兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 2441-2452.doi: 10.12382/bgxb.2022.0420
马坤1, 李名锐1,*(), 陈春林1, 尹立新1, 冯娜1, 沈子楷1,2
收稿日期:
2022-05-22
上线日期:
2023-08-30
通讯作者:
基金资助:
MA Kun1, LI Mingrui1,*(), CHEN Chunlin1, YIN Lixin1, FENG Na1, SHEN Zikai1,2
Received:
2022-05-22
Online:
2023-08-30
摘要:
为在柱形弹体超高速撞击靶板问题基础上进一步研究加筋结构对弹体侵彻能力的影响,在数值模拟方面,结合GRAY物态方程固相-液相模型、Johnson Cook(JC)强度模型以及JC失效模型作为金属本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法开展计算。在实验方面,分别开展圆柱形弹体超高速撞击单层加筋钢板和3层加筋钢板的实验研究。结合数值模拟及实验结果,分析弹体超高速撞击加筋结构的物理机制,研究弹体倾角、弹体攻角、加筋类型、弹体直径与筋厚比对圆柱形弹体侵彻能力的影响,分析圆柱形弹体超高速撞击单层加筋钢板和3层加筋钢板问题中弹道的横向偏移。研究结果表明:在对称撞击下,在单主筋基础上增加垂直方向的主筋或副筋对弹体侵蚀长度的影响较小,弹体侵蚀长度与筋宽比随弹体直径与筋厚比的增加呈指数衰减趋势;在非对称撞击下,弹体轴线与主筋中面夹角大是引起弹体姿态发生明显变化甚至发生断裂的主要原因,而剩余弹体横向运动速度相对入射方向的剩余速度为小量;在连续撞击3层加筋钢板情况下,当主筋边界(相对弹轴远侧)与弹体边界相对弹轴的比例关系在0.6以内时,弹体仍能保持较好的侵彻能力。即使弹体相对主筋存在初始横向偏移,侵彻弹道也不会发生较大的横向偏移。
中图分类号:
马坤, 李名锐, 陈春林, 尹立新, 冯娜, 沈子楷. 钢板加筋结构对柱形弹超高速侵彻能力的影响[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2441-2452.
MA Kun, LI Mingrui, CHEN Chunlin, YIN Lixin, FENG Na, SHEN Zikai. Influence of Stiffened Structure of Steel Plate on the Hypervelocity Penetration Ability of Cylindrical Projectile[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(8): 2441-2452.
材料 | A/108Pa | B/108Pa | n | c | m | Tm/K | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
93钨合金 | 6.008 | 1.2 | 0.4944 | 0.059 | 0.8203 | 3683 | 0.001 |
Q345钢[ | 3.74 | 7.957 | 0.4545 | 0.01586 | 0.8856 | 1795 | 0.001 |
表1 93钨合金、Q345钢强度模型材料参数
Table 1 Strength model parameters of 93W and Q345 steel
材料 | A/108Pa | B/108Pa | n | c | m | Tm/K | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
93钨合金 | 6.008 | 1.2 | 0.4944 | 0.059 | 0.8203 | 3683 | 0.001 |
Q345钢[ | 3.74 | 7.957 | 0.4545 | 0.01586 | 0.8856 | 1795 | 0.001 |
材料 | 密度/(kg·m-3) | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
93钨合金 | 17600 | 0.091 | 0.409 | -2.460 | -0.218 | 1.613 | 0.001 |
Q345钢 | 7830 | -0.589 | 1.300 | -0.616 | 0.0164 | 0.240 | 0.001 |
表2 93钨合金、Q345钢失效模型材料参数
Table 2 Failure model parameters of 93W and Q345 steel
材料 | 密度/(kg·m-3) | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | /s-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
93钨合金 | 17600 | 0.091 | 0.409 | -2.460 | -0.218 | 1.613 | 0.001 |
Q345钢 | 7830 | -0.589 | 1.300 | -0.616 | 0.0164 | 0.240 | 0.001 |
序号 | L/mm | vx/(m·s-1) | vr/(m·s-1) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验值 | 计算值 | 误差/% | 实验值 | 计算值 | 误差/% | 实验值 | 计算值 | 误差/% | |
1 | 12.53 | 12.75 | 1.76 | 2953 | 2889 | -2.17 | 738 | 735 | -0.41 |
2 | 18.90 | 19.63 | 3.86 | 2457 | 2453 | -0.16 | 482 | 530 | 9.96 |
表3 剩余弹长及破片群参数实验与数值模拟对比
Table 3 Comparison of experimental and simulation results of residual projectile length and fragments parameters
序号 | L/mm | vx/(m·s-1) | vr/(m·s-1) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实验值 | 计算值 | 误差/% | 实验值 | 计算值 | 误差/% | 实验值 | 计算值 | 误差/% | |
1 | 12.53 | 12.75 | 1.76 | 2953 | 2889 | -2.17 | 738 | 735 | -0.41 |
