CC BY
99
УДК 531.58
B. А. В е л д а н о в, М. А. Максимов,
C. В. Федоров, А. Ю. Даурских, В. С. Козлов
ОСОБЕННОСТИ ПРОНИКАНИЯ ГРУППЫ УДЛИНЕННЫХ УДАРНИКОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРЕГРАДЫ
Приведены результаты экспериментальных исследований и численного моделирования одновременного воздействия группы удлиненных ударников на преграду со скоростью 1,45... 1,85 км/с. Рассмотрено влияние расстояния между ударниками на глубину проникания и объем зоны разрушения преграды. Выявлено, что глубина проникания центрального ударника превышает глубину проникания периферийных ударников на 7...10%.
E-mail: vevladi@mail.ru
Ключевые слова: группа удлиненных ударников, преграда, проникание,
баллистическая установка, скорость встречи, кратер.
Увеличение глубины проникания в преграде может быть достигнуто путем разделения (сегментирования) удлиненного ударника на отдельные элементы, движущиеся последовательно на некотором удалении друг от друга. К числу факторов, определяющих прирост глубины проникания, относятся число элементов, на которые разделяется удлиненный ударник, и расстояние между соседними элементами вдоль направления движения. Известно [1], что при разделении одного ударника на 10 элементов, движущихся последовательно, полная глубина проникания в плотный грунт при скорости встречи 3... 5 км/с увеличивается более чем в 2 раза.
При одновременном воздействии удлиненных ударников на бетонные преграды [2] со скоростью 6 км/с суммарный объем зоны разрушения в преграде в несколько раз превышает объем зоны разрушения от одиночного ударника, имеющего те же массу и кинетическую энергию, что и группа ударников.
Что касается металлических преград, то объем зоны разрушения может быть увеличен за счет выполнения ударников трубчатыми [3] и в виде группы элементов, одновременно воздействующих на мишень. При рассмотрении одновременного группового воздействия ударников в виде стальных шариков на дюралюминиевую преграду со скоростями 1,1... 1,5 км/с установлены [4] факты более эффективного внедрения группы шариков по сравнению с одиночным шариком. Полученное превышение более чем в 1,5 раза глубины проникания группы шариков по сравнению с глубиной проникания относительно одиночного шарика свидетельствует о взаимном влиянии компактных ударников при групповом ударном воздействии.
Далее приведены результаты исследования одновременного группового воздействия удлиненных дюралюминиевых ударников на алюминиевую преграду. Для этого сборки удлиненных ударников (группы) выстреливались из гладко стенного баллистического ствола в металлическую преграду. Преграды изготовлялись из сплава алюминия в виде цилиндров диаметром 80 мм и высотой 30... 35 мм, которые для уменьшения влияния на проникание краевых эффектов запрессовывались в стальные кольца с толщиной стенки 5 мм. При испытаниях, как правило, устанавливали вплотную друг за другом две преграды так, чтобы ожидаемая глубина проникания была меньше суммарной толщины преград, а сами преграды опирались на массивную стальную плиту для имитации полубесконечности преграды.
Для обеспечения одновременности воздействия группы на преграду и разгона в баллистической установке была разработана конструкция метаемой сборки, состоящая из удлиненных ударников, изготовленных из дюралюминия, поддона из полиэтилена и пятки из дюралюминия. Были изготовлены различные варианты сборок, испытания которых обеспечили всестороннее исследование эффектов группового проникания удлиненных ударников (рис. 1).
Твердость алюминиевого сплава, из которого изготовлялись преграды, и дюралюминия, из которого изготовлялись ударники, составляла соответственно для преграды — НКВ 50 (НВ 330), а для ударников - НЯВ 80 (НВ 540).
