CC BY
38
УДК 531.58
B. А. В е л д а н о в, М. А. Максимов,
C. В. Федоров, В. С. Козлов
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РАЗМЕРОВ ВНУТРЕННИХ ОТВЕРСТИЙ ПОЛЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ УДАРНИКОВ НА РАЗМЕРЫ КРАТЕРА В АЛЮМИНИЕВОЙ МИШЕНИ
Рассмотрены экспериментальные и расчетные результаты исследований взаимодействия трубчатых ударников с мишенями при скоростях 1,3... 1,8 км/c. При исследованиях длина и масса ударников были постоянными, варьировался относительный диаметр внутреннего отверстия. Получено, что при увеличении относительного диаметра глубина проникания уменьшается, а диаметр кратера увеличивается, при этом объем кратера остается практически постоянным.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: полый алюминиевый ударник, трубка, преграда, баллистическая установка, проникание, кратер, мишень, удлиненный элемент, поток материала, кольцевая форма.
При анализе численными методами взаимодействия алюминиевых ударников с алюминиевыми мишенями конечной толщины при скоростях 7,6 и 15 км/с [1] отмечена возможность фокусировки ударной волны в мишени и образования высокоскоростных струй материала ударника и мишени прямого и обратного течения. Задача рассмотрена при постоянном отношении диаметра осевого отверстия dh к наружному диаметру ударника do, равном 0,5, и, как уже отмечено, при относительно тонких мишенях, допускающих их пробитие и выход ударника за тыльную поверхность.
Анализируя проникание стальных трубчатых ударников [2] в полубесконечную преграду из грунта с постоянной скоростью 3 км/с при разных отношениях dh/d0 численными методами, выявили, что глубина проникания уменьшается с увеличением этого отношения. В результате расчетов был определен факт обратного течения материала преграды через отверстие ударника. При этом значения длины и наружного диаметра ударника принимались постоянными, варьировался только диаметр осевого отверстия ударника. Таким образом, с увеличением диаметра осевого отверстия уменьшается масса ударника, а следовательно, и его кинетическая энергия.
Следует иметь в виду, что рассмотренные результаты получены расчетным путем при высоких скоростях встречи, когда прочностные характеристики материала ударника и преграды практически не оказывают влияния на характер взаимодействия.
Представляет интерес экспериментальное исследование взаимодействия трубчатых ударников с полубесконечными мишенями при
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для проведения исследований:
1 — баллистическая установка; 2 — мишень; 3 — отбойная бронеплита
меньших скоростях встречи, когда прочностные характеристики материала ударника и преграды уже оказывают влияние на характер проникания. При этом изменяя отношение ^, необходимо соблюсти равенство масс ударников (их кинетических энергий). Результаты экспериментальных исследований, полученные при таких условиях, приведены далее.
При проведении исследований требовалось обеспечить метание ударников трубчатой формы с разными наружными диаметрами. Для этого была использована баллистическая установка (рис. 1) Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Мишень представляет собой набор дюралюминиевых плит, которые опираются на отбойную бронеплиту, что позволяет исключить влияние тыльного эффекта на проникание ударников и максимально приблизить условия взаимодействия к условиям взаимодействия ударников с полубесконечными мишенями. При этом необходимо было обеспечить ведение ударника по стволу так, чтобы угловая скорость относительно его поперечной оси и угол атаки при выходе из ствола были минимальны, а также обеспечить обтюрацию пороховых газов. Поэтому была использована одинаковая для ударников из дюралюминия и стали схема ударника (рис. 2) с центрирующим утолщением и обтюратором из полиэтилена. Для исключения прорыва пороховых газов при разгоне в стволе осевое отверстие выполнялось глухим (с дном толщиной 1,5 мм). Расстояние I между дульным срезом баллистической установки и мишенью (см. рис. 1) выбирали, исходя из условия минимизации угла атаки при встрече ударника с мишенью.
Рис. 2. Ударники из дюралюминия и стали
Рис. 3. Ударники из дюралюминия с различными отношениями диаметров
dh/do
Длина ударников всех видов составляла 60 мм. Наружный диаметр (d0) и диаметр осевого отверстия (dh) рассчитывали из условия постоянства площади поперечного сечения и массы ударника (рис. 3). Диаметр проточки под поддон из полиэтилена (ds) (см. рис. 2) выбирали из условий обеспечения надежности его крепления и сохранения прочности в процессе движения ударника в стволе баллистической установки.
Испытывались ударники из дюралюминия массой 17,5... 18,0 г и стали массой 19,5... 20,0 г с помощью баллистической установки (калибр ствола 14,5 мм), а также дюралюминиевый ударник массой 35,0 г с использованием баллистической установки (калибр ствола 23,5 мм). Скорости встречи с преградой составляли 1400 м/с и 1800 м/с для ударников из дюралюминия и 1300 м/с для ударников из стали. Предел текучести дюралюминия и стали равен 300 МПа и 250 МПа соответственно.
Дюралюминиевые плиты, представляющие собой мишень, устанавливались перпендикулярно направлению стрельбы.
