介绍了对高速球形弹丸撞击金属厚靶的开坑现象所进行的实验研究。最高弹速为7.5km/s；弹靶材料有7种组合：硬铝打硬铝;钢打钢;黄铜打黄铜;钢打硬铝;硬铝打钢;钢打纯铜和硬铝打铅。用量纲分析归纳前6种（即铅靶除外）情况;得到坑深P和弹径D。之比值的经验关系是其中v是弹速;Pp和Pt是弹和靶的材料密度;Yt是靶板材料的动态屈服强度。铅靶因为容易产生熔化和气化;且可压缩性好;故坑深实验值比上式的计算值高得多。对于一定的弹靶材料的组合;增加弹速则坑形趋向于半球形

孙庚辰

葛学真

谈庆明

赵成修

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第 1 期 I蛐d年 2月 工 学 报 ∞ I N9 1 № l994 7一 I金属厚靶的超高速碰撞开坑实验 孙庚辰 谈庆明 ／赵成修 葛学真 一( 学研兜所 ，『丁 fJ． 摘要 舟绍 了对高速球形弹丸撞击叠属厚靶的开坑现象所进行的实验研 宽。最高弹速为 7．5kin／s；弹靶材料盲7种组合：硬铝打硬铝，铜打钢 ，黄铜 打黄铜 ，钢 打硬铝 ，硬铝 打钢 ，钢 打纯铜却硬铝打铅 。用量纲舟析 归纳前 6种 (即铅靶降外)情况．得到坑罐 P和弹经 D。之比值 的经验关皋是 - o- · (赢 厂 其 中 是弹速 ， 却 是弹和靶曲材料密腰，1- 是靶板材料的动态屈服强度。铅 靶因为容易产 生熔化南气化，且 可压缩性好，嫂坑深实验值 }匕上式为计算值高 ，旱多。对于一定的弹靶材料的组合，增加弹速则坑形趋向于半球形。 关键词 高速碰撞 侵彻 开坑 研究超高速弹丸对金属厚靶的碰撞开坑是一项具有实际和理论意义的课题 回外已 有许多学者在开坑规律性方面做了大量的研究工作。本文采 用二级轻气炮作为实验手段 ， 主要观察高速球形金属弹丸撞击各种 同金属厚靶的开坑现象，整理坑深随物理参世变 化的经验公式 ，从中考察密度、强度和相变等因素所起的作用。 1 实验装置 1．1 轻气炮 弹丸的发射手段是 口径为 8kin／s。 1．2 弹和靶 球形金属弹丸置于塑料弹 托 ．弹托分为两瓣 ．出炮n 后 自动分开 ，弹丸射 向靶块。金 属靶是直径为 lOOmm，厚度小 同的圆柱 用LYI 2cz锚台金， d 5 钢 ，纯铜 ．H 62黄铜和铅 4mm 的二级轻气炮 ，它可将 Ig质量的铝或钢球加速到 采 j．1 弹靶材料参教 Tab．I I Parameters of matcrial~ used for projectiles Id targc【s 注 ：戢据取自力学所动志性 能实验姑果 作为弹、靶材料。材料的密度和动态屈服强度值列于表 1．5 弹速和弹坑深度的测量 992午 4 H收桷．I 993午 |H定帕。 维普资讯 http://www.cqvip.com 兵 工 学 报 1994年 2月 弹丸擅靶前的速度和弹、托的分离状态用闪光纹影照像记录测量 ，测量精度为 (3～4) 。 弹丸在靶板上碰撞形成的弹坑的几何尺 用游标尺测量，测量精度为 0 0】mm 。 2 实验结果 安排了 3类实验 ，前两类是估计不会出现熔化现象的金属 (硬铝、铜 、纯铜和黄 铜)，目的是考虑惯性 (速度和密度)和强度对坑形的影响。第一类实验 中弹、靶采用同 样材料，具有相同的物理和力学性质，着重考察由 所体现的惯性的影响 ；第二类实验中 弹、靶采用不同的材料，着重考察由弹靶密度比po／~,所体现的惯性的影响 ，这里下标 P 和 c各表示弹和靶的属性。第三类实验用铅作靶，实验次数 多，只是想初步观察熔化对 坑形 的影响 。 2．1 第一类 ：弹靶材料相同的 覃靶成坑实验 球形弹丸直径 D。为 5ram， 从 0．72kin／s到 7．35km／s之 间 变化。系统地做了硬铝弹打硬铝 靶 (AIA1)，铜打铜靶 (st／st)、 黄铜打黄铜靶 (Cu ／Cu’)3组试 _ __ _ __ __ _一  验。无量纲参敬 ／(√Y ／ )的 变化范围是 d 0～ 28。坑探 P和 坑 径 ／9随 的变 化 曲线 见 图 2．I．实线表示坑深，虚线表示坑 E v／kin --一‘ 图 2．j 弹靶材料相同的坑深和坑径与弹速的戈系 Fig-2-1 Penet ration depth and crater diameter vs- im pact velocity,materkaB for projectile and target rem aining unchanged 径 。 2 2 第二类 ：弹靶材料不同的 成坑实验 弹 丸仍 是 直 径 为 5ram 的 I 球 ， 从 】．08kin／s到 7．7km／s之 州变化。系统地做了铜弹打硬铝 靶 (St／A1)、硬 铝 打 钢 靶 (AI／ St)、铜打纯铜靶 (St／Cu)3组实 _ __ _ __ __ _一  验。无量纲参敬 ”／(√r．／e,)的 变化范围是 3．8～ 4．0。P和 D 随 的变化曲线见图 2．2。 2．5 第三类 ：铅靶的成坑实验 用直径为 5ram的硬铝球打 击铅靶(A1／Pb)。只做了 4．4km ^ 和 5．2km／s两个速度的实验。 _ _' ● _。 _。 一  相应的无量纳参敬 ／(√lf ／p,) 各为 【1 J和 132，结果见表 2．