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.     

空心弹体垂直侵彻混凝土靶板的应变测试研究

提出一种新型的测量实验弹侵彻混凝土靶板过程中的弹体变形的测试方法.采用正向弹道技术,在空心弹体内壁粘贴应变片电桥电路和弹载存储器,测量、记录弹体的撞击变形行为,并通过地面计算机再现该过程.利用这种测试手段,在95 mm口径空气炮上进行了系列截卵形头部的35CrMnSi弹体以150～300 m/s的速度垂直侵彻无钢筋混凝土靶板的实验,成功测得应变时间历程曲线,并对应变曲线和侵彻过程弹体变形的对应关系进行了分析讨论.实验结果表明弹体在侵彻靶板的过程中,材料承受交替的压缩、拉伸变形.     

不同头部形状弹体高速侵彻混凝土试验研究

为研究高速撞击条件下弹体侵彻能力、弹体侵彻极限速度、弹体质量损失等问题,在高速弹道炮上开展了不同头部形状弹体对混凝土靶体高速正侵彻的模型试验,试验最高弹速达到了1 420 m/s,获得了侵彻深度与侵彻速度之间的关系. 结果表明,随着弹体速度的增加,弹道的稳定性逐渐变差,弹体头部侵蚀加重,当弹体初速度大于弹体极限速度时,弹体出现弯曲破坏,侵彻深度下降;不同的头部形状对弹体弯曲变形、弹体头部侵蚀、弹体侵彻深度有着很明显的影响.     

弹体正侵彻混凝土厚靶的运动规律理论研究

为研究弹体正侵彻混凝土厚靶的运动规律,分别用修正的Mohr-Coulomb破坏准则和Gruneisen状态方程描述高速侵彻下混凝土材料的屈服行为和弹体材料的体积变形,并考虑弹体材料的侵蚀效应,建立了弹体正侵彻半无限混凝土靶的运动方程和混凝土响应描述方程.理论模型的数值解表明,当着靶速度较高时,混凝土的破坏特性和弹体的可压缩性对侵彻效果有较显著的影响.所发展的理论模型能够较好地预测高速弹丸的侵彻特性.     

高速弹体对混凝土拱形靶体的侵彻效应分析

混凝土拱结构由于其拱形受力特性,在高速弹体作用下其侵彻效应将与混凝土板梁结构存在一定的差异.为分析混凝土拱结构在高速侵彻荷载作用下的动力响应及侵彻效应特性,考虑弹体侵彻高加载率下混凝土的应变率效应,采用SPH-Lagrange耦合方法,建立了弹体高速冲击作用下的侵彻耦合模型,并且验证了该耦合模型对此类问题模拟的可靠性;同时采用该耦合模型研究了混凝土拱形靶体在高速弹体外拱及内拱冲击作用下的贯穿破坏发展过程,并分析了弹体侵入拱形靶体的非贯穿侵彻破坏效应.结果表明:拱效应对混凝土拱形靶体的侵彻破坏过程具有重要的影响;弹体从外拱侵彻引起拱形靶体的动力响应、破碎区深度以及弹体贯穿的残余速度均小于内拱侵彻.     

弹体斜侵彻钢筋混凝土的试验研究

利用轻气炮进行弹体斜侵彻钢筋混凝土的试验研究. 通过高速摄影系统及靶前镜面反射装置记录弹体着靶前飞行姿态,得到了弹体对钢筋混凝土靶的斜侵彻破坏效应、弹道轨迹、弹体侵彻深度、开坑直径及弹体横向偏转等参数. 试验结果表明,在一定速度下,倾角越大,靶面破坏范围及弹体横向偏转越大,侵彻深度越小,当倾角增至一定角度后发生跳弹现象. 钢筋的加入对弹体斜侵彻开坑、破坏范围及弹道偏转有重要影响.     

异形头部弹体中低速侵彻混凝土的实验研究

针对混凝土的脆性特点,设计了有预先破坏功能的异形头部弹体,进行了侵彻混凝土实验. 利用高速摄影仪记录了隧道区初始阶段的速度,通过比较隧道区的平均侵彻阻力,分析了异形头部弹体和卵形弹体的侵彻阻力. 基于Forrestal公式分析了卵形弹体静态侵彻阻力与异形头部弹体的差别. 实验和计算结果表明,异形头部弹体能有效减小侵彻阻力.      

弹体斜侵彻混凝土薄靶的姿态变化规律数值模拟

为得到弹体斜侵彻混凝土薄靶后弹体姿态变化的规律,采用LS-DYNA非线性有限元程序进行数值模拟计算,通过与多种工况下弹体侵彻有限厚混凝土靶的实验结果进行比较,验证采用的数值模拟计算模型、网格设置、材料模型和参数等的合理性,并在此基础上计算不同质量弹体,在不同侵彻速度、初始倾角条件下弹体斜侵彻混凝土薄靶的出靶状态,得到弹体出靶时偏转角度与弹体质量、侵彻速度和初始倾角的关系. 研究结果可预测弹体侵彻单层靶、多层靶的弹道变化.     

