[趣味力学] 空腔聚能与金属射流(一),(二)

不爱吱声

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包子 发表于 2012-4-15 09:22
药罩的形状和材质对射流有何影响呢，老大一定要深入研究啊。

5 J' H" U3 l+ a" p. X2 l/ u
这两个因素是最关键的因素.
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- |/ E/ v8 m, Y8 M+ g* Q. o1 D以后看看有没有办法介绍些原理性的东西,具体细节肯定就不能讲了
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液化

不爱吱声 发表于 2012-4-2 21:50
# E# W/ v  F( A5 e# o- A做这个计算模型涉及到物质状态方程的建立及相关参数的实验确定，一般常见的炸药都可以查文献得到参数。也 ...

; L0 ^8 [1 _* u! }
8 h" n' w* J: S7 H非常好的演示。是不是采用Ls-Dyna这样的有限元软件进行的模拟？猜测二当家的进行的是ALE计算，炸药和钢材的交界面是如何追踪的呢？

不爱吱声

液化 发表于 2012-4-16 04:18
非常好的演示。是不是采用Ls-Dyna这样的有限元软件进行的模拟？猜测二当家的进行的是ALE计算，炸药和钢材 ...

shaped charge计算使用Ls-Dyna做不了，所有的有限元软件都做不了，爆炸波部分好办，但是如果模拟药罩就不行了，以后我会给大家看，药罩的变形及其剧烈，拉哥朗日有限元搞不定，ALE也弄不动，比较成熟的用流体力学用的有限体元，但是也是专门给shock的算法。不成熟的见过有人用MPM（材料点方法），我也尝试过，但实际问题极大，演示可以，定量计算不好使，算法本身问题多多，还远不成熟。
( W/ K, ]8 L1 X3 T7 D' c3 J商业软件中，ANSYS的Autodyn可以算shaped charge,有不错的结果。我用的不是商业软件，不好说出来。
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2 j! U: e- j1 c0 z4 ~1 ?* I有限体元界面追踪是个大问题，基本全是数值上的处理，无法引入界面物理机制，好在对于我们研究的射流成型问题不重要，但是算穿射，界面就成了大问题，我现在是用有限体元算射流成型，然后转成有限元算穿射，再用些特殊处理可以应付工程应用问题，误差可控在一定范围。
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穿射问题本身就是难度极高的问题，精确计算几无可能，需要些“功力”。

包子

不爱吱声 发表于 2012-4-16 01:28
1 Y: t0 P  E% F这两个因素是最关键的因素.
- \9 I7 P$ I  Y. q/ Z: p
( V2 G: N% J9 k: k: G以后看看有没有办法介绍些原理性的东西,具体细节肯定就不能讲了

形状不能讲我理解，材料方面介绍一下吧，不用太细的。

不爱吱声

包子 发表于 2012-4-16 10:57
形状不能讲我理解，材料方面介绍一下吧，不用太细的。

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; |! H# d8 c8 s  b" k材料可选的余地并不是很大，主要需要以下几个特征,按重要性先后次序（非严格）
  V  {+ f' {3 H& g1。密度高，理论上（最简化理论），高速射流穿射目标深度与密度平方根成正比，因此密度越高，穿深越高。这个以后肯定会讲。
2。韧性好，这样可以很大的射高也不会断裂，由于射流伸长导致的断裂会严重影响穿深
% ~! C; |0 f# \+ z7 f1 {! U, z3。shock性能好，主要是金属音速（speed of sound)高一些比较好，因为音速低，药罩形成射流过程中（liner collapse),如果局部金属塑性变形流速超过金属音速会导致射流失稳。金属音速高意味着允许的变形流速范围更大，可以形成更高速的稳定射流。

以上只是针对实体药罩（solid liner)说的，设计破甲弹，轻型鱼累战斗部之类的够用了，石油行业深射聚能器都使用金属粉，还有些更复杂的机制，我们只能科普到这个水平了，再多我就有麻烦了。

根据以上三点，军事上多用铜，也有用钨的，大家可以想一想，铜和钨比，各自利弊在哪里？其他的金属也有用，但不是主流。
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而理论上有一种金属是以上三种性能都好，可是实际上却不会被采用的，大家能不能说出来是什么金属，为什么不用？