i。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1 期 金属厚靶的超高速碰撞开坑实验 29 5 成坑分析 决定坑形的参量有几何量和物理量两类。即 D。， ；代表惯性效应的 和 ；代表 强度效应的 r 和 y ；代表可压缩效应的声速 C。和 C。；升温至熔点的热效应 ( ) 和 ( ) (c是比热 ． 是熔点)以及熔化热 和 和 D应与诸量存在确定的函数关系， 即 P 一 ，(D p，口，户P，Yp， p．( )P， p， ，yt， t，(c ) ，日。) D — g(D p，口，户P，Yp，Cp，( )p．np， ．Yt，Ct，( )l， I) 用 定理可得到相应的无量纲函数关系，即 P f 口 Y p p( ) Ct 日t I —D r 【 ’ ’ ’ ’而 ’ ’ ’ J 【 骼Yp CpD p ， ' 'I ’引 一 I ’ t’ctI( ’√ 对于碰撞速度不超过 7km，s的一般金属碰撞(低熔点金属铅和镉除外)．惯性和强度 效应十分重要，历来把”／(√Y． )和户p／ 当作重要参量。困弹丸体积远比靶内发生强 烈变形和热效应区域的体积小，一般可忽略 Y。／Y，的影响。在细长金属聚能射流定常侵彻 钢靶的实验中巳知：如用射流微元速度 米组成无量纲量 ／(√y ／ )，那么当该值处于 1 d～23之同时钢靶可当作不可压缩流体。若低于 1 4，一般要考虑塑性强度的作用 }高于 23．要考虑可压缩性的作用。然而这里弹丸是球形 ，只在碰撞早期碰撞点附近击波很强 ， 材料的压力较高 ．不久压力下降，密度变化就不明显了。总体看，弹丸超速碰撞情况下 材料可压缩性所起的作用比起射流定常侵彻的情况要弱。Westine and Muler[1]指出，很 多金属的无量纲参数 ( )^ 和 c 的变化不大，可近似当作常数 ( 是比热)。 在第一、二类实验中，估计硬铝等材料的熔化并不重要。例如Zukas等)k[23所指出的， 这几种材料中铝的熔点最低 ，当冲击速度为 (5．1～ 7．0)km／s时发生熔化 ；而钢要在 7．9km／s以上，铜要 6．6km／s以上才能发生熔化；打击铅靶使之熔化的速度 只要 2．1 km／s。因此，我们暂时忽略熔化的影响，也不考虑可压缩性的影响，于是有 一 ，【 ’矧， [ ’矧 在第一类实验中， 和Y。佃。都等于1，所以自变量只有 ／√，．。／ 一个。而对于 第二类实验，忽略y ／y。的影响，考察 ／√r 和“ 所起的作用。第三类实验的数 据不多，只能初步看一看熔化现象所起的作用。 第一类实验数据点见图 3．1。硬铝，钢，黄铜 3种材料的数据点比较密集地落在一 个狭带上 ，在 d< —t—-=-一-- < 35的范围内可用一条曲线近似表示，其表达式为 Y ?^  一 0,274f亭 r (3．1) }√y。／ J 它与实验数据的平均绝对误差是 ．6％ ，均方根误差是 11 。坑深随速度的 2／3次幂变 维普资讯 http://www.cqvip.com 兵 工 学 报 1994年 2月 化的趋势与Charters and Sum· m ers[ ．Herrm ann and Jones[ 和 Christi'nan and GehringE。 等 人所得的结果是一致的。 图 3．1中还点上了第=类 的 3组实验数据。将St／AI和 Al／st的数据连成的曲线会 明 显地和第一类的曲线远离，所 以必须要考虑弹、靶材料的不 同性质。遗里试图拟合了 的影响 ，在 4< —r -----< 40， {l^ 0．34< < 2．9的范围内，所 n  得到的经验关系是 ti0 圈3．1 无量纲的弹坑深度和弹速的关系 Fig．3·I Non-dimensional penetrat Jot depth vB．impact velocity 一o．z (尝)一【 r 慨z 将第一、二类的6组实验数据画在图 3．2中。实验数据与经验曲线 (3．2)式之间的 均方根误差是 12 。应该指出，密度比的方幂值0．725比文献 3～5中所给出的值2／3要 大，比文献 1中用数值模拟给出的 0．537也大。如果能量律成立，那么密度比的方幂应 是 1／3，而 ／√y ／ 的方幂则是2／3，所以在密度比的影响方面各研究者的结果之同存在 较大的不一致。 第三类的两个实验所得的无量纲坑探 P／D 值是 3．7和 6．0，如果用前两类实验拟合 的经验关系 (3．2)式估算应为 2．2和 2．5，实验值与之相比高出许多 。表现在图 3．2上 ， 实验点将落在经验曲线 下面。至少有一点是肯 定的 ，如文献 2中所指 出的 ，使铅靶发生熔化 的冲击速度只要 2．1km ／s，发生气化的冲击速 度是 4．8kin／s，另外。 铅的可压缩性也强 ，即 声速低 ，易被压缩 ，应 ● _ _ _ ^ _ ^ 一  该表现出 D．／√r ／n和 ．／c 的作用。 最后考察弹坑几何 形状与 之问的关系。 将三类实验数据都画在 -／ z r ～ 荧系 Fig．3,2 ⋯slxip of 厂 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1 期 金属厚靶的超高速碰撞开坑实验 图 3．