兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (11): 3868-3878.doi: 10.12382/bgxb.2023.1017
王少宏1, 范瑞军1, 王金英2, 李海杰3, 皮爱国1,*()
收稿日期:
2023-10-17
上线日期:
2024-02-19
通讯作者:
WANG Shaohong1, FAN Ruijun1, WANG Jinying2, LI Haijie3, PI Aiguo1,*()
Received:
2023-10-17
Online:
2024-02-19
摘要:
肥皂靶标广泛应用于创伤弹道领域,作为生物目标等效靶,以观察伤口通道的破坏特征评估弹药的潜在伤害,但目前尚缺乏低附带毁伤弹药的亚毫米颗粒毁伤元对生物目标的损伤标准。采用量纲分析方法确定侵彻空腔的成形特征,根据颗粒驱动试验获得肥皂靶标的实际创伤弹道表现,并结合数值模拟分析亚毫米颗粒的侵彻空腔演化规律,建立亚毫米颗粒对肥皂靶标的临界损伤条件。研究结果表明:亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生以入口直径和空腔深度来表现的圆锥状空腔,不同密度、粒度和速度的亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标产生的空腔存在明显差异,空腔特征与比动能相关;随着颗粒材料密度、粒度和速度的增加,侵彻肥皂靶标产生的空腔容积随之增加,颗粒粒径越大,对肥皂靶标的侵彻深度越深,入口直径扩展至颗粒粒径的2.0~2.5倍;参考常规破片杀伤标准,等效计算不同粒径亚毫米颗粒对肥皂靶标的致伤及不同侵彻深度的能量密度阈值,发现亚毫米颗粒侵彻的能量密度需要超过0.83J/cm2才能对肥皂靶标造成损伤。数值模拟、试验测试和理论分析结果吻合较好,影响规律具有一致性,研究结果可为低附带毁伤战斗部设计及效应评估提供理论参考。
中图分类号:
王少宏, 范瑞军, 王金英, 李海杰, 皮爱国. 亚毫米颗粒侵彻肥皂靶标的空腔特征与致伤阈值[J]. 兵工学报, 2024, 45(11): 3868-3878.
WANG Shaohong, FAN Ruijun, WANG Jinying, LI Haijie, PI Aiguo. Cavity Forming Characteristics of Ballistic Soap Penetrated by Sub-millimeter Particles and Injury Threshold[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(11): 3868-3878.
试验 序号 | 飞行时长/ ms | 侵彻深度/ mm | 开坑直径/ mm | 是否贯穿 |
---|---|---|---|---|
01 | 16.3 | 12 | 0.600 | |
02 | 22.0 | 3 | 0.520 | |
03 | 13.0 | 22 | 0.811 | |
04 | 11.5 | 24 | 0.865 | 否 |
05 | 15.5 | 10 | 0.687 | |
06 | 14.0 | 20 | 0.763 | |
07 | 20.0 | 3.5 | 0.520 |
表1 不同着靶速度下的试验结果
Table 1 Test results at different impact speeds
试验 序号 | 飞行时长/ ms | 侵彻深度/ mm | 开坑直径/ mm | 是否贯穿 |
---|---|---|---|---|
01 | 16.3 | 12 | 0.600 | |
02 | 22.0 | 3 | 0.520 | |
03 | 13.0 | 22 | 0.811 | |
04 | 11.5 | 24 | 0.865 | 否 |
05 | 15.5 | 10 | 0.687 | |
06 | 14.0 | 20 | 0.763 | |
07 | 20.0 | 3.5 | 0.520 |
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | v | σ/GPa |
---|---|---|---|
17 | 117 | 0.35 | 1.506 |
表2 钨合金颗粒材料参数
Table 2 Material parameters of tungsten alloy particles
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | v | σ/GPa |
---|---|---|---|
17 | 117 | 0.35 | 1.506 |
ρ/ (g·cm-3) | E/ GPa | σ/ MPa | EH/ Pa | C1/ Pa | C2/ Pa | C3/ Pa | C4/ Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.2 | 1 | 1 | 1×103 | 0.0 | 0.0 | 2.93×1010 | 0.0 |
表3 肥皂靶标材料参数[26]
Table 3 Material parameters of ballistic soap[26]
ρ/ (g·cm-3) | E/ GPa | σ/ MPa | EH/ Pa | C1/ Pa | C2/ Pa | C3/ Pa | C4/ Pa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.2 | 1 | 1 | 1×103 | 0.0 | 0.0 | 2.93×1010 | 0.0 |
入口直径与 深度 | 粒径/μm | |||
---|---|---|---|---|
200 | 300 | 400 | 500 | |
入口直径/mm | 0.522 | 0.673 | 0.867 | 1.061 |
深度/mm | 6.441 | 12.171 | 18.734 | 21.962 |
表4 不同粒径颗粒侵彻产生的空腔特征
Table 4 Cavity characteristics generated by particles with different sizes
入口直径与 深度 | 粒径/μm | |||
---|---|---|---|---|
200 | 300 | 400 | 500 | |
入口直径/mm | 0.522 | 0.673 | 0.867 | 1.061 |
深度/mm | 6.441 | 12.171 | 18.734 | 21.962 |
入口直径与深度 | 铝 | 陶瓷 | 钢 | 镍 | 钨合金 |
---|---|---|---|---|---|
入口直径/mm | 0.981 | 1.001 | 1.072 | 1.065 | 1.061 |
深度/mm | 4.031 | 5.434 | 9.599 | 11.261 | 21.962 |
表5 不同材料颗粒侵彻产生的空腔特征
Table 5 Cavity characteristics produced by particle penetration of different materials