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( ]3 |$ X* l. T1 p  v0 [' |! S6 u另外，为了不误导大家，对聚能器射深的追求是最考验设计功力的，因为射深是最极端，需要最多知识，而射深一定意味着高速射流，高速射流对设计敏感度很高，细微的设计差别可以导致性能的很大不同。
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; `# T7 @" k  g. {2 o) |- }但是武器设计中，往往并不需要对射深的极端要求，因为坦克装甲和舰艇装甲都是有限厚度的，穿透即可。武器要产生致命效果也不是说穿个小孔就行了，最好是与爆炸波，碎片等“合成”作用，因此很多武器是综合系统设计，其中聚能器设计对射深的要求反倒是次要的了，大家可以去搜EFP(Explosive Formed Projectile)就是一个例子，不求最深但求管用。

只有石油业使用深射聚能器因为要射无限深的地球岩石层，因此才对射深有极端疯狂的追求。

包子

试着解答一下
- h. k: P' K1 \& T- b5 H  j铜的延展性好，是密度稍低 ，冲击性我不太理解，但是铜的熔点低可能容易形成金属射流。
$ _; ~4 v5 E3 ?* M6 }7 z0 i钨的延展性差，密度高，熔点也高。

我猜三种性能都好的是金，太贵。
* `6 _0 w! }# N, K7 V' Q# w  M
6 s, w9 d5 ]' C其实，这也是我关注这个问题的初衷之一，据说土鳖国在珍宝岛事件后对40火的穿深不满意，当时技术也达不到，所以特制了一批用金做药罩的40火，我一直在寻找这批，不过按保质期来算应该已经消耗完或者回收完了。
0 U$ a4 K. ?) z- Q" C
% n$ q# [9 z6 @普通40火的紫铜药罩大约30克左右，要是金的，嚯嚯，找到一发就发个小财啊。
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不爱吱声

  t- D, M  `; _" p! ]" W  v8 F# }

包子 发表于 2012-4-16 11:53
, @. T' a2 @/ u试着解答一下
+ O) c7 B% E  m$ h. ^# y7 R: M9 ]铜的延展性好，是密度稍低 ，冲击性我不太理解，但是铜的熔点低可能容易形成金属射流。
- R' x4 Z2 j1 ]5 \" |; T钨的 ...

) Q! Q4 v3 U6 V8 P; Q5 V+ {+ b- A
* t/ z$ k5 ~& `/ M3 \) M$ A回答的很不错，赞

2 A+ U6 I" w3 y, @8 u( O& F1 J' u只是修正一点，铜的熔点也不低了，合金就更高些，射流中铜是不会融化的，大体我们认为熔点对射流的形成没有什么影响的。

* \, K2 d# \5 x" ]9 C$ b射流的温度很难测，有人很粗略地测过，大概最高五六百度，一般我们也认为大体不差。如果采用熔点低的金属比如说锡，是会融化的，但是真正应用中都是不愿意用容易融化的金属的。
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据说土鳖国在珍宝岛事件后对40火的穿深不满意，当时技术也达不到，所以特制了一批用金做药罩的40火，

这个故事有没有具体的更详细的介绍，要是有联结最好了，我想以后用到我的文章中

液化

不爱吱声 发表于 2012-4-16 20:34
. v' H: d1 G1 n; s! z3 Q* H- [4 b" S$ `shaped charge计算使用Ls-Dyna做不了，所有的有限元软件都做不了，爆炸波部分好办，但是如果模拟药罩就不 ...

是的，药罩的高速剧烈扭曲很难用有限元模拟。很有趣，我们用MPM做过一些拟静力分析，基本结论与您类似：看起来很美，精度很差。
- w) A- L3 |3 P& N( H" _% D8 s
( Z3 n& j% t" O- j; S2 B送花，等待更多科普。

不爱吱声

液化 发表于 2012-4-16 19:15
是的，药罩的高速剧烈扭曲很难用有限元模拟。很有趣，我们用MPM做过一些拟静力分析，基本结论与您类似： ...

搞计算力学的?看来爱坛搞力学的不少么.

