高速破片侵彻防护液舱试验研究

沈晓乐 朱 锡 侯海量 陈长海

海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

高速破片侵彻防护液舱试验研究

沈晓乐 朱 锡 侯海量 陈长海

海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

为研究水下接触爆炸产生的高速破片在水中的侵彻特性，针对3.3 g立方体破片进行了水下弹道试验，结果表明：破片的侵彻阻力系数受形状的影响较大，撞击隔板时产生压缩波使破片产生墩粗和侵蚀，造成破片迎流面积的增加和质量的下降，从而使破片在速度较高时侵彻深度反而下降。

爆炸力学；高速破片；防护水舱；侵彻阻力

1 引言

水下接触爆炸的2个主要毁伤元素是冲击波和高速破片，其中高速破片的初始速度可以达到1 000 m／s以上，具有很强的穿甲破坏能力。为抵御高速破片的侵彻，大型舰船主要通过设置隔离水舱或重油舱衰减吸收高速破片的动能，以减小其对后续防护结构的穿甲破坏。

在水下弹道特性的研究方面，上世纪70年代，矶部孝等［1］对侵彻速度在 500 ～800 m／s下弹体的入水及跳弹，水中侵彻能力等问题进行了大量的试验研究，并提出了不同弹型侵彻能力的一系列经验公式。Varas［2］对封闭水箱的水锤效应进行了试验研究，指出球形弹初始速度是影响封闭结构变形程度的重要因素，并认为拖曳和开空腔是产生塑性变形的重要阶段，但是作者主要考虑了破片侵彻过程中封闭容器的响应和破坏程度，并未对球形弹在液体中的侵彻能力进行分析；Masahiro［3］通过对球形弹侵彻封闭液舱进行研究发现，激波能占破片初始动能的很小一部分，但是弹速较低，并不能模拟爆炸产生高速破片对结构的破坏作用。国内对水下弹道特性的研究主要集中在长杆型弹体不同头部形状的空化作用和减阻效应，而针对形状不规则的高速破片水下侵彻特性问题还未见相关报道［4－6］。

与以往试验研究多选用制式弹头或球形弹头不同，本文结合防雷舱结构和爆炸产生高速破片的形状特点选用立方体破片作为研究对象，对破片在防护液舱中的侵彻能力进行了试验研究，并对经验公式阻力系数进行了修正，对防雷舱的设计有一定的参考意义。

2 试验设计

水下爆炸高速破片主要来自战斗部壳体爆炸产生的碎片与舰艇舷侧外板破裂产生的碎片，其特征尺寸基本与外板厚度相当，约为20 mm。破片在进入防护液舱之前首先穿透分隔舱壁，其厚度一般为5～10 mm，舰用防护液舱布置如图1所示。因此试验在几何相似的基础上对破片侵彻防护液舱的过程进行模拟，按照近似3∶1的缩比设计选取7.5 mm破片作为防护液舱的防御对象，破片材料为45号钢，经淬火处理，隔板的厚度设置为3.5 mm。同时为了提高破片穿透隔板后剩余速度，试验另外选用了1 mm板作为试验对象，破片和隔板材料参数如表1所示。

试验用破片发射装置为14.8 mm口径的滑膛弹道枪，采用火药推进，发射速度由药量控制。为保证发射所必须的密封性和达到规定的速度，破片用特制的铝合金弹托包覆，破片出膛后弹托自动分离。破片入射速度通过专制靶网测得。在设计试验用水舱时考虑到爆炸产生破片分散近似于一个平面，在进入液舱后由于不同破片间相互作用，使得单个破片的作用水域如同一个半封闭的狭长水道，因此，采用如图2所示的水箱形式，长宽高分别为1 500 mm、400 mm和600 mm，注水深度为400 mm。破片和隔板材料参数如表1所示。

表1 试验材料参数Tab.1 Mechanical properties of targets and fragment

3 试验结果

弹道试验时，高速破片穿过防护液舱隔板后，进入防护液舱，在舱内水的阻力作用下侵彻一段［7］距离后速度逐渐衰减到零。破片撞击隔板初速度通过特质靶网测得，穿透隔板入水剩余速度可由相关公式求出，具体试验结果如表2所示。

4 试验结果分析

4.1 破片穿透金属隔板后剩余特性

破片进入液舱之前，首先会撞击前置隔板，图3、图4所示为破片穿透隔板后的剩余特性。由图3可以看出，立方体破片发生明显的侵蚀，迎弹面根部出现块状剥离的现象，且速度越高弹体的剩余高度越低，侵蚀越明显。破片撞击液舱前置隔板瞬间会在破片内部产生压缩波，引起头部速度的降低，同时压缩波向破片尾部传播，压缩波传播到尾部之前，破片尾部速度不变，尾部和头部的速度差导致破片中部形成挤压带，由于这个区域的应力超出了材料的动态屈服强度，造成破片的碎裂侵蚀。且速度较高，破片的侵蚀也越严重。

表2 弹道试验结果Tab.2 Ballistic experiment results

若忽略破片侵彻过程中水对隔板的影响，由于隔板厚度与破片特征长度之比 b／d＜0.5，属于典型的薄板穿甲问题，隔板主要发生剪切冲塞破坏。相关文献［7］采用的剩余速度计算方法为：

式中，ρt为隔板密度；ρp为靶板密度；b 为隔板厚度；d为破片直径；l为破片长度；τ为靶板剪切强度；ct、cp为隔板和破片材料中的声速；Vi破片初始速度；Vr为剩余速度；V50为弹道极限。根据米塞斯屈服准则Q235钢的动态剪切强度取为271 MPa。由式（2）计算出的破片入水速度如表2所示。

