高速标准破片速度衰减规律试验研究.pdf

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()作者简介:胡杰()男博士研究生研究员:.通信作者:陈桦()男教授博士生导师:.:./.高速标准破片速度衰减规律试验研究胡 杰陈 桦冯志威马 营贾 琪(.西安工业大学 机电工程学院 西安.中国兵器工业试验测试研究院 陕西 华阴)摘要:为研究符合北约 标准的高速破片在空气中运动的规律设计了一种使用 弹道炮发射的破片弹并用多组区截测速装置获得标准破片在 /速度范围内的运动数据 在此基础上采用数值仿真和理论分析 种方式对破片在空气中运动的速度衰减规律进行了研究利用 软件模拟破片在空气中运动的受力情况来推导破片运动速度仿真与实测速度的最大误差为.结合破片运动方程建立了速度衰减模型推导出破片运动过程中迎风面积的极值结果表明:破片衰减系数 为.破片空气阻力系数 取值范围为.并通过试验验证了速度衰减模型关键词:高速破片衰减规律试验 空气阻力本文引用格式:胡杰陈桦冯志威等.高速标准破片速度衰减规律试验研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):/.:引言对于高价值武器平台设计者不仅要考核弹药作用目标的毁伤能力同时也要关注弹药自身的安全性 一旦弹药被破片击中导致发射药或战斗部发生爆炸进而引起其他弹药的殉爆不但造成人员的伤亡而且会对己方武器平台、工事造成毁灭性的破坏 不敏感弹药一直以来是世界各军事强国关注的重点问题对于其安全性能的考核需要进行破片的撞击试验 破片主要依靠动能毁伤目标破片的毁伤威力与破片速度密切相关破片打击目标的速度不仅与初速有关亦与其速度衰减特性相关 破片撞击试验中为了保证安全破片发射装置距离弹药或战斗部有一定的距离通常利用通断靶测试的破片飞行过程中某一点的速度来预测破片撞击点的速度测得的速度与破片实际撞击弹药的速度偏差量不但与测速点和弹药的距离有关还和破片在空气中飞行的速度衰减量有关 不少学者针对破片衰减规律开展了相关研究工作:等用 软件对弹丸的运动轨迹、发射能量与撞击能量之间的关系进行了研究 等用传统阻力公式给出了初速为 /标准破片的速度随距离变化曲线 等 开展了标准破片对 迫弹的打击试验但未对破片衰减规律详细说明马永忠等人通过研究给出了自然破片和球形破片按照速度区间划分的速度和阻力系数关系马玉媛通过试验数据分析并给出了 之间的破片飞行阻力系数经验公式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北约在 标准中规定了考核防护材料防护能力的速度为 /的 破片在 标准规定了考核弹药安全性用的速度为 /标准破片 破片质量为.质量大、速度低、破片的存速能力强考核对象为防护材料的防护能力危险性低破片发射装置和防护材料可以距离较近 而考核弹药安全性的标准破片速度高考核对象为弹药和战斗部的安全性危险系数高为了安全需要增加破片发射装置和弹药的距离标准破片质量小、存速能力弱破片速度在空气中衰减快 种破片的应用场景、考核对象、破片形状、速度要求均不相同本文中围绕弹药安全性试验用标准破片的衰减规律开展研究为了准确预测破片撞击时的速度本文中通过试验、数值模拟和理论分析相结合的方法针对北约 弹片冲击试验程序中规定撞击速度为 /破片研究了其在 /速度范围内的衰减特性并通过非线性拟合的方法建立高速破片速度衰减规律模型 试验测试北约破片撞击 弹片撞击试验程序中规定标准破片直径.长径比约为 布氏硬度()为不大于 的钢制圆柱体其头部为 .夹角的圆锥结构图如图 所示试验采用 弹道炮发射破片并布设区截装置进行破片速度测试 试验用破片弹如图 所示破片为 钢制标准破片材料密度./布氏硬度 质量约为.