不爱吱声

这个俺就完全听不懂了哈

% B6 B3 \( H: S8 O
因为液化是用行话提问的,所以我就用行话回答了,呵呵,确实不太容易懂.

包子

关于黄金药罩不是故事，而是听闻某军工厂子弟的对该厂的介绍，这批弹药的生产十分严密，各个环节都有军代表直接监视。

! }! m! D4 r+ A4 q! G通常感觉，金属射流是液态的，因为看高速摄影中，射流的颜色是铁水的颜色。老大说金属射流不会融化，那能不能介绍一下，这种射流的物理性质呢?

一无所之

不爱吱声 发表于 2012-4-17 01:30
材料可选的余地并不是很大，主要需要以下几个特征,按重要性先后次序（非严格）
0 Q. G4 V5 K# u' o& {2 V6 {1 c" m$ E1。密度高，理论上（最简 ...

话说不爱坛主啊，我现在才发现您也不是个好惹的主儿啊。弄不好，去街边买一挂鞭炮，自己捣鼓捣鼓都能把楼给弄塌了～～

不爱吱声

一无所之 发表于 2012-4-17 01:41
话说不爱坛主啊，我现在才发现您也不是个好惹的主儿啊。弄不好，去街边买一挂鞭炮，自己捣鼓捣鼓都能把楼 ...

黑火药不行，燃速太低，威力不够

不爱吱声

通常感觉，金属射流是液态的，因为看高速摄影中，射流的颜色是铁水的颜色。

你在哪里看到的高速摄影显示射流颜色的？我怀疑你看得是后期制作的想象图，或者是上色图,也有可能是看到其实是炸药气流产生的“光”而不是金属射流本身的颜色。
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因为专门研究射流所用高速摄影都是使用X射线的，可见光的能量不够是不能捕捉到射流图像的，使用Ｘ射线，看到的都是灰度图，不能有颜色的。比如说典型的X 射线高速摄影图　
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此图中显示射流穿透钢板，射流已经“断开”。
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( [+ \  j/ ?/ s) H- E2 A. A

老大说金属射流不会融化，那能不能介绍一下，这种射流的物理性质呢?

射流还是金属的塑性变形流。说来话长，我就简短地说吧，以后详细科普。

; F' W; P2 f9 t' i  \并不是所有我们观察到的的“流动”显现都是由于融化变成液态才会有的。比如说，你捏橡皮泥，橡皮泥就是很软给些压力就能变形流动，但是橡皮泥并不是液态，也没有融化，橡皮泥捏出形状后也不会回到原来状态，这种状态就是塑性变形。
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( ~' e; }% F! ?! u% G& U1 k6 Z  }* B塑性变形过程也显现的“流动态”，但这种“流动态”跟通常意义上的融化后的液体有所不同。一般，塑性变形还算是“固态”,有剪切强度，可以承受“剪切”变形，而“液体”是没有剪切强度，不能抵抗剪切变形的，当然液体有“粘性”的，是可以抵抗“剪切”速度的。不过，金属塑性变形和液体金属有一个共同特点就是都是不可压的，就是可以变形，但总体积不变。

承受剪切变形的固态金属杆有个特点就是伸长后会有颈缩现象。这是金属韧性的体现，变形太大了后，金属晶格产生剪切滑移面，金属不再均匀变形，局部界面缩小，继续的话金属就会断裂。裂纹也与脆性材料不同。这个说起来话太长了，就此打住。

4 I9 Y, y& m. g  f, s我以前讲，有人初略测出射流温度应该在几百度以内，这是直接的证据说明普通金属（铜，钨等）射流没有融化，间接证据就是上面图中显示的射流“断开”，因为这是与韧性固体金属颈缩后断裂现象一致的，侧面说明金属是固态，微观上仍然是有“晶格”的，变形是晶格之间的“位错”所致，而不是液态。

可以搜索“位错”，“颈缩”，dislocation，necking.
7 ~/ ~) N( h$ G: h: X" J
以上术语太多，时间有限，先简要介绍到这里，如果有疑问，等我以后找到时间继续写文章时候在专门想法用通俗的语言写出来吧。
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液化

不爱吱声 发表于 2012-4-17 23:44
/ {2 H/ c7 h8 s2 U2 r3 v+ y你在哪里看到的高速摄影显示射流颜色的？我怀疑你看得是后期制作的想象图，或者是上色图,也有可能是看到其 ...

