椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

王文杰; 张先锋; 邓佳杰; 郑应民; 刘闯

doi:10.11883/bzycj-2017-0020

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

doi: 10.11883/bzycj-2017-0020

南京理工大学机械工程学院, 江苏南京 210094

基金项目:

国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目 U1730101

中央组织部青年拔尖人才支持计划项目 2014年

装备预研领域基金项目 6140657010116BQ02001

详细信息

作者简介:
王文杰(1991—)，男，硕士研究生

通讯作者:
张先锋, lynx@njust.edu.cn

“第十一届全国爆炸力学学术会议”推荐论文
中图分类号: O385
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2017-01-16
- 修回日期: 2017-03-09
- 刊出日期: 2018-01-25

Analysis of projectile penetrating into mortar target with elliptical cross-section

School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China

摘要

摘要: 为研究椭圆截面弹体侵彻混凝土靶规律，基于动态球形空腔膨胀理论，建立椭圆截面弹体侵彻受力模型，计算典型椭圆截面弹体阻力规律和侵彻砂浆靶深度。在此基础上，采用弹道炮发射平台，开展相同质量和长度的2种典型椭圆截面弹体及圆截面弹体垂直侵彻半无限砂浆靶实验。结果表明：理论模型能够反映椭圆截面弹体受力情况，并与实验研究结果吻合较好；椭圆截面弹体长短轴参数的改变对侵彻性能影响较为显著。
- 椭圆截面弹体 /
- 混凝土目标 /
- 空腔膨胀理论 /
- 垂直侵彻
Abstract: In this work, based on the theory of dynamic spherical cavity expansion, we presented a force model of penetrating projectiles with an elliptical cross-section to study their penetration performance and, using this model, calculated the resistance of the elliptical cross section and the penetration depths. Further, we performed a series of experiments of two typical elliptical cross-sectioned and circular cross-sectioned projectiles with the same mass and length penetrating perpendicularly semi-infinite grout targets at a velocity of 700 m/s to 800 m/s. The results show that the established theoretical model reflected the force condition of the elliptical cross-section and the theoretical results agreed well with the experiment, and that the size of the cross-section had a significant influence on its penetration performance.
- elliptical cross-section projectile /
- concrete targets /
- cavity expansion theory /
- vertical penetration
注释:

1) “第十一届全国爆炸力学学术会议”推荐论文

HTML全文

刻槽弹体在侵彻混凝土的过程中会面临结构稳定性问题。国内外一些学者以自由梁动态结构响应为基础开展了一系列弹体结构稳定性的研究工作。陈小伟^[1]以空腔膨胀理论为基础，分析了圆柱壳弹体斜侵彻混凝土的受力情况，针对不同撞击速度的细长中空弹体，分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界倾角和壳体壁厚下限。皮爱国等^[2]基于刚塑形模型和理论载荷分析，给出了弹体在横向和轴向载荷作用下的响应行为，并得到弹体任一截面剪力、弯矩以及轴力的分布规律。王一楠等^[3]基于自由梁理论和侵彻阻力分析，给出了小攻角情况下弹体弯曲变形分析。

刻槽弹体作为一种新型结构弹体，在高速侵彻情况下，其锥形弹身可产生恢复力矩，提高弹道稳定性，与此同时，弹身壁厚增加，可提高结构稳定性。本文基于刚塑性理论和侵彻载荷理论分析，将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁，给出了弹体在侵彻混凝土早期的刚体响应行为，得到了弹体任一截面弯矩、剪力以及屈服函数的分布规律。基于此理论分析，讨论了刻槽弹体壁厚、材料屈服强度、初速及倾角对弹体弯曲的影响规律。

1. 弹体弯曲理论分析

1.1 弹体结构元素计算

刻槽弹体弹身结构如图1所示，在图中坐标系下将分别计算弹体弹身质量、质心及转动惯量等物理量。

图 1 刻槽弹体弹身结构示意图

Figure 1. Illustration of grooved-tapered projectile

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弹体弹身质量为

${m_{{\rm{total}}}} = \int_b^L {{\rm{d}}m} = \int_b^L {\rho S(x){\rm{d}}x}$

(1)