Элементы сборки имели следующие параметры: диаметр и длина ударников — 4 мм и 60 мм соответственно, масса одного ударника —
Рис. 1. Группы испытываемых ударников
2+о,1 г. дИаметр и высота поддона — 30 мм и 22 мм соответственно, масса — 12,9... 14,6 г; диаметр и высота пятки — 30 мм и 6 мм соответственно, масса — 11,0... 11,9 г.
При испытаниях для изучения особенностей группового воздействия удлиненных элементов варьировались число ударников в группе и диаметр ¿н (рис. 2), на котором расположены оси периферийных ударников. Исследовалось групповое взаимодействие ударников при симметричном (рис. 2, а, б) и асимметричном расположениях периферийных ударников относительно центрального ударника. Для группы, когда три ударника расположены в одной плоскости (рис. 2, в), варьировались расстояния между ними 11 = ¿2 — ¿1 и 12 = — ¿2. Также были проведены испытания по прониканию в преграду одиночного ударника диаметром 8 мм, площадь поперечного сечения которого и масса равны суммарной площади поперечных сечений и массе четырех ударников диаметром 4 мм. Для одиночного ударника диаметром 4 мм проведены эксперименты по оценке глубины проникания в зависимости от скорости встречи.
28
в
Рис. 2. Характерные размеры сборок для исследования группового воздействия ударников на преграды:
a — сборка из четырех ударников; б — сборка из семи ударников; в — сборка из трех ударников с асимметричным расположением периферийных ударников в одной плоскости
Для оценки влияния поддона на проникание ударников были проведены отдельные испытания по воздействию на преграду сборки без ударников и эксперименты с отделением поддона от ударников перед встречей с преградой. Показано, что влиянием поддона на проникание ударников в преграду в первом приближении можно пренебречь.
При обработке результатов экспериментов оценивались глубина проникания центрального ударника Нс, глубины проникания периферийных ударников Нг (г — номер ударника в порядке возрастания глубины проникания), диаметр расположения центров пробоин периферийных ударников объем кратера W.
Для расположения ударников в сборке в одной плоскости оценивались глубина проникания центрального ударника Нс, глубины проникания периферийных ударников Н^ (где значение индекса ] = 1 соответствует минимальному расстоянию 1\ между осями центрального и периферийных ударников, а ] = 2 — максимальному расстоянию 12 между ними). Расхождение ударников в конце проникания, а именно увеличение расстояний и 12 фиксировалось соответственно величинами 11к и /2к как расстояние между центрами пробоин в преграде от среднего и крайних ударников.
Результаты исследований приведены в табл. 1-3 и на рис. 3-6.
Таблица 1
Экспериментальные результаты для одиночных ударников и групп из
четырех ударников
Скорость встречи «0 = 1450 м/с, четыре ударника й = 4 мм
dH/d hc, мм h1, мм h2, мм h3, мм dH, мм dK, мм
2 43,5 41,5 40,5 40,0 8,0 20,5
2 46,0 44,0 43,5 43,0 8,0 20,0
2 46,5 45,0 42,0 41,5 8,0 20,0
3 43,5 42,5 42,0 41,5 12,0 21,5
3,75 42,0 40,0 39,0 37,0 15,0 24,0
3,75 43,0 42,0 40,0 39,0 15,0 26,0
5,5 35,5 31,5 30,5 30,5 22,0 38,0
5,5 36,0 31,5 31,0 30,5 22,0 37,0
Один ударник й = 4 мм
— 32,5 37,0 — — — — —
Один ударник й = 8 мм
— 42,5 44,5 — — — — —
Скорость встречи «0 = 1750 м/с, четыре ударника d = 4 мм
2 47,0 42,0 41,5 40,0 8,0 20,0
Один ударник й = 4 мм
— 43,0 — — — — —
Таблица 2
Экспериментальные результаты для групп из семи ударников диаметром 4 мм при скорости встречи V0 = 1450 м/с
dH/d hc, мм h1, мм h2, мм h3, мм h4, мм h5, мм h6, мм
3,75 29,0 29,0 29,0 28,0 27,0 27,0 25,0
3,75 33,0 32,0 32,0 31,5 31,0 31,0 31,0
5,5 30,0 31,0 29,0 29,0 28,0 24,0 20,0
5,5 32,0 32,0 32,0 31,0 31,0 30,0 30,0
Таблица 3
Экспериментальные результаты для групп из трех ударников, диаметром 4 мм, расположенных в одной плоскости
Скорость встречи v0 = 1450 м/с
11, мм 12, мм й.ц, мм h1, мм h2, мм 11к, мм ¿2к, мм
5,5 7,5 51,0 50,0 46,5 10,0 13,0
7,5 11,0 35,0 34,0 31,5 12,5 16,0
5,5 16,5 39,0 34,5 32,5 7,0 28,0
Скорость встречи v0 = 1550 м/с
5,5 16,5 48,0 44,0 34,5 16,0 33,5
Характерные формы кратеров, полученных при взаимодействии различных групп ударников, показаны на рис.3. Получено, что при увеличении зазора (увеличении значения ¿н/¿) между центральным и периферийными ударниками общий кратер вырождается в отдельные кратеры, между которыми могут быть соединительные полости.
