横向增强效应型弹药侵彻剩余速度分析
马 立1，2 吴玉斌1
【摘 要】摘 要 为了研究横向增强型弹药侵彻均质铝靶的毁伤效应，分析了横向增强效应型弹药产生横向效应的原理及其应力波传播过程。通过Recht和Ipson理论计算得到横向增强效应型弹药垂直侵彻和斜侵彻的剩余速度及偏转角;为分析计算横向增强型弹药垂直侵彻和斜侵彻目标靶板的剩余速度和毁伤效应提供了有效的理论方法。 【期刊名称】科学技术与工程 【年(卷),期】2011(000)022 【总页数】4
【关键词】关键词 应力波 侵彻 剩余速度 横向效应
横向增强效应型弹药不使用任何含能材料和引信，基于内、外核材料密度不同时撞击靶板所产生的物理效应，形成大小不一的破片，对目标进行毁伤。横向增强型弹药侵彻均质靶板可以分为三个阶段，在第一个阶段，弹丸接触到靶板，靶板就像塞子一样覆盖在横向增强效应型弹药前端，与壳体共同把内部填充物封闭;第二阶段，由于弹丸壳体与填充物的动能不同，填充物受到挤压，内部压力增加，壳体不断膨胀;第三阶段，挤压力不断增加转化为径向膨胀力，当径向应变达到壳体的破坏极限时壳体破裂，继而产生破片对目标进行毁伤［1］。对于横向增强效应型弹药垂直侵彻靶板的理论分析是在应力波理论、Recht和Ipson理论、空穴膨胀理论等的基础上进行的。依据这些理论可以得到径向速度、临界压力、侵彻深度等相应结果。
1 弹丸侵彻条件下的应力波分析
应力波理论是描述材料在冲击与爆炸作用下反应的最佳手段之一［2］。假设靶板是刚性的，填充物为塑性的，当横向增强效应型弹药撞击均质靶板时，接触面的压应力迅速增长。可将弹体分为三个区域：第一区域是第一次弹性压缩波和反射的弹性拉伸波，这个区域材料处于无应力状态;第二个区域是只通过第一次弹性波的弹性区;第三区域是不再运动的塑性区。由于波的反射弹性波可以发生数个往返过程，可以发现壳体和填物的二次冲击，甚至多次冲击现象［3］(见图1)。
2 弹丸垂直侵彻剩余速度
假定碰撞产生的是两股弱冲击波，此时碰撞速度低于材料声速，应用Recht和Ipson理论模型进行轴向分析［4］。弹体原有的动能转化为弹体穿靶后的剩余动能、塞块获得的动能和弹孔四周材料剪切屈服应力所做的的功、热量损耗，以及弹塑性波变形能的综合WS与弹靶相接触过程中形成的共同速度时所消耗的能量 Wf［5］。于是，能量守恒方程可写成
式(1)中mS为壳体质量，mF为填充物质量，mT为塞块质量，νE为撞击速度，νr为剩余速度。
在弹丸与靶板接触后，某瞬时形成共同的运动速度νj，当忽略周围材料获得的冲量时，其动量守恒可表示为 于是有
开始撞击时能量方程可写成
当 νr=0时，根据弹道极限定义，则 νE=ν50，于是得 从而可得
式(6)表示弹丸撞击靶板时剩余速度和撞击速度之间的关系。其中ρt为靶板密
度，ρp为弹丸密度，ρn为装填物密度，Dt为塞块直径，DR为弹丸外径，Dn为弹丸内径，T为靶厚，L为弹体长度。(见图2)
3 弹丸斜侵彻出靶剩余速度及偏转角
横向增强型弹药斜侵彻在入靶阶段，对于弹丸壳体侵彻深入靶板内的一部分壳体来说，只有当弹体以一定的侧向速度撞击与之接触的弹坑壁时才会受到侧向力的作用。而另一部分虽然与弹坑壁接触，但是其侧面运动速度却背向接触面，所以没有碰撞的趋势进而不会受到侧向力的作用［6］。假设弹体和塞块在离开靶体时方向相同，速度也相同，斜侵彻时弹体的入射角为θ，弹体在凿离靶板时的偏转角为β。所以弹体在离靶时的弹道斜角为θ-β。弹丸开始的动量为(mS+mF)νE，方向和入射角相同。但是用于凿孔动量的只是它的分量(mS+mF)νEcosβ，所以可以认为有效的撞击速度为νEcosβ。(见图 3)
由于冲量I只能通过弹孔周围的剪切面传给靶板，产生冲量的力只和塞块的形状和极限剪力有关，而且都是不变量，所以冲量I只和凿离过程所耗时间Δt成正比，同时冲量I的大小和速度成反比。但是另一方面，动量(mS+mF)νE和(mS+mF+mt)νr都和速度成正比，所以可以求得计算β的近似公式。
弹体通过靶板时可分为两个阶段：第一阶段是减速阶段;第二阶段是通过剪切作用凿下靶块阶段。
在第一阶段结束时，弹体和靶块的共同速度为
在第二阶段结束时，速度变为离靶速度νr，于是平均的剪切塞块的速度为 所以Iβ近似地可表示为
式(9)中，K1为特定常数。在弹道极限状态时，νr=0，νE= ν50，β = β50。 又因为
横向增强效应型弹药侵彻剩余速度分析