式中：m为弹体微元质量，ρ为弹体密度，S(x)为弹体横截面积，表达式为

$S(x) = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{\pi }}{R^2}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\quad\quad\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;x \text{＜} {x_0}\\ {\rm{\pi }}{R^2} - n\left( {\alpha {r^2} - \displaystyle\frac{{{r^2}\sin 2\alpha }}{2} + \beta {R^2} - \displaystyle\frac{{{R^2}\sin 2\beta }}{2}} \right) - {\rm{\pi }}{\left( {\displaystyle\frac{d}{2}} \right)^2}\;\;\;\;\;x \text{≥} {x_0} \end{array} \right.$

(2)

式中： $R = R\left( x \right) = \left( {x - b} \right)\tan \theta + a$ ；d为弹体装药直径；x₀为刻槽段起始位置， ${x_0} = \left( {H - r - a} \right)/\tan \theta + b$ ；n为刻槽个数；r为刻槽半径；H为刻槽刀具圆心距弹体轴线距离；=arccos[(r²+H²−R²)/(2rH)]； = arccos[(R²+H²−r²)/(2RH)]。

弹体弹身质心为

${x_{\rm{c}}} = {\kern 1pt} {\kern 1pt} {{\int_b^L {x{\rm{d}}m} } / {{m_{{\rm{total}}}}}}$

(3)

弹体弹身转动惯量为

$J = \int_b^L {{{(x - {x_{\rm{c}}})}^2}{\rm{d}}m}$

(4)

1.2 载荷分析

弹体斜侵彻半无限混凝土靶体示意图如图2所示。

图 2 弹体斜侵彻半无限混凝土靶示意图

Figure 2. Illustration of projectile obliquely penetrating the concrete

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横向载荷参照陈小伟^[1]给出的刚性弹体斜侵彻混凝土靶时的平均侧向作用力

$\quad\quad\quad\quad\bar F = \frac{1}{2}\frac{{\pi {d_0}^2}}{4}\left( {S{f_{\rm{c}}} + {N^ * }{\rho _0}{v_0}^2} \right)\sin {\beta _0}\quad\quad\quad\quad\quad(5)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad$

Forrestal等^[4]给出的轴向载荷作用力

${F_x} = \frac{{\pi {d_0}^2}}{4}\left( {S{f_{\rm{c}}} + {N^ * }{\rho _0}{v_0}^2{{\cos }^2}{\beta _0}} \right)\quad\quad\quad\quad\quad\,\,(6)\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad\quad$

式中：d₀为刻槽弹体小端直径；f_c为混凝土无约束抗压强度； $S = 72.0f_{\rm{c}}^{ - 0.5}$ ；ρ₀为靶体密度；v₀为弹体初速；β₀为弹体倾角；N^*为弹头形状因子，对于卵形弹头，N^*=1/(3ψ)-1/(24ψ²)，ψ为弹体头部卵形系数。

1.3 弹体弹身各个位置处的剪力和弯矩

塑性铰出现之前弹身刚体运动示意图如图3所示。

图 3 刚体运动结构示意图

Figure 3. Illustration of rigid body’s response

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在低载情况下，将刻槽弹体简化为变截面自由梁的刚体运动，运动模式如图3所示，将运动分解为绕质心转动和平动，u为端点位移，θ₀为端点转角。由刚体动力学可得其运动方程为：

$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {\bar F({x_{\rm{c}}} - b) = J{{\ddot \theta }_0}} \\ {\bar F = \int_b^L {\left[ {\ddot u - {{\ddot \theta }_0}(x - b)} \right]{\rm{d}}m} } \end{array}} \right.$

(7)

由于式(7)积分得不到解析解，因此需采用数值解法求得 ${\ddot \theta _0}$ 和 $\ddot u$ 。弹身各个位置处的剪力表达式为：

$Q(x) = \bar F - \int_b^x {[\ddot u - {{\ddot \theta }_0}(x - b)]{\rm{d}}m}$

(8)

弹身各个位置处的弯矩表达式为：

$M(x) = \int_b^x {Q(x){\rm{d}}x}$

(9)