图 破片尺寸及破片弹丸.测试系统搭建试验采用通断靶区截测速装置进行速度测试通过两靶距和破片通过两靶时的时间差计算速度 试验采用如图 所示的破片测速系统 试验系统主要由弹道炮、破片防护板、个通断靶等组成第 靶到炮口的距离为.靶距为 图 试验测试系统.速度测试为了获得破片速度衰减规律每次发射 枚破片试验共发射 枚破片获得了每枚破片经过每一个网靶的时间以两靶之间的平均速度代替两靶中点处的瞬时速度即第 靶与第 靶中点处的速度为:()计算得 枚破片速度随位移的变化数据如图 所示 由于破片飞行速度高使用通断靶测速时网靶和破片的相互作用会造成时间测量误差网靶间距离的测量误差也会影响计算破片速度 由图 可知破片的速度衰减呈现非线性破片在空气中飞行 的距离破片速度衰减达/为了减少破片撞击战斗部或弹药时速度预测误差有必要对破片在空气中飞行的速度衰减规律进行研究胡 杰等:高速标准破片速度衰减规律试验研究图 破片速度实测数据.数值模拟为了进一步研究破片飞行规律及其受力情况利用 对其进行空气动力学仿真分析 仿真分析时采用相对坐标即:设定破片不动对流体多次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.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破片网格取.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.采用基于 ()的 湍流模型算法进行破片超音速飞行仿真分析 其控制方程为()()式()中:是一个混合函数对于存在不合适假设的自由剪切流用来约束壁面层的限制数 是应变率的一个定估算值计算结束后破片周围的流场速度分布云图如图 所示从上往下依次是 枚不同速度的高速破片、中速破片的流场流场对称分布 对仿真结果后处理可计算出破片飞行时受到的阻力、升力及扭矩结果如表 所示图 破片周围流场速度分布.表 破片阻力、升力及扭矩数据 序号速度/()阻力/升力/扭矩/().仿真分析结果与试验对比通过仿真计算得到破片在空气域中受到的阻力、升力及扭矩并且已知破片的质量、质心位置、转动惯量采用弹丸外弹道解算方法求解破片飞行速度设定破片是沿着 正方向飞行 方向为升力方向 破片参数如表 所示表 破片参数 名称质量/转动惯量/()破片.().()()()()()式()中:()为破片受到的阻力 为阻力定律 为马赫数 为破片飞行方向上受到的阻力加速度 为破片弹道系数()为空气密度函数 为破片翻转扭矩 为转动惯量 为破片飞行时攻角 为破片受到的升力()为升力系数导数 在不同入口流速下分别计算出破片速度采用四阶龙格 库塔法拟合破片速度变化情况破片试验和数值计算的速度衰减结果如图 所示 从图 中可以看出数值计算结果和试验数据比较吻合速度变化趋势兵 器 装 备 工 程 学 报:/./一致呈递减规律图 破片实测与仿真速度对比.通过对 枚破片试验实测速度数据和数值计算数据误差结果统计分析 枚破片的最大误差分别为.、.、.最大误差小于 通过数值仿真方式预测破片撞击战斗部的实际速度可行 破片速度衰减规律研究.破片速度衰减模型建立对破片在空气中飞行的速度衰减规律进行研究考虑到破片速度高而且质量小忽略飞行过程中的重力作用与空气阻力横向作用假设破片在空气中作一维运动给出高速破片飞行过程中的受力及运动方程为()式()中:为破片质量 为空气密度 为破片迎风面积对于非球形破片而言迎风面积不断发生变化为空气阻力系数 为破片飞行速度破片运动初始条件为:、对于式()进行积分可得到破片速度和飞行时间之间的关系为 ()式()中:将 /代入式()中积分整理后可得破片速度和飞行距离之间的关系为 ()式()中:为破片衰减系数破片衰减系数与空气密度、迎风面积、破片质量等因素有关 利用最小二乘法对试验的 枚破片飞行过程中速度 和飞行距离 按照式()进行非线性拟合得到速度衰减系数 和初速 拟合公式及拟合曲线如图 所示本研究建立的破片速度衰减模型的决定系数 为.