2～3km/s初速下球形破片对金属薄靶的侵彻效应分析

针对2~3 km/s初速条件下破片对金属薄靶的侵彻开展了实验和数值模拟研究,用LS-DYNA软件对该速度段下弹丸侵彻金属靶板的过程进行数值模拟,采用爆轰驱动装置发射钢质球形弹丸进行试验研究。分析了不同工况下靶板的毁伤模式,并与600~800 m/s这一低速段下靶板的毁伤模式进行对比分析。结果表明:数值模拟跟实验吻合较好,在该速度段下,球形钢质弹丸对靶板的毁伤模式主要为穿孔;垂直撞击时在靶板上形成延性扩孔,而在低速度段下,靶板上形成的穿孔直径几乎跟弹丸直径一样,没有形成延性扩孔;垂直侵彻时在钢靶上形成的扩孔直径比在铝靶上形成的扩孔直径大。     

两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

两种数值算法在球形弹丸侵彻复合靶中的应用

分别采用有限元法(FEM)和有限元同光滑粒子耦合(FE/SPH)算法对球形弹丸侵彻复合靶板过程进行数值研究。采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形弹丸侵彻不同组合的钢/铝爆炸复合靶,通过弹道实验对数值算法的有效性进行验证。讨论了2种数值算法描述实验现象和结果的适用性,分析了靶板的破坏模式、层数、面密度和组合方式对靶板弹道性能的影响。结果表明:FEM算法较FE/SPH耦合算法能更直观地再现靶板层间结合界面的拉伸破坏形貌,且对实验结果的定量描述比FE/SPH耦合算法更接近实验结果,Tie-Break模型能够有效地反映靶板层间结合强度的影响;在球形弹丸的侵彻作用下,面板和夹板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏,钢背板发生瓣状破坏;在面密度相同的情况下,钢/铝/钢3层靶板具有最佳的抗侵彻性能。     

多模毁伤元形成与侵彻效应的数值模拟

研究改变起爆方式使Octol炸药和球缺紫铜药型罩的柱锥型战斗部形成爆炸成型弹丸和杆式侵彻体两种毁伤元,采用AUTODYN-2D软件对点起爆和环形起爆方式下毁伤元形成与侵彻装甲钢靶进行数值模拟,分析起爆位置对毁伤元成形和侵彻能力的影响. 数值模拟结果表明,相同战斗部结构在5Dk(Dk为装药直径)炸高下,理想环形起爆半径条件下形成的杆式侵彻体对装甲钢的侵彻深度约为爆炸成型弹丸侵彻深度的2倍.     

功能梯度复合靶冲击毁伤研究进展

综述了以金属复合靶板、陶瓷/金属复合靶板为代表的功能梯度复合靶在弹丸撞击作用下的抗侵彻性能、破坏模式和毁伤机理等的国内外研究现状。分理论研究、实验研究和数值模拟三方面,重点讨论了靶板材料、靶板层数、组合方式及弹头形状等因素对靶板抗侵彻性能的影响。同时,结合作者前期相关工作,指出了当前研究工作中存在的不足,并提出了有待进一步研究的问题。     

不同头形刚性弹丸侵彻钢靶力学行为

采用Autodyn-3D平台对不同头部刚性弹丸侵彻钢靶动力学过程进行了数值模拟研究。结果表明,头部形状对弹丸贯穿钢靶力学行为和破坏模式有显著影响,平头弹丸贯穿钢板主要表现为先产生绝热剪切带,后演变为冲塞贯穿破坏,冲塞厚度随着速增大而减小;半球形弹丸贯穿钢板主要表现为缩颈断裂及扩孔破坏,缩颈造成的塞块尺寸随着速下降而减小;锥形弹丸贯穿钢板主要表现为先经压缩和扩孔,最终造成靶板花瓣式穿孔破坏。      

高速碰撞下二次破片光滑粒子流体力学法数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格光滑粒子流体力学方法(SPH)数值技术,对遭遇速度为1.5～2.5 km/s下圆柱钨弹丸垂直碰撞装甲靶板产生的二次破片云分布特征进行了数值模拟,获得了不同碰撞速度下靶板穿孔直径及破片云前端运动速度、侧向膨胀速度和最大飞散角等分布特征.在此基础上,建立了二次破片云质量及空间分布预测模型.结果表明,数值模拟和模型预测均与实验结果相吻合.     