同样采用数值积分法求得弹身各截面位置处的剪力和弯矩分布。

1.4 弹体弹身各个位置处的屈服函数

理想夹层梁弹塑性材料在弹性范围内承受轴力N_A和弯矩载荷M共同作用梁截面的屈服条件为^[5]：

${\varphi _{\rm{e}}} = \left| {{N_{\rm{A}}}} \right|/{N_{\rm{Y}}} + \left| M \right|/{M_{\rm{Y}}} - 1 \text{＜} 0$

(10)

式中：φ_e为屈服函数，N_Y及M_Y分别为截面的分离弹性屈服极限。

针对本文所提刻槽弹体，将各物理参量代入到屈服函数可得：

${\varphi _{\rm{e}}}\left( x \right) = \frac{{{F_{\rm{x}}}\left[ {1 - m(x)/{m_{{\rm{total}}}}} \right]}}{{{N_{\rm{Y}}}(x)}} + \frac{{M\left( x \right)}}{{{M_{\rm{Y}}}(x)}} - 1$

(11)

其中

${N_{\rm{Y}}}(x) = S(x){\sigma _{{\rm{cr}}}},\;\;\;\;\;{M_{\rm{Y}}}(x) = \frac{{{\sigma _{{\rm{cr}}}}I(x)}}{{{y_{\max }}(x)}},\;\;\;\;\;m\left( x \right) = \int_a^x {{\rm d}m}$

(12)

式中： $S(x)$ 为各截面的面积， $I(x)$ 为各截面的惯性矩， ${y_{\max }}(x)$ 为截面上各点距中心轴的最大距离， ${\sigma _{{\rm{cr}}}}$ 为弹体材料屈服强度。

对于弹身圆锥段截面形状，其惯性矩 $I(x)$ 的表达式为：

$I(x) = \pi {R^4}(x)/4$

(13)

而对于图4所示弹身刻槽段截面形状，其惯性矩 $I(x)$ 的表达式为：

图 4 刻槽弹体弹身截面示意图

Figure 4. Illustration of grooved-tapered projectile’s cross section

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$I(x) = \frac{{\pi {{(2R)}^4}}}{{64}}\left[ {1 - {{\left( {\frac{d}{{2R}}} \right)}^4}} \right] - 2\left[ {{I_1}(x) + {I_2}(x)} \right]$

(14)

其中

${I_1} = \int_{{y_{\rm{G}}}}^{{y_{\rm{K}}}} {2{y^2}} \left[ {\sqrt {{R^2} - {y^2}} - (H\cos {\alpha _0} - \sqrt {{r^2} - {{(y - H\sin {\alpha _0})}^2}} )} \right]dy$

${I_2} = \int_{{y_{\rm{N}}}}^{{y_{\rm{W}}}} {2{y^2}} \sqrt {{r^2} - {{(y - H)}^2}} {\rm d}y + \int_{{y_{\rm{W}}}}^R {2{y^2}\sqrt {{R^2} - {y^2}} } {\rm d}y$

${y_{\rm{G}}} = \frac{{4H\sin {\alpha _0}({R^2} + {H^2} - {r^2}) - \sqrt { - 16{H^2}({R^2} + {H^2} - {r^2}){{\cos }^2}{\alpha _0} + 64{H^4}{{\cos }^2}{\alpha _0}{R^2}} }}{{8{H^2}}}$

${y_{\rm{K}}} = \frac{{4H\sin {\alpha _0}({R^2} + {H^2} - {r^2}) + \sqrt { - 16{H^2}({R^2} + {H^2} - {r^2}){{\cos }^2}{\alpha _0} + 64{H^4}{{\cos }^2}{\alpha _0}{R^2}} }}{{8{H^2}}}$

${y_{\rm{N}}} = H - r$

${y_{\rm{W}}} = ({R^2} + {H^2} - {r^2})/(2H)$

式中： ${\alpha _0}$ =30°，如图4所示。

2. 刻槽弹体斜侵彻混凝土结构响应研究

基于1.2节建立的刚塑性分析模型和经过验证合理的轴力弯矩耦合屈服函数^[5]，以文献[6]中的刻槽弹体为例，计算斜侵彻工况下弹身各截面剪力和弯矩分布。弹靶结构参数如表1所示。