Проведенные эксперименты указывают на эффективность группового воздействия удлиненных элементов при проникании, выражающуюся в увеличении на 20... 40% глубины кратера, по сравнению с одиночным элементом при скоростях встречи 1450±50м/с.
Отметим, что глубина проникания центрального ударника группы из четырех элементов по сравнению с периферийными практически всегда превышает на 7... 10% глубину проникания одиночного ударника диаметром 4 мм и может при определенных зазорах между центральным и периферийными ударниками превышать глубину проникания одиночного, эквивалентного по массе ударника диаметром 8 мм (см. рис. 4).
Установлено, что для скоростей встречи 1450±50м/с и указанных массогабаритных размеров группы ударников при расстоянии между их осями, превышающем 7... 8 мм, эффект группового воздействия по глубине проникания не проявляется.
Глубина проникания группы из четырех ударников диаметром 4мм, собранных вместе (¿г.Н/¿с = 2), на 4... 5% превышает глубину проникания ударника диаметром 8 мм, равного им по массе и площади поперечного сечения.
Ь ж
Рис. 3. Кратеры, образуемые ударниками й =4 мм из дюралюминия в дюралюминиевой преграде при скорости встречи «о = 1450 м/с:
а — один ударник; б — четыре ударника при йн/йс = 2; в — четыре ударника при йн/й = 3; г — четыре ударника при йн/й =5,5; д — семь ударников при йн/й = 3; е — три ударника с асимметричным расположением периферийных ударников в одной плоскости при ¡1 = 5, 5 мм и ¡2 = 16,5 мм
Рис. 4. Зависимости глубины проникания центральных ударников для сборок с различным расположением периферийных ударников для группы из четырех ударников диаметром 4 мм и одиночного ударника диаметром 8 мм с площадью поперечного сечения, равной суммарной площади четырех ударников диаметром 4 мм:
hcmax, hc, hcmin — максимальное, среднее и минимальное значения глубины проникания центрального ударника диаметром 4 мм; h8max, hg, h8min — максимальное, среднее и минимальное значения глубины проникания ударника диаметром 8 мм
Рис. 5. Объем кратера при проникании группы из четырех ударников диаметром 4 мм (Шг) и одиночных ударников диаметром 4 мм (Ш) и диаметром 8 мм Ш )
Отмечено расхождение ударников относительно центрального ударника в процессе проникания, значение которого при расположении периферийных ударников вокруг центрального (¿к — )/2 составляет 5. ..7 мм, а при расположении ударников в одной плоскости расхождение (11к — 11) и (12к —12) может достигать значений 10,5... 17,0 мм.
Объемы кратеров, получаемых при проникании группы из четырех ударников диаметром 4 мм, одиночных ударников диаметрами 4 мм и 8 мм, приведены на рис. 5.