В экспериментах было отмечено формирование мощного потока материала ударника и мишени в обратном направлении внутри отверстия ударника с образованием вылетающих удлиненных элементов и остающихся на дне кратера в мишени осесимметричных выступов (рис. 4). Форма кратера, как правило, была близкой к цилиндрической с некоторым расширением в центральной части, ударник при проникании срабатывался на 70. ..80% и оставался в кратере. Металл преграды и ударника затекал во внутренний канал трубки, пробивал стенку глухого торца в дне ударника с образованием удлиненных элементов, размеры которых существенно зависели от относительного
диаметра отверстия ударника (рис. 5), имея тенденцию к уменьшению (как длины, так и диаметры элементов) с уменьшением отношения
/Ло-
Когда относительный диаметр кольцевого ударника превышал критические значения > 0,8), формирование потока материала ударника и мишени в обратном направлении прекращалось и кратер в мишени приобретал кольцевую форму.
Рис.4. Разрез мишени вдоль кратера (ударник из дюралюминия й^/йо = 0,66; «0 = 1400 м/с)
Рис. 5. Удлиненные элементы обратного выплеска материала ударников и преграды (ударники из дюралюминия при йь/й0 = 0,66; 0,58 и 0,34; «0 = 1400 м/с)
Основные геометрические параметры ударников и результаты их взаимодействия с преградой приведены в табл. 1, 2 и на рис. 6.
Таблица 1
Ударники из дюралюминия и результаты их взаимодействия с мишенью
Параметры ударни- Скорость встречи «с = 1400 м/с
ка и кратера 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Внутренний диаметр мм 0 3 4 5 6 7 8 9,5 20,5
Наружный диаметр йс, мм 10,5 11,4 11,8 12,1 12,5 13,0 13,7 14,5 23,5
йп/йс 0 0,26 0,34 0,41 0,48 0,54 0,58 0,66 0,87
Глубина кратера Н, мм: эксперимент 43,5 39,0 37,0 36,0 36,5 36,0 35,5 34,0 22,0
расчет 43,0 39,0 36,0 32,0
Диаметр кратера В, мм: эксперимент 21,0 21,5 22,0 23,0 23,5 24,0 24,0 24,5 43,0
расчет 22,5 23,5 25,0 26,0
Объем кратера Ж, см3 15,0 14,2 14,1 15,0 15,6 16,3 16,1 16,0
Скорость встречи «с = 1800 м/с
Глубина кратера (эксперимент) Н, мм 51 46,0 40,0
Диаметр кратера (эксперимент) В, мм 26,0 31,0 33,0
Объем кратера Ж, см3 27,1 34,7 34,2
Таблица 2
Ударники из стали и результаты их взаимодействия с мишенью («с = 1300 м/с)
Параметры ударника и кратера Вариант ударника
1 2 3
Внутренний диаметр мм 0 6,0 13,0
Наружный диаметр йс, мм 6,0 8,5 14,5
йп/йс 0 0,71 0,90
Глубина кратера (эксперимент) Н, мм 36,0 26,0-27,0 22,0-23,0
Диаметр кратера (эксперимент) В, мм 13,0-13,5 19,0-19,5 22,0-22,5
Объем кратера Ж, см3 4,8-5,2 7,4-8,1 8,4-9,1
Расчеты (рис. 7) показывают особенности деформирования трубчатых ударников в преграде, формирование кратера качественно и количественно верно отражает результаты экспериментов. Показано,
Рис. 6. Характеристики кратеров (глубина Н, диаметр В, объем образуемых трубчатыми ударниками из дюралюминия (а, б) и стали (в) в дюралюминиевой преграде при = 1400 м/с (а); 1800 м/с (б); 1300 м/с (в)
что при соотношении /¿0 < 0,2 происходит запирание осевого отверстия материалом ударника и преграды и ударник проникает как сплошной. В случае обратного течения через осевое отверстие могут образовываться компактные фрагменты, чего не наблюдается при более высоких скоростях взаимодействия.
В результате экспериментальных и расчетно-теоретических исследований получено, что при изменении отношения диаметра отверстия к наружному диаметру (¿^/¿0) трубчатых ударников от 0 до 0,66 глубина проникания уменьшается на 20... 25 %, а диаметр кратера увеличивается на 13... 15 %, при этом объем кратера остается практически постоянным, имея небольшую тенденцию к увеличению. Отмечено формирование мощного потока материала ударника и преграды в обратном направлении внутри отверстия ударника с образованием вылетающих удлиненных элементов и остающихся на дне кратера осесимметричных выступов. При превышении относительным диаметром кольцевого ударника критических значений кратер в мишени приобретает кольцевую форму.
а б
Рис.7. Расчет проникания трубчатых ударников при йк/Л0 = 0 (а), 0,34 (б) и 0,66 (в)
Работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 08-08-00341-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Высокоскоростные ударные явления / Пер. с англ. под ред. В.Н. Николаевского. -М.: Мир, 1973. - 533 с.
2. F e d o r o v S. V., V e l d a n o v V. A., K o z l o v 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.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