表 1 弹靶结构参数

Table 1. Parameters of the projectile and concrete

m_total/kg	ψ	L/m	D₀/m	f_c/MPa	ρ/(kg∙m⁻³)	θ/(°)
1.43	3	0.231	0.045	50	2 450	2
注：D₀为弹体大端直径。

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图5和6分别为刻槽弹体斜侵彻混凝土靶体时（ ${v_0}$ =1 000 m/s， ${\beta _0} = {15^ \circ }$ ）弹身截面剪力和弯矩分布。由图可得，最大弯矩截面位于距离弹体头部0.49L处，其值为0.108 6 $\bar PL$ ，P为弹身小端面所受横向力。

图 5 无量纲剪力截面分布

Figure 5. Distribution of dimensionless shearing force

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图 6 无量纲弯矩截面分布

Figure 6. Distribution of dimensionless bending moment

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图7~10分别为不同速度、倾角、弹体内径及弹体材料屈服强度条件下，弹体各截面的无量纲屈服函数。可以看出，对于文中所提刻槽弹体斜侵彻混凝土靶体时的危险截面位于刻槽段的起始截面。由图7可得，随着弹体初速增大，危险截面屈服函数值随之增大，当弹体初速大于1 200 m/s时，危险截面的屈服函数值大于0，表明该处应力已超过弹体材料屈服极限，当作用载荷继续增大时，弹体将发生结构弯曲变形。由图8可得，随着弹体倾角增大，危险截面屈服函数值随之增大，当倾角大于20°时，危险截面的屈服函数值大于0，表明该截面应力已大于材料屈服强度。由图9可得，随着内径的增大，即壁厚减小，危险截面屈服函数值随之增大，当内径大于22.225 mm时，危险截面的屈服函数值大于0，表明该截面应力已大于材料屈服强度。由图10可得，随着弹体材料屈服强度增大，危险截面屈服函数值随之减小，当屈服强度小于1 500 MPa时，危险截面的屈服函数值大于0，表明该截面应力已大于材料屈服强度。因此，通过本文理论，可计算文献[6]中刻槽弹体在各种条件下保持结构稳定性的临界条件。

图 7 不同速度下的屈服函数

Figure 7. Yield functions at different velocities

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图 8 不同倾角下的屈服函数

Figure 8. Yield functions at different obliquities

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图 9 不同内径对应的屈服函数

Figure 9. Yield functions at different inner diameters

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图 10 各弹体材料屈服强度下的屈服函数

Figure 10. Yield functions at different yield strength of materials

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以文献[6]中刻槽弹体为基准，变化刻槽尺寸大小，即 $r$ 的大小，可分别求得各弹体弹身截面屈服函数值分布（假定装药长度和刻槽长度相等），其中弹体初速 ${v_0}$ =1 000 m/s，倾角 ${\beta _0} = {15^ \circ }$ ，弹体材料屈服强度 ${\sigma _{\rm {cr}}}$ =1 500 MPa，靶体无约束抗压强度 ${f_{\rm{c}}}$ =50 MPa，计算结果如图11所示。

图 11 不同刻槽半径的无量纲屈服函数

Figure 11. Yield function at different radii of grooves

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由上述计算结果可得，随着刻槽半径的增大，弹体危险截面的屈服函数值也随之增大，当刻槽半径增大到7.35 mm时，危险截面屈服函数值大于0，即弹体发生弯曲；当刻槽半径小于6.85 mm时，弹体的危险截面位于刻槽段起始位置，而当刻槽半径为7.35 mm时，弹体的危险截面向后偏移，位于距弹体头部0.35L处。

3. 结　语

基于刚塑性理论和侵彻载荷理论分析，将刻槽弹体简化为空间自由变截面梁，给出了弹体在侵彻混凝土早期的刚体响应行为。对于本文所提刻槽弹体，基于上述理论可计算得到不同条件下弹体不发生弯曲的临界壁厚、材料屈服强度、初速及倾角，同时得到了不同刻槽半径所对应的屈服函数分布规律。