入口直径与深度 | 铝 | 陶瓷 | 钢 | 镍 | 钨合金 |
---|---|---|---|---|---|
入口直径/mm | 0.981 | 1.001 | 1.072 | 1.065 | 1.061 |
深度/mm | 4.031 | 5.434 | 9.599 | 11.261 | 21.962 |
入口直径与 深度 | 颗粒初速度/(m·s-1) | |||
---|---|---|---|---|
400 | 600 | 800 | 1000 | |
入口直径/mm | 1.061 | 1.451 | 1.593 | 1.810 |
深度/mm | 21.962 | 26.453 | 28.266 | 29.391 |
表6 不同颗粒初速度侵彻产生的空腔特征
Table 6 Cavity characteristics generated by particles penetrating the soap target at different initial velocities
入口直径与 深度 | 颗粒初速度/(m·s-1) | |||
---|---|---|---|---|
400 | 600 | 800 | 1000 | |
入口直径/mm | 1.061 | 1.451 | 1.593 | 1.810 |
深度/mm | 21.962 | 26.453 | 28.266 | 29.391 |
侵彻 深度/mm | 粒径/μm | ||||
---|---|---|---|---|---|
100 | 300 | 500 | 700 | 900 | |
1 | 305 | 225 | 195 | 178 | 166 |
5 | 477 | 352 | 305 | 278 | 260 |
10 | 578 | 426 | 370 | 337 | 314 |
表7 不同粒径及侵彻深度的临界速度
Table 7 Critical velocity of particle penetration m/s
侵彻 深度/mm | 粒径/μm | ||||
---|---|---|---|---|---|
100 | 300 | 500 | 700 | 900 | |
1 | 305 | 225 | 195 | 178 | 166 |
5 | 477 | 352 | 305 | 278 | 260 |
10 | 578 | 426 | 370 | 337 | 314 |
[1] |
刘俊. 低附带弹药毁伤元抛撒机理研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2015.
|
|
|
[2] |
李兵仓. 低附带毁伤弹药概况及其对人体杀伤特点[J]. 创伤外科杂志, 2022, 24(7): 486-489.
|
|
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
刘意. 高密度惰性金属炸药爆轰驱动与粒子流形成过程研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2010.
|
|
|
[8] |
|
[9] |
王辛桐, 汪送. 防暴动能弹终点效应测试靶标研究进展[J]. 测试技术学报, 2022, 36(6):468-478, 485.
|
|
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
贾骏麒, 王敬夫, 马秦, 等. 柱形钢质破片侵彻肥皂靶的弹道特征研究[J]. 创伤外科杂志, 2017, 19(6):462-465.
|
|
|
[16] |
李冠桦, 张良潮, 翁昌梅, 等. 超高速钢球打击肥皂与生物靶标的创伤弹道特点研究[J]. 兵工学报, 2022, 43(9): 2399-2407.
doi: 10.12382/bgxb.2022.0536 |
doi: 10.12382/bgxb.2022.0536 |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
doi: 10.1016/j.jmbbm.2013.09.024 pmid: 24184862 |
[21] |
刘丽. 弹道明胶的冲击与侵彻动力学研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2014.
|
|
|
[22] |
梁化鹏. 低侵彻弹的侵彻特性研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2018.
|
|
|
[23] |
李向东, 杜忠华. 目标易损性[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2021.
|
|
|
[24] |
张先锋, 李向东, 沈培辉, 等. 终点效应学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2017.
|
|
|
[25] |
李宏伟. 微小空间碎片撞击效应研究[D]. 北京: 中国科学院, 2010.
|
|
|
[26] |
|
[1] | 季稳, 李春娜, 贾续毅, 王刚, 龚春林. 结合系统辨识和迁移学习的高速旋转弹气动力建模方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(7): 2197-2208. |
[2] | 张坤, 智小琦, 肖游, 王帅, 罗锐恒, 张姚瑶, 黄云伟. 二维慢烤模型点火位置及其温度的理论推演[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1564-1572. |
[3] | 刘铁磊, 王晓锋, 徐豫新, 李永鹏, 张健. 一种考虑球体变形的钨球侵彻低碳钢深度计算模型[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1625-1636. |
[4] | 蔡尚晔, 姜春兰, 毛亮, 王在成, 胡榕, 叶胜. 含孔隙富铝聚四氟乙烯/铝含能材料冲击温升规律[J]. 兵工学报, 2021, 42(2): 225-233. |
[5] | 张龙, 赵志勤, 范斌宁, 张岩. 基于弹载地磁测试的高速旋转稳定弹锥形运动分析[J]. 兵工学报, 2016, 37(12): 2235-2241. |
[6] | 李兴隆, 姚文进, 朱立坤, 王晓鸣, 于纪言. 捷联激光探测器组合GPS测量弹丸滚转角方法[J]. 兵工学报, 2016, 37(2): 279-286. |
[7] | 舒敬荣, 常思江, 杨海波, 张婷. 气动偏心角对非对称翼末敏弹扫描运动的影响规律研究[J]. 兵工学报, 2015, 36(4): 637-643. |
[8] | 舒敬荣, 张继春, 常思江. 空气动力非对称弹丸大攻角旋转共振运动研究及应用[J]. 兵工学报, 2014, 35(4): 441-447. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||