Объем кратера для группы из четырех ударников диаметром 4 мм при йн < 22 мм превышает объем кратера, получаемого при соударении с преградой ударника диаметром 8 мм. Максимальный объем кратера наблюдается при йн = 15 мм (йн/й = 3,75) за счет интенсивного разрушения перемычек между кратерами, создаваемыми отдельными ударниками.
Численное решение задачи проводили, используя трехмерный БРИ-решатель. Целью численного расчета было получить значение глубины проникания и описать возможные механизмы такого взаимодействия ударников с преградой. Расчетная модель представляла собой теоретическую постановку взаимодействия с преградой трех ударников со скоростью 1450 м/с. Для описания поведения материала использована модель прочности Джонсона-Кука для материалов ударников и мишени. Выбрали поддон, выполненный из полиэтилена. Параметры материала и свойства сборки подбирали на примере проникания одного стержня диаметром 8 мм со скоростью 1450 м/с (двумерная задача). Начальная постановка для численного решения приведена на рис. 6.
Результаты расчетов показывают, что объем кратера от каждого из двух ударников, расположенных близко друг к другу, больше, чем объем кратера от третьего, удаленного ударника. Это можно объяснить, исходя из контуров распределения давления в преграде, когда ударные волны взаимодействуют и значения напряжений суммируются. Следует также отметить, что по мере проникания увеличивается расстояние между осями ударников. На рис. 7 представлен заключительный этап проникания. Расчет показывает имевшее место в эксперименте увеличение расстояния между осями ударников и их изгиб в конце проникания.
В результате экспериментальных и расчетно-теоретических исследований получено, что глубина проникания группы ударников имеет максимальное значение при минимальном расстоянии (зазоре) между периферийными и центральным ударниками. При увеличении расстояния между ударниками глубина их проникания уменьшается и в предельном случае становится равной глубине проникания, полученной при метании одиночного ударника диаметром 4 мм. Максимальное превышение глубины проникания группы из четырех ударников относительно глубины проникания одиночного ударника диаметром
Рис. 6. Начальная постановка численного расчета
Material Location
I
II AL 7039 (rod) AL2024T351 l AL 7039 (sab) POLYETHYL STEEL 1006
■
Рис. 7. Заключительный этап проникания
4 мм составляет 20. ..40%. Относительно эквивалентного одиночного ударника массой, равной суммарной массе группы из четырех ударников (диаметр эквивалентного одиночного ударника равен 8 мм), это превышение составляет 4... 7%. Численное решение показывает хорошее качественное и количественное совпадение с экспериментом.
Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 08-08-00341-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Fedorov S. V.,Veldanov V. A., Kozlov V. S. Numerical analysis of metal projectile penetration into soil in hydrodynamic mode // Proc. 23rd Int. Symp. on Ballistics. Tarragona (Spain), 16-20 April 2007 (Ballistics 2007). Vol. 2. - Madrid, 2007. - P. 1421-1428.
2. Pincosy P., Murphy M. Calculated concrete target damage by multiple rod impact and penetration // Proc. 23rd Int. Symp. on Ballistics. Tarragona (Spain), 16-20 April 2007 (Ballistics 2007). Vol. 2. - Madrid, 2007. - P. 1453-1460.
3. V e l d a n o v V. A., F e d o r o v S. V., M a x i m o v M. A., K o z l o v V. S. Penetration of tube-like projectiles into metal targets // Proc. 24th Int. Symp. on Ballistics. New Orlean (Louisiana), 22-26 September 2008 (Ballistics 2008). Vol. 2. - New Orlean, Louisiana, 2008. - P. 695-699.
4. Об эффективности коллективного воздействия твердых тел на преграду при умеренной скорости соударения / Лин Э.Э., Жабицкий С.К., Мельцас В.Ю. и др. // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т. 31 (2). - С. 6-12.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