反应破片对中厚铝合金靶的侵彻效应研究

 研究反应破片对中厚铝合金靶的侵彻效应。设计了一种单发反应破片侵彻效应研究的试验装置,研究了反应破片在不同撞击速度下对中厚铝合金靶的侵彻效应;并利用AUTODYN-2D软件建立了反应破片侵彻中厚铝合金靶板效应的数值模拟方法。结果表明:Al/PTFE反应破片在高速撞击下具有动能和化学能双重毁伤效应,在1346~1645m/s的撞击速度下可发生点火和能量释放,在20mm厚铝合金靶上形成3.41~6.51mm的侵孔,在此基础上开展的数值模拟结果与试验结果也有较好吻合。     

钨合金弹丸超高速撞击的分子动力学研究

针对高速穿甲与空间碎片超高速撞击航天器材的防护性能以及损伤破坏模式的问题,采用分子动力学方法,运用EAM势对钨合金弹丸超高速撞击靶板的动力学行为进行了数值模拟,定性研究了弹丸尺度、弹丸速度、靶板厚度以及材料模型对靶板穿孔、靶板破坏与碎片云形成的影响以及相应规律. 研究结果表明:同一时刻空筒蘑菇形碎片云的径向与轴向距离随弹丸直径、撞击速度的提高而增加. 反溅粒子与粒子堆积高度随弹丸直径、撞击速度提高而增加. 将分子动力学模拟结果与高质量试验结果进行了相应对比,模拟的碎片云形状、反溅粒子以及粒子堆积等特征与试验基本吻合,验证了利用分子动力学方法的有效性.     

网格对混凝土侵彻数值模拟的影响

研究动能弹侵彻混凝土类问题的数值模拟计算中,网格单元尺寸的划分对计算结果的影响规律,找出合理的网格尺寸取值范围.应用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,对57 mm口径尖头弹丸以300 m/s着速垂直侵彻直径1.6 m,厚1 m的混凝土靶板进行仿真计算,得到了靶板不同计算网格尺寸条件下的侵彻深度、侵彻过载以及损伤区数据.通过对比分析确定,为得到比较理想的计算结果,弹丸半径和网格边长的比值λ应该在6.0左右取值.     

不同着角下爆炸成形弹丸对坦克发动机等效靶的毁伤效应

针对坦克发动机在爆炸成形弹丸（EFP）作用下的毁伤效应问题,对典型坦克发动机及其防护结构进行了结构等效设计,开展了不同着角下EFP对发动机等效靶的侵彻实验,并结合LS-DYNA软件分析了不同着角下EFP对防护板（钢质）的侵彻作用,获得了发动机等效靶的破孔尺寸、毁伤面积以及EFP穿靶后的剩余动能.研究结果表明:随着角的增大,钢靶的破坏面积增大,对发动机结构（铝箱）毁伤效果呈现减弱趋势;实验结果与仿真结果基本一致,验证了仿真的有效性;EFP对钢靶最大破坏尺寸随着角增大呈上升趋势,EFP贯穿钢靶后的剩余动能随着角增大呈下降趋势;当着角α ≥ 57°时,爆炸成形弹丸不能穿透钢靶,无法对铝箱造成毁伤.      

弹体侵彻混凝土的三维数值模拟研究

随着技术的发展,弹体侵彻速度已经由低速侵彻(侵彻速度<900 m/s)向高速侵彻(1 200 m/s<侵彻速度<1 700 m/s)发展. 这将导致弹体的侵彻性能发生本质性变化,严重影响弹体在混凝土中的运动轨迹,甚至会导致弹体的破坏与失效. 侵彻过程中弹体所受到的压力极高,并且会产生大变形,对该过程进行全物理场的数值模拟需要处理大变形、多物质界面以及各类强间断的问题. 针对三维冲击问题数值模拟的困难,课题组设计了三维爆炸与冲击问题高性能仿真软件(Explosion-3D). 采用该软件对弹体高速侵彻混凝土进行数值模拟研究,弹体材料选用普通的45#钢,研究其在高速侵彻下的弹体形状的变化情况,采用对混合网格的处理来描述弹体的磨损. 数值模拟结果表明,对于45#钢这类普通材料,当其高速(1 400 m/s)侵彻混凝土时,弹体头部将出现严重变化且侵彻深度急剧下降.     

