高速运动靶板对射流头部速度影响的数值模拟

山西中北大学机电工程学院　孙国庆　张国伟　乔磊

高速运动靶板对射流头部速度影响的数值模拟

山西中北大学机电工程学院孙国庆张国伟乔磊

高速运动靶板对射流头部速度会产生一定影响。本文主要使用理论分析和数值模拟相结合的方法，利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对破甲弹战斗部侵彻运动靶板进行仿真，得出了高速运动靶板对射流头部速度影响的一般性规律，为今后实验研究打下了基础。

高速运动靶板；头部速度；有限元；数值模拟

引言

射流头部速度是射流侵彻能力大小的一个重要体现，分析研究高速运动靶板对该参数的影响变化至关重要。当其它条件一定时（没有径向干扰或径向干扰一样，或其它影响因素一定等），头部速度越大侵彻能力也相对越大，侵彻后效作用也相对增大；头部速度越小侵彻能力也相对越小，侵彻后效作用也相对减小［1］。

1弹目交汇条件

弹目交汇条件对射流侵彻威力的影响主要体现在射流侵彻相对厚度和射流相对速度的变化。当射流垂直侵彻时，射流侵彻靶板的厚度为原始厚度，射流相对速度没有增加；当射流为斜侵彻时，运动靶板的速度会在射流轴向上有分量，从而增加射流的相对速度。同样，靶板的厚度也会在射流轴向上增加，加大侵彻深度。随着夹角的减小，运动靶板的相对厚度逐渐增大，射流的相对速度增加增大。弹目夹角的变化同样也影响着其对射流的横向剪切力矩［2］。结构简化模型及弹目交汇示意图见图1。

注：θ—入射角 v—运动靶板速度图1结构简化模型及弹目交汇示意图

2数值模拟

将靶板速度取为 400m/s、600m/s、800m/s三种情况，分别在不同入射角下进行动态斜侵彻分析仿真计算［3］。表1为射流以不同入射角侵彻不同运动靶板后射流头部的轴向速度vjz。

从表1中可以看出，侵彻后射流头部的轴向速度 vjz最大值为 θ=30°，v=400m/s时，vjz=3474m/s；最小值 为θ=60°，v=800m/s时，vjz=1090m/s。此时，射流都具有一定后续侵彻能力，加之其同时具有极高的温度，与破片和动能杆以及其它战斗部毁伤元素相比，对壳体后面的装药或电子器件具有更大的毁伤威胁。

图2为依据表1绘制的射流头部轴向速度vjz随运动靶板速度v变化曲线图。

图2　射流头部轴向速度vjz随运动靶板速度v变化曲线图

3结果分析

由图2结合表1可以看出，入射角θ=30°时，随着运动靶板速度v的增大，射流头部轴向速度vjz逐渐递减。射流头部轴向速度vjz逐渐递减，呈下降趋势，射流侵彻能力越来越低，相应的射流的破甲能力也降低。

表1　不同入射角和运动靶板速度时射流头部轴向速度vjz（单位：m/s）

运动靶板速度对射流的干扰可以分为两方面：一方面是运动靶板的速度；另一方面是运动靶板速度在射流径向方向的分量。

入射角θ一定时，运动靶板速度v对射流头部轴向速度vjz影响曲线变化规律基本相同，但是变化的走势略有差异。入射角θ=45°时，v=600m/s时vjz的数值较v=400m/s时数值降低了267m/s，约9%；v=800m/s时数值较v=600m/s时数值降低了206m/s，约9%，变化不明显，走势呈趋于直线型；入射角 θ=55°时，v=600m/s时数值较v=400m/s时数值降低了451m/s，约18%；v=800m/s时数值较v=600m/s时数值降低了533m/s，约27%，变化较大，走势呈递减凹函数型；其余入射角随运动靶板速度曲线走势都为递减凸函数型，射流头部轴向速度vjz变化越来越剧烈，受速度影响越来越大。从总体上说，运动靶板速度v对射流头部轴向速度vjz影响曲线变化为递减凸函数型，随外界干扰影响越来越剧烈。

图3射流头部轴向速度vjz随入射角θ变化趋势图

图3是在不同运动靶板速度情况下，射流头部轴向速度vjz随入射角θ变化趋势图。从图3中可以看出，运动靶板速度v=400m/s时，随着入射角θ的增大，射流头部轴向速度 vjz逐渐递减，由3474m/s（θ=30°时）降低为 2965m/s （θ=60°时）；v=600m/s时和v=800m/s时vjz变化趋势基本相同，都为递减趋势。

随着入射角θ增加，运动靶板对射流影响的横向速度逐渐减小，从而降低对射流的干扰，这是对射流侵彻有利的方向；然而，入射角θ增加带来的不利方向是增加了射流的侵彻厚度，消耗了射流能量。在这两个方面，速度主要影响射流的中段，是次要矛盾；而厚度主要影响射流头部，浪费射流的侵彻力，是主要矛盾。这也可以从图3中看出，入射角的θ增加，并没有提高侵彻后射流的速度，反而降低了其速度。从而证明了厚度是影响射流后续侵彻能力的主要因素。

4结论

综上所述，当入射角一定时，随着运动靶板速度的增加，侵彻后射流头部轴向速度逐渐递减，其变化幅度越来越大；当运动靶板速度一定时，随着入射角的增加，侵彻后射流头部轴向速度也是逐渐递减。入射角对射流侵彻能力的干扰作用主要体现在其侵彻厚度对射流的影响。

［1］卢芳云，李翔宇，林玉亮.战斗部结构与原理［M］.北京：科学出版社，2009：66-72.

［2］隋树元，王树山.终点效应学［M］.北京：国防工业出版社，2000：196-232.

［3］赵海鸥.LS-DYNA动力分析指南［M］.北京：兵器工业出版社，2003.