图 1 弹体侵彻阻力分析示意图

Figure 1. Schematic of resistance analysis of projectiles

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图 2 3种弹体横截面示意图

Figure 2. Cross-section of three kinds of projectiles

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图 3 弹体实物图

Figure 3. Actual projectiles

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图 4 靶体实物图

Figure 4. Photograph of concrete target

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图 5 实验现场布置示意图

Figure 5. Schematic of experimental equipment in test site

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图 6 混凝土试样块静压实验

Figure 6. Static compressive experiment of concrete cube

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图 7 静压实验中混凝土试样应力位移关系

Figure 7. Relation between stress and displacement in static compressive experiment

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图 8 弹体着靶姿态高速摄影图片

Figure 8. High-speed photographs of flight attitude of projectiles before penetrating into target

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图 9 靶体撞击破坏照片

Figure 9. Damages of impacted targets in experiment

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图 10 弹体回收后照片

Figure 10. Photographs of recovered projectiles

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图 11 距弹尖相同高度处区间示意图

Figure 11. Interval at the same height from the projectile tip

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图 12 2种弹体在(0, π/2)区间上受力情况

Figure 12. Resistance of projectiles in (0, π/2) region

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图 13 侵彻深度和时间关系

Figure 13. Relation between penetration depth and time

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图 14 侵彻加速度和时间关系

Figure 14. Relation between deceleration and time

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图 15 3种弹体弹头形状示意图

Figure 15. Nose shape of three kinds of projectiles

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图 16 侵彻深度和时间关系

Figure 16. Relation between penetration depth and time

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图 17 侵彻加速度和时间关系

Figure 17. Relation between deceleration and time

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表 1 实验数据与理论模型结果对比

Table 1. Comparison between experimental and theoretical data

编号	m/g	γ/(°)	v₀/(m·s^-1)	d_max/mm	d_min/mm	h/mm	z/mm		ε/%
编号	m/g	γ/(°)	v₀/(m·s^-1)	d_max/mm	d_min/mm	h/mm	实验	理论	ε/%
L1-2	460	1.6	744	430	370	66	596	590	-1.00
L1-3	451	0.6	754	380	320	60	555	593	6.85
T1-1	448	2.5	755	540	480	71	573	591	3.14
T1-2	450	1.4	747	526	416	75	553	582	5.24
T1-3	447	1.1	748	260	230	66	570	580	1.75
T2-1	451	3.3	714	480	450	69	462	443	4.11
T2-2	443	1.7	740	490	440	70	472	468	-0.85
T2-3	451	0.9	741	470	440	68	471	477	1.27

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1. 弹体弯曲理论分析
1.1 弹体结构元素计算
1.2 载荷分析
1.3 弹体弹身各个位置处的剪力和弯矩
1.4 弹体弹身各个位置处的屈服函数
2. 刻槽弹体斜侵彻混凝土结构响应研究
3. 结　语

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

doi: 10.11883/bzycj-2017-0020

作者简介: 王文杰(1991—)，男，硕士研究生

通讯作者: 张先锋, lynx@njust.edu.cn

计量

出版历程

Analysis of projectile penetrating into mortar target with elliptical cross-section

1. 弹体弯曲理论分析

1.1 弹体结构元素计算

1.2 载荷分析

1.3 弹体弹身各个位置处的剪力和弯矩

1.4 弹体弹身各个位置处的屈服函数

2. 刻槽弹体斜侵彻混凝土结构响应研究

3. 结 语

计量

出版历程

目录

1. 弹体弯曲理论分析

1.1 弹体结构元素计算

1.2 载荷分析

1.3 弹体弹身各个位置处的剪力和弯矩

1.4 弹体弹身各个位置处的屈服函数

2. 刻槽弹体斜侵彻混凝土结构响应研究

3. 结 语

作者简介:
王文杰(1991—)，男，硕士研究生

通讯作者:
张先锋, lynx@njust.edu.cn

3. 结　语

3. 结　语