3中，很明显 ，随着 提 高 ，P／D趋于 l／2，即坑形趋于 半球状 。如弹材的惯性和强度 比靶材高，则半球形深 ，反之 则浅。第一类和st／Cu的实验 向半球形演变 的趋势特别明 显 ，而 St／At和 A1／St这两 组 实验略差一些。 4 结束语 图 3，3 对于各种弹靶材料坑的深径比与弹速的关系 在轻气炮上进行了弹靶材 Fig．3．3 Cr8ter sbapB Inctor vs-impacI vel~ity for 8everal 料 相同和 不 同、最高弹速 达 p ctile-targ co 7．5km／s的碰撞成坑实验。硬铝、钢、纯铜和黄铜为靶材时．实验结果表明材料的惯性和 强度起控制作用。整理得到经验关系式 (3．2)。铅靶成坑实验初步表明熔化、气化和可 压缩性也起重要作用，这几个因素的影响需要进一步研究。 致谢 参加本项工作的还有张正信，张振松、王岫云、赵秀兰、刘建军等同志。 参 考 文 献 I W estine P S．Mu n S A．Scale modeling of hypcrvclocity impact．1m．J．Impact Engng．．1987 (5)：693 2 孔 k∞ J A．eI a1．．Impact Dynamics-John Wiley＆ Sons．I 982}226 3 Charters A C ·Sum mers J L-Some comm ents,an thc phenomena of high spc。d Mipact． Dicenn~l Symp．．U．S． NOL·Maryland：1959 4 HerrmannW ·foncsA H·Correlation ofhypervelocityimpac t data·5|h Symp-On Hypervelocity Im pact，[Nmv~r，CO · 1961 5 Chrbtmma D R·Gehrlng J W -Analys of highvelocity pro~ctfle penetration mechanics．J．Ap— p1．phys．．1969(37)：1570~ 1580 6 Sedgwick R T ．H ageman L J·Hcrrmann R G ．et ai．． Numerica l investigations in penetration mechanics．Tnt． Engng．Sci．，1978， 16 (I1)：859 C RATERHG EXPERIMENTS W rrH HYPERVEL0 C rrY IMPAC T UPO N TH K METALL TARG ETS Sun G棚 g chert Tan a阱gm啪口 Zao Chengz；删 Ge Xwzh n (Institute 0f Mechanics．Chinese Academy of Science) Abstract T he phenomenon of cratering during a hyperve1oclcy im pact of a spherical projectile upon a thick metallic target has been investigated experinaentaly，the highest velocity of projectile experinaent with being 7．5km／s-Seven sets of projeetfle—target m aterial com binations were used． An em pirica l relationship 一o-z ( I 厂 is deduced from the experimental data， where P repres ents the penetration depth，D p the crater diameter，PD and n the density of projectile and target material respectively， an d y·the dynam ical yield strangth of target material T he shape of the crater chan ged rapid ly as the velocity increased· towar d a roughly hem i-spherical shape for certain projectile·target materiaI cornbinations． Key W ords hypervelocit im pact，penetration，cratering 维普资讯 http://www.cqvip.com 

金属厚靶的超高速碰撞开坑实验

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金属厚靶的超高速碰撞开坑实验

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