可以直接说“塑性流动”，没接触过塑性力学的可以这么理解：材料从弹性进入塑性状态后，弹塑性刚度远低于单纯的弹性刚度，因此对于同样大小的作用力，达到塑性状态的材料变形更大，甚至会大到像流体一样急剧变形。当然，这是很粗略的解释。

sduivy

不爱吱声 发表于 2012-4-17 23:44
1 N& A( Q5 w: D. Z- h7 {: v你在哪里看到的高速摄影显示射流颜色的？我怀疑你看得是后期制作的想象图，或者是上色图,也有可能是看到其 ...

9 m/ n8 h5 F" c能介绍下这张X射线图的相关内容不？譬如X射线的能量范围？还有这个靶的尺寸之类的？这个是高速相机拍摄的吗？X射线是咋产生的？

包子

不爱吱声 发表于 2012-4-17 23:44
你在哪里看到的高速摄影显示射流颜色的？我怀疑你看得是后期制作的想象图，或者是上色图,也有可能是看到其 ...

) [; N" P+ |& \5 l' s流言终结者有一集用告诉摄像拍摄40火击中防弹玻璃，老大可以找来看看。老大的解释我明白一些了，金属射流并非金属液化后的流动，而是塑性变形。这和铁烧红后变软差不多吧？

不爱吱声

4 a: \( v& ^' I1 r8 s, v

包子 发表于 2012-4-18 07:02
) P1 [# V* u; y3 e, d0 N4 b流言终结者有一集用告诉摄像拍摄40火击中防弹玻璃，老大可以找来看看。老大的解释我明白一些了，金属射流 ...

1 O, A( A6 v( }1 u

  H0 C& C' J6 t- X$ B' D
discovery台的节目以前有讲过shaped charge,里面说"jet"是“melting metal”,那是错误的，节目中还作了个动画，显示出来橡铁水的颜色，还有飞溅的效果，是他们想象的，即便是外面的钢筒受爆炸破碎后也不会变成那样的金光闪闪的，jet更不是。很多科普节目里都是想当然地这么说，全是错误的。我还见过美国的某物理科普网站介绍说，是等离子体的jet,那个就更不靠谱了,等离子体可是要上万度啊。。。

会制作charge不意味着他们真明白charge,其实会DIY做charge的人很多（甚至，包括美伊战争中，美国人受伊拉克的路边炸弹之苦很深，后来发现伊拉克人手制炸弹用到了空心聚能原理）。但真明白物理机制的非常少，只有那些专门搞这方面研究，接触第一手实验资料以及很深入了解相关理论的才知道。

基本上我见过的科普电视节目要么就没说jet到底是什么，要么就说错了，这也是很有意思的现象，或许这跟这个东西的保密性有关。
) J6 y9 ~+ w8 h# i+ ^
( W: [. B0 Z! ]; q不过，刚刚查了下Wikipedia,发现那里说法是基本正确的。
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维基（http://en.wikipedia.org/wiki/Shaped_charge）说：
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The immense pressure makes the metal flow like a liquid, though x-ray diffraction has shown the metal stays solid; one of the theories explaining this behavior proposes molten core and solid sheath of the jet.

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从这点上来看，维基可信度还是很高的，赞维基

1 \, P6 r! ^) j/ v6 p不过这东西也发展了60年了，因此最近二三十年原理解密的比较多了，文献也比较多了，所以这些原理我可以在这里科普出来而没有问题。不过，我必须确保这里讲到的，一定全都是有公开发表的文献可查的，而且一定要给出文献，免得麻烦，这也让我写这个科普有点累，呵呵。

不爱吱声

sduivy 发表于 2012-4-18 02:51
6 x* r/ B  Y7 |0 E0 g" X" @! r能介绍下这张X射线图的相关内容不？譬如X射线的能量范围？还有这个靶的尺寸之类的？这个是高速相机拍摄的 ...

5 D1 j; W  Y0 c, U
给你个例子吧：
600KV,曝光时间0.2微妙

太详细的信息就不提供了

孙星星

科普的好文章啊.赞一把.