2 | 18.90 | 19.63 | 3.86 | 2457 | 2453 | -0.16 | 482 | 530 | 9.96 |
序号 | 代号 | 剩余长 度/mm | 侵蚀长 度/mm | 剩余速度/ (m·s-1) | 是否 断裂 | 挠度/ mm | 攻角/ (°) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 否 | 0 | 0 |
2 | Q-y5 | 65.28 | 19.72 | 1939.5 | 是 | 13.1 | 1.0 |
3 | Q-y10 | 70.82 | 14.18 | 1952.3 | 是 | 10.9 | 1.0 |
4 | Q-z5 | 60.71 | 24.29 | 1940.8 | 否 | 0 | 0.3 |
5 | Q-z10 | 60.44 | 24.56 | 1942.0 | 否 | 0 | 0.3 |
表4 不同倾角条件下剩余弹体力学参量的统计结果
Table 4 Results of the mechanical parameters of the residual projectile at different oblique angles
序号 | 代号 | 剩余长 度/mm | 侵蚀长 度/mm | 剩余速度/ (m·s-1) | 是否 断裂 | 挠度/ mm | 攻角/ (°) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 否 | 0 | 0 |
2 | Q-y5 | 65.28 | 19.72 | 1939.5 | 是 | 13.1 | 1.0 |
3 | Q-y10 | 70.82 | 14.18 | 1952.3 | 是 | 10.9 | 1.0 |
4 | Q-z5 | 60.71 | 24.29 | 1940.8 | 否 | 0 | 0.3 |
5 | Q-z10 | 60.44 | 24.56 | 1942.0 | 否 | 0 | 0.3 |
序号 | 代号 | 剩余长 度/mm | 侵蚀长 度/mm | 剩余速度/ (m·s-1) | 是否 断裂 | 挠度/ mm | 攻角/ (°) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 否 | 0 | 0 |
2 | G-y5 | 61.53 | 23.47 | 1937.1 | 否* | 6.68 | 2.5 |
3 | G-y10 | 60.06 | 24.94 | 1921.5 | 是 | 21.57 | 10.5 |
4 | G-z5 | 60.96 | 24.04 | 1931.2 | 否 | 0.18 | 1.5 |
5 | G-z10 | 62.17 | 22.83 | 1896.6 | 是 | 8.01 | 9.5 |
表5 不同攻角撞靶条件下剩余弹体力学参量统计
Table 5 Results of the mechanical parameters of the residual projectile under different attack angles
序号 | 代号 | 剩余长 度/mm | 侵蚀长 度/mm | 剩余速度/ (m·s-1) | 是否 断裂 | 挠度/ mm | 攻角/ (°) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 否 | 0 | 0 |
2 | G-y5 | 61.53 | 23.47 | 1937.1 | 否* | 6.68 | 2.5 |
3 | G-y10 | 60.06 | 24.94 | 1921.5 | 是 | 21.57 | 10.5 |
4 | G-z5 | 60.96 | 24.04 | 1931.2 | 否 | 0.18 | 1.5 |
5 | G-z10 | 62.17 | 22.83 | 1896.6 | 是 | 8.01 | 9.5 |
序号 | 代号 | 加筋情况 | 剩余长度/ mm | 侵蚀长度/ mm | 剩余速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 十字筋(一 主、一副) | 61.08 | 23.92 | 1939.7 |
2 | ZK-d8.5 | 一条主筋 | 61.60 | 23.40 | 1942.7 |
3 | SK-d8.5 | 十字主筋 | 57.93 | 27.07 | 1927.4 |
4 | ZZ0 | 一条副筋 | 72.90 | 12.10 | 1971.0 |
表6 不同加筋情况下剩余弹体力学参数统计
Table 6 Results of the mechanical parameters of the residual projectile under different stiffener conditions
序号 | 代号 | 加筋情况 | 剩余长度/ mm | 侵蚀长度/ mm | 剩余速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
1 | Z0 | 十字筋(一 主、一副) | 61.08 | 23.92 | 1939.7 |
2 | ZK-d8.5 | 一条主筋 | 61.60 | 23.40 | 1942.7 |
3 | SK-d8.5 | 十字主筋 | 57.93 | 27.07 | 1927.4 |
4 | ZZ0 | 一条副筋 | 72.90 | 12.10 | 1971.0 |
序号 | 代号 | 剩余长度/ mm | 侵蚀长度/ mm | 剩余速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | ZK-d2 | 49.34 | 35.66 | 1938.3 |
2 | ZK-d4.5 | 57.77 | 27.23 | 1940.5 |
3 | ZK-d8.5 | 61.60 | 23.40 | 1942.7 |
4 | ZK-d12.5 | 63.20 | 21.80 | 1947.6 |
5 | ZK-d16 | 63.67 | 21.33 | 1949.4 |
6 | H-43.5 | 43.25 | 41.75 | 1852.4 |
表7 不同弹体直径与筋厚比值下剩余弹体力学参数
Table 7 Results of residual projectile under different ratios of projectile diameter to stiffener thickness
序号 | 代号 | 剩余长度/ mm | 侵蚀长度/ mm | 剩余速度/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|
1 | ZK-d2 | 49.34 | 35.66 | 1938.3 |