拟合关系具有较高可信度图 实测速度与拟合曲线.破片空气阻力计算由于破片在飞行过程中不停的翻滚、旋转其飞行姿态是随机变化的迎风面积与阻力系数之间存在很强的相关性 迎风面积是指破片垂直于速度方向的净面积 标准破片在飞行中的 种典型姿态如图 所示图 破片飞行姿态.姿态:图()所示破片轴线与水平面垂直姿态:图()所示破片轴线与水平面平行姿态:图()所示破片轴线与水平面斜交标准破片飞行的姿态取决于其轴线与速度方向夹角 和与水平平面的夹角 的值 令标准破片的直径为 顶点高为 圆柱高为 当 、时即为标准破片轴线与水平面垂直其迎风面积 为 ()代入标准破片的.、.、.即:().当 、时即为标准破片轴线与水平面平行其迎风面积为 /代入标准破片的 .即:/.当 时即为标准破片轴线与水平面斜变其迎风面积为与、角的函数用()表示迎风面积则:()()()()当 范围内迎风面积()不是单调函胡 杰等:高速标准破片速度衰减规律试验研究数式()两边对、求导数得到:()()()()()()()()()()()()()()()()()()()由于()()令()()有极大值为仅与 角相关的函数且取最大值时有:()()()代入标准破片的 .可得 .().理论上破片在整个运动过程的迎风面积随着姿态的变化有无穷多种则迎风面积 为、的函数、为破片 种飞行姿态出现的频次迎风面积 为:()实际试验中很难统计出破片 种飞行状态出现的频次所以在破片运动方程中给出迎风面积 的取值区间为.对于破片阻力系数 由公式()得出()式()中:为空气密度取./为破片质量.为破片飞行中迎风面积取.和.破片衰减系数值 为.可得 的取值范围为.速度衰减模型的验证为了进一步验证构建的破片飞行速度衰减模型在相同试验条件下发射中速、高速破片各 枚图 为所构建的速度衰减模型与实测数据的比较图 为速度衰减模型残差图图 实测数据与预测模型.图 速度衰减模型残差.由图 可见发射 枚破片实测速度与所构建速度衰减模型预测速度的残差最大值为./误差为.结论通过试验研究、数值仿真、理论分析相结合的手段对弹药安全性试验中符合 标准规定的破片从破片发射到撞击弹药或战斗部的过程中在 /范围内对其速度衰减规律进行了研究得出以下结论:)使用 软件对破片在空气中飞行规律进行研究破片仿真与实测速度的最大误差为.)利用建立的破片速度衰减模型和非线性拟合方法得到标准破片在 /速度范围内的速度衰减系数 为.与实测结果吻合较好)对标准破片的飞行姿态进行研究空气阻力系数 仅与其轴线与水平面的夹角有关取值范围为.参考文献:.().():兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.张邹邹张衡杨丽侠等.约束条件对发射装药机械冲击作用下敏感特性的影响.火炸药学报():.():.戚学文.海军航空兵反潜作战弹药消耗模型研究.火力与指挥控制():.():.():.():.():.李正川何源郭磊等.爆轰驱动下轴向预制破片飞散特性研究.弹道学报():.():./.:./.:.():.:.马永忠赵田安汪勇.弹丸破片速度衰减规律研究.弹道学报():.():.马玉媛.小型预制破片的速度衰减和侵彻深度的研究.兵工学报():.():.谭多望温殿英张忠斌等.球形破片长距离飞行时速度衰减规律研究.高压物理学报():.():.().钱林方.火炮弹道学.版.北京:北京理工大学出版社:.:.科学编辑 屈可朋 博士(西安近代化学研究所 研究员)责任编辑 徐佳忆胡 杰等:高速标准破片速度衰减规律试验研究