动能弹低速垂直侵彻钢筋混凝土的试验研究

该文提出了一种大长径比动能侵彻体侵彻钢筋混凝土的模拟试验方法，通过侵彻速度为300m／s～400m／s的57mm动能侵彻弹对半无限厚钢筋混凝土靶的垂直侵彻试验，得到了最大侵彻深度、着靶姿态等试验参数。由侵彻钢筋混凝土的经验公式得到的最大侵彻深度数据与试验数据进行了对比，试验数据为反深层工事的毁伤机理和数字仿真研究提供依据，同时通过毁伤效应的试验研究，为找到一条高效毁伤典型深层工事的方法提供条件。     

高速钢弹对多层大间隔金属靶的侵彻特性研究

用某火炮发射长径比为1．5且着速在1300m／s左右的钢弹丸侵彻大间隔多层A3薄钢靶板的方法，对钢弹丸侵彻多层大间隔靶板的作用过程及其机理进行了分析和数值模拟，得到了较好的一致性。实验结果和数值计算分析表明，所设计的弹丸对多层间隔靶具有较强的侵彻能力，为以后类似弹丸的设计提供了参考。     

两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶研究

采用海37 mm弹道炮发射次口径钨合金和钨纤维增强非晶复合长杆弹进行了高速侵彻装甲钢靶试验,并借助三维非线性动力有限元程序ANSYS LS-DYNA对1.0~2.6 km/s速度条件下两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶问题进行了数值模拟,分析了弹体材料和速度对其侵彻性能的影响,并对其毁伤机理进行了初步分析.实验与数值计算结果均表明钨纤维增强非晶复合长杆弹的侵彻性能优于钨合金长杆弹;实验侵彻过程中,钨纤维增强非晶复合长杆弹产生了自锐现象,而钨合金长杆弹则是形成了蘑菇头;数值模拟结果表明两种长杆弹的破坏模式随入射弹速的变化而变化.     

EFP侵彻陶瓷/金属复合靶实验运动网格法模拟

为高效地实现EFP弹丸成型、飞行及大炸高下侵彻氧化铝陶瓷/金属复合靶过程的数值模拟研究,采用JH-2模型描述99氧化铝陶瓷本构关系,运动网格法进行流场计算,流固耦合算法实现EFP对复合靶板的侵彻作用.该方法解决了EFP在大炸高下形成及侵彻靶板过程计算总网格数过多问题,获得了侵彻过程中陶瓷的损伤演化和分布以及在A3钢背板中的侵彻深度.结果表明:数值模拟所得EFP头部速度值与实验值基本一致,尾部速度值略高于实验值,EFP的长径比略高于实验值;在背板中的残余侵深比实验结果略高,但差别不大;EFP在钢背板中的残余侵彻深度随陶瓷厚度的增加而减小,残余侵深与陶瓷厚度之间基本呈线性关系.     

破片侵彻混凝土毁伤效应研究

采用Autodyn动力学软件对大尺寸破片侵彻混凝土毁伤效应影响因素进行数值模拟研究，获得了侵彻速度、侵彻姿态、破片形状、破片材料等因素对混凝土毁伤效应影响特性. 研究结果表明，破片侵彻速度增大，侵深和侵孔直径逐渐增大，且直径趋于一定值；斜侵彻时，压缩–剪切耦合作用和边界效应可造成侵孔增大；当破片侵彻动能、形状相同时，钨破片综合毁伤效果优于4340钢、45#钢；圆柱体破片破孔能力最强，正方形破片侵深能力最强.      

药型罩结构参数对EFP侵彻能力的影响

该文采用均匀设计方法研究了变壁厚球缺药型罩结构参数对爆炸成型弹丸(EFP)侵彻能力的影响。以变壁厚球缺药型罩的3个主要尺寸参数为优化对象,以EFP对靶板的侵彻深度为指标,应用均匀设计方法设计仿真方案。分别用AUTODYN和SPSS软件对EFP战斗部的爆炸成型进行仿真和回归分析。仿真结果表明,药型罩尺寸的交互效应是影响EFP侵彻能力的主要因素。根据该结果得到最优化的设计方案。对优化方案进行仿真得到的EFP成型与侵彻均比较理想。     

弹体高速侵彻厚钢筋混凝土靶的数值模拟

针对厚钢筋混凝土靶在弹体高速侵彻时的毁伤特性,基于混凝土连续帽盖模型(CSCM)和共节点耦合建模方法对弹体高速侵彻厚钢筋混凝土靶的毁伤行为进行数值模拟,分析钢筋混凝土靶的损伤分布特性、钢筋结构对混凝土的约束作用。结果表明：高速侵彻时,延性损伤体现在混凝土内部,脆性损伤更多体现在混凝土外部表层,钢筋网能较大程度地约束混凝土延性损伤的扩展;增加竖筋的配置,可预防厚钢筋混凝土靶沿钢筋层产生层断脱离破坏,从而提高钢筋混凝土的抗弹性能;钢筋混凝土迎弹面的崩落面积随侵彻速度增加而增大,首层钢筋越接近表面,约束效果越好。可见：混凝土连续帽盖模型（CSCM）和共节点耦合建模方法能较好地模拟厚钢筋混凝土靶在弹体高速侵彻作用下的毁伤特性。