4.2 方形破片阻力系数的确定

相关文献［7-8］认为破片在水中运行过程中阻力的大小与速度的平方成正比，并认为阻力系数Cd为常数，由此得到破片侵彻距离S与速度v的关系。

式中，v0为初速度；A为迎流面积；ρ为水的密度；m为破片质量。文献［1-2］的阻力系数分别取为0.32、0.4，通过和试验数据对比，试验数据与经验公式计算存在较大误差。文献试验中选用的是柱型弹或球型弹，与本文试验中选用的立方体型有较大差异，导致破片侵彻过程中阻力状况不同，因此有必要对其阻力系数进行修正。表3显示了文献［1］的修正值与本文试验结果的比较。当阻力系数取为0.15时，经验公式与试验值误差约为10%。

表3 经验值与试验值比较Tab.3 Comparision between empirical and experimental rusults

4.3 隔板厚度对破片侵彻能力的影响

图5所示为立方体破片撞击3.56 mm隔板后的形貌，破片出现严重的变形，头部产生类似蘑菇型的迎流面，部分破片甚至出现严重碎裂的情况。由表2可以看出3.56 mm隔板能显著降低立方体破片在液舱中的侵彻距离，撞击3.56 mm隔板后的侵彻能力是撞击1 mm隔板破片侵彻能力的约一半。首先对于初速度相当的破片，撞击3.56 mm隔板后剩余速度小于撞击1 mm隔板剩余速度，这样撞击较厚隔板的破片的侵彻能力会有所降低。另外撞击较厚隔板破片的变形更为严重，破片迎流面积大于撞击1 mm隔板破片如图4、图5所示，造成侵彻阻力增加，侵彻距离下降。因此隔板厚度的增加能够有效降低破片在防护液舱中的侵彻能力。

4.4 破片的侵彻能力

由图6可以看出，在本文的试验点范围内，随着速度的增加，破片在水中的侵彻距离先增加，随后有一定程度的降低。破片在水中的侵彻距离与破片质量、迎流面积和入射速度相关。在速度较低时，破片的墩粗变形较小，如图7所示。由于破片墩粗变形引起的破片侵彻能力的变化不能改变破片侵彻距离随速度增大而增加的趋势，破片的侵彻距离随速度递增；随着速度的进一步增加，由于墩粗变形的显著增大和质量的下降，破片的侵彻能力呈下降趋势。

5 结论

本文通过弹道试验对破片的水下弹道性能进行了试验研究，试验结果表明：

1）破片的侵彻阻力受其形状的影响较大，对不同形状的破片阻力系数应进行修正；对于边长7.5 mm 的立方体破片阻力系数 Cd＝0.15， 经验公式计算侵彻距离与试验吻合较好。

2）隔板厚度对破片的侵彻能力影响较大，增加隔板厚度能显著降低破片入水速度，同时使破片产生严重的墩粗塑性变形，从而显著增加破片侵彻阻力，降低破片在液舱中的侵彻能力。

3）对于试验采用破片，在速度较低时破片在液舱中的侵彻距离随速度的增加而增加；随着速度的提高破片将产生墩粗和侵蚀，造成迎流面积的增加和质量的下降，从而使破片侵彻能力在速度较高时反而下降。

［1］矶部孝.水下弹道的研究［M］.北京：国防工业出版社，1983.

［2］VARAS D，LÓPEZ J P， R.Zaera Experimental analysis of fluid－filled aluminium tubes subjected to high－velocity impact ［J］.International Journal of Impact Engineering，2009，36：81－91.

［3］MASAHIRO N， KOICHI T.Experimental study of perforation and cracking of water－filled aluminum tubes impacted by steel spheres［J］.International Journal of Impact Engineering， 2006，32：2000－2016.

［4］顾建农，张志宏，范武杰.旋转弹丸入水侵彻规律［J］.爆炸与冲击，2005，25（4）：341－349.

［5］熊天红，易文俊，吴军基，等.水下高速射弹超空泡流特性分析［J］.火炮发射与控制学报，2008（4）：6－9.

［6］蒋增辉，于开平，张嘉钟，等.水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究工 ［J］.工程力学，2007，24（4）：152－158.

［7］钱伟长.穿甲力学［M］.北京：国防工业出版社，1984.

［8］王永虎，石秀华.入水冲击问题研究的现状与进展［J］.爆炸与冲击，2008，28（5）：276－282.

Experimental Study on Penetration Properties of High Velocity Fragment into Safety Liquid Cabin

Shen Xiao－le Zhu Xi Hou Hai－liang Chen Chang－hai
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

In order to study penetration properties of high velocity fragment produced by underwater contact explosion， underwater ballistic experiments of 3.3 g cubic fragment was carried out， the results show that resistance coefficient of fragment is significantly influenced by the fragment shape.When the fragment crash on the steel plate，it will bring about great compress wave which makes fragment generate mushrooming and erosion， so the incident flow area increases and the weight decreases， consequently the underwater penetration ability of the fragments decrease with the increasing of velocity.

explosion mechanics； high velocity fragment； safety liquid cabin； penetration resistance

O353.4

A

1673－3185（2011）03－12－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.03.003

2010-09-15

沈晓乐（1985－），男，硕士研究生。研究方向：舰艇抗爆抗冲击。E-mail：sxl04401014＠sina.com

朱 锡（1961－），男，教授，博士生导师。研究方向：船舶结构力学，舰艇抗爆抗冲击。E-mail：zhuxi816＠163.com