mm坑深mm��������������破片跳飞��破片跳飞数值仿真结果表明,在表所示的有关条件下,当着角增大时,破片坑口部尺寸增大,深度减小。根据失效判据及表有关数据,当着角不大于�时,将导致身管失效。当着角超过�时,破片将跳飞。由此可估算不同起爆位置处破片在身管上的有效破坏区域。���破片质量的影响当破片质量在�~�g变化时,冲击形成的坑口直径在�~�mm之间。随着破片质量的增加,侵彻深度增加,其变化范围是�~�mm,具体数据见图根据失效判据,判定身管失效。其中,当质量超过�g时,破片将击穿身管。���破片入射速度的影响当破片速度在~ms时,冲击形成的坑口直径在�~�mm之间变化。随着破片入射速度的提高,侵彻深度增加,其变化范围是�~�mm,具体数据见图图�质量对侵彻效果的影响Fig�Theeffectsoffragment�squalityonpenetration图�破片速度对侵彻效果的影响Fig�Theeffectsoffragment�svelocityonpenetration���当破片速度超过ms时,根据失效判据及图中的有关数据,判定厚壁圆钢管失效。�结论)对于内径为mm、内壁将要承受MPa气体压力、屈服强度为MPa的圆钢管,当管壁厚度为mm,取动载系数为�时,导致其失效的临界表面凹坑深度为�mm)直径为mm、内装�kgA����炸药的战斗部,在厚壁钢管侧方或前方近处爆炸,形成的自然破片冲击到mm厚的钢管外表面,所形成的凹坑口部形状多为近似圆形或椭圆形,侵彻凹坑口部的平均直径为�mm,平均深度为�mm根据结论)中的条件和判据,判定厚壁钢管失效。)数值仿真结果表明:长径比为�的破片,当其质量大于g、速度超过ms,或质量大于�g、速度超过ms时,冲击mm厚的钢管,造成的破片坑深在�mm以上。根据结论)中的条件和判据,判定厚壁圆钢管失效。参考文献�韩育礼允许少量永久变形的身管强度设计方法J兵工学�第期杀爆战斗部破片对厚壁钢管的毁伤效应研究报,,():�BaumDW,HonodelCA,SchneiderDPEffectofmaterialstrengthmodelsintheformationdynamicsofathree�dimensionalexplosivelyformedpenetratorRComparisionofCalculationswithExperimentDE,�马杰引信终点弹道仿真研究D北京:北京理工大学研究生院,�隋树元,王树山终点效应学M北京:国防工业出版社,:�恽寿榕,涂候杰,等爆炸力学计算方法M北京:北京理工大学出版社,:�ResearchonThickBarrel�sDamagesDuetoImpactionbyFragmentsofHighExplosiveProjectileSHENXiao�jun,,ZHANGPeng�xiang,SUNTao,LIUJuan,WANGXiao�ming(SchoolofMechanics,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu,ChinaUnitNoPLA,Beijing,China)Abstract:Explosivetestandnumericalsimulationwerecarriedouttoexaminethedamageeffectsofhighexplo�siveprojectiletothicktubeAccordingtoTrescaguidelineandthickcylinder�sstrengththeories,thecriteriaoftube�sfailurewerededucedTheeffectsoffragment�sfigure,aviationdirectionmass,velocityondamagewereexploredTheresearchresultsindicatethatifhighexplosiveprojectileexplodesnearorinfrontofthethicksteeltubeinsomeshortdistance,thegeneratedfragments�impactionswillcausecleardamagestothesteeltubeThegivendataandtheanalysestodamagelawcanbeusedasreferencebasistoanalysesofthicktube�sviabilityandtodesignandimprovementofwarheadKeywords:explosivemechanicsfragmentdamagepenetrationtestnumericalsimulation兵�工�学�报第卷

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