破片模拟弹速度衰减规律试验研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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.
9、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
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