2 | ZK-d4.5 | 57.77 | 27.23 | 1940.5 |
3 | ZK-d8.5 | 61.60 | 23.40 | 1942.7 |
4 | ZK-d12.5 | 63.20 | 21.80 | 1947.6 |
5 | ZK-d16 | 63.67 | 21.33 | 1949.4 |
6 | H-43.5 | 43.25 | 41.75 | 1852.4 |
图9 弹体侵蚀长度比主筋宽度和弹体直径比筋厚度间关系
Fig.9 Relationship between the ratio of projectile erosion length to stiffener width and the ratio of projectile diameter to stiffener thickness
图10 柱形弹撞击单层加筋钢板实验布置及加筋钢板破坏形貌
Fig.10 Experimental arrangement and failure morphology of single stiffened steel plate impacted by a cylindrical projectile
图11 弹体撞击加强筋产生破片群飞散形貌实验与仿真结果
Fig.11 Experimental and simulation results of the morphology of fragments scattering produced by the projectile impacting the stiffener
图12 超高速撞击加强筋产生破片对下一层钢板的破坏形貌
Fig.12 Failure morphology of the following layer of steel plate caused by fragments produced by hypervelocity impact on the stiffener
图14 5种柱形弹体与第1层加筋钢板相对位置关系示意图
Fig.14 Diagram of relative position relationship between five kinds of cylinderical projectiles and the first stiffened steel plate
撞击 情况 | 第1层 | 第2层 | 第3层 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
L1/mm | ΔL1/mm | v1/(m·s-1) | 挠度/mm | L2/mm | ΔL2/mm | v2/(m·s-1) | 攻角/(°) | L3/mm | ΔL3/mm | v3/(m·s-1) | 攻角/(°) | |
1 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 0 | 36.24 | 24.84 | 1836 | 0 | 14.51 | 21.73 | 1589.4 | 0 |
2 | 61.6 | 23.4 | 1942.7 | 0 | 38.12 | 23.48 | 1844.1 | 1 | 16.15 | 21.97 | 1622.8 | 0 |
3 | 72.9 | 12.1 | 1971 | 0 | 61.73 | 11.17 | 1933.2 | 1 | 48.69 | 13.04 | 1886.4 | 0.5 |
4 | 61.41 | 23.59 | 1949.1 | 4.5 | 39.31 | 22.1 | 1876.6 | 19 | 23.61 | 15.7 | 1784.9 | 10 |
5 | 52.63* | 32.37 | 1947.4 | 22.9 | 16.16 | 36.47 | 1876.7 | 8 | 0 | 16.16 | 0 | 0 |
表8 不同撞击条件下每层加筋钢板后弹体参数比较
Table 8 Comparison of the residual projectile parameters after each layer of stiffened steel plate under different impact conditions
撞击 情况 | 第1层 | 第2层 | 第3层 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
L1/mm | ΔL1/mm | v1/(m·s-1) | 挠度/mm | L2/mm | ΔL2/mm | v2/(m·s-1) | 攻角/(°) | L3/mm | ΔL3/mm | v3/(m·s-1) | 攻角/(°) | |
1 | 61.08 | 23.92 | 1939.7 | 0 | 36.24 | 24.84 | 1836 | 0 | 14.51 | 21.73 | 1589.4 | 0 |
2 | 61.6 | 23.4 | 1942.7 | 0 | 38.12 | 23.48 | 1844.1 | 1 | 16.15 | 21.97 | 1622.8 | 0 |
3 | 72.9 | 12.1 | 1971 | 0 | 61.73 | 11.17 | 1933.2 | 1 | 48.69 | 13.04 | 1886.4 | 0.5 |
4 | 61.41 | 23.59 | 1949.1 | 4.5 | 39.31 | 22.1 | 1876.6 | 19 | 23.61 | 15.7 | 1784.9 | 10 |
5 | 52.63* | 32.37 | 1947.4 | 22.9 | 16.16 | 36.47 | 1876.7 | 8 | 0 | 16.16 | 0 | 0 |
图15 撞击情况4中弹体撞击3层加筋钢板数值模拟结果
Fig.15 Numerical simulation results of hypervelocity impact of projectile on three-layer stiffened steel plate under Condition 4
图16 撞击情况5中弹体撞击3层加筋钢板数值模拟结果
Fig.16 Numerical simulation results of hypervelocity impact of projectile on three-layer stiffened steel plate under Condition 5
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doi: 10.1016/S0734-743X(03)00079-4 URL |
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