不同速度下B4C陶瓷/铝合金轻型复合靶板抗侵彻行为研究

陶瓷复合装甲由于其本身高硬度、低密度的特点被广泛应用于高机动性武装载体上，其主要威胁弹体为12.7 mm穿甲燃烧弹。该弹种在侵彻陶瓷轻型复合靶板时弹芯会发生脆性破碎失效行为，弹丸着靶速度的不同会导致弹芯破碎程度的变化，从而直接影响侵彻结果。利用12.7 mm穿燃弹以区间速度498.9～769.2 m/s撞击B₄C/铝合金轻型复合靶板的试验，对靶板与弹芯的损伤模式与侵彻行为进行多尺度分析，并利用LS-DYNA软件进行相应数值模拟。研究结果表明：6061-T6铝合金背板主要失效形式为花瓣形撕裂穿孔并伴随永久性隆起形变，试验得到的弹芯碎片的平均特征尺寸随着侵彻速度的增大而减小，证明在高速侵彻过程中弹芯损伤更为严重；弹芯头部的应力远大于其他位置的应力，弹体从头至尾部方向峰值逐渐降低；对弹芯造成损伤的主要为陶瓷抗弹面板，主要损伤位置为陶瓷粉碎区；背板在侵彻过程中主要对陶瓷起支撑与缓速作用，对弹体的体积与形变无明显影响；陶瓷/铝合金复合装甲的能量吸收能力随着侵彻速度的增大而提高。     

椭圆截面弹体侵彻混凝土阻力特性研究

为研究椭圆截面异构型弹体侵彻混凝土过程中的弹体头部受力特性,开展圆形及等截面积不同长短轴之比的椭圆截面弹体侵彻混凝土过程数值模拟计算,对不同弹体侵彻过程中头部表面所受法向应力与法向速度关系进行了分析.获得了不同长短轴之比情况下的椭圆截面弹体头部表面所受法向应力与法向侵彻速度、单元所在位置角度之间的关系表达式,并进一步得到了椭圆截面弹体侵深计算公式.结果表明:与等截面积的圆形截面弹体相比,在相同法向速度情况下,椭圆截面弹体表面所受法向应力大小随着头部表面单元位置到椭圆中心距离的增大而增大;在侵彻速度相同时,弹体侵深随着截面长短轴之比的增大而增大.      

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。      

弹道极限速度试验值异常性检验方法研究

针对基于量纲分析获得弹道极限速度计算模型函数基础上通过若干试验值拟合获得计算模型的方法,研究弹体侵彻靶体试验所获弹道极限速度试验值异常性的检验方法. 根据统计学原理,提出了特定置信水平下标准化残差值在标准正态分布置信区间落入度的弹道极限速度试验值检验方法;同时,进行了3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,10.0g共6种质量35CrMnSi钢FSP弹体对4mm和5mm两种厚度典型高强度低合金(HSLA)钢板的侵彻试验,获得了12个弹道极限速度试验值,基于量纲分析及试验数据获得了相应的弹道极限速度计算模型;并以此模型为实例,根据95%置信水平下标准化残差值在(-1.96,1.96)区间落入度进行了弹道极限速度计算模型的检验和修正,研究结果表明所提方法可用于弹道极限速度试验值异常性的检验.      

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。     

氩弧熔敷原位自生WC复合涂层组织及耐磨性

为提高采煤机中截齿的耐磨性能,利用氩弧熔敷技术,在35CrMnSi钢表面制备WC增强Ni基复合涂层。利用OM、SEM、XRD和EDS分析复合涂层的显微组织,采用显微维氏硬度仪测试复合涂层的显微硬度,并测试涂层在室温磨损条件下的耐磨性能。结果表明：氩弧熔敷涂层组织均匀致密,熔敷涂层与基体呈冶金结合,主要由WC、W：C、T—Ni、（Fe,Cr）23,C6等物相组成;WC颗粒呈弥散分布,颗粒尺寸为1txm;熔敷涂层可以改善基体的表面硬度,最高显微硬度可达12．6GPa;熔敷涂层在室温冲击磨粒磨损实验条件下,具有优异的耐磨性,磨损机制主要是磨粒磨桶．其耐磨性较35CrMnSi基体提高近12倍。     

不同结构形式加强蒙皮的抗弹性能研究

为研究不同形式铝合金蒙皮的抗弹性能,利用气炮将直径为12.7 mm重量为50 g的弹体加速到不同速度,对7种不同形式共40件的铝合金结构板进行了弹击试验.蒙皮板的材料均为 LY12-CZ.在试验过程中,对弹体的初始速度、剩余速度以及结构件上典型点的应变历程进行了测试,对弹击后试件的损伤或破坏模式进行了分析.同时讨论了不同结构形式对破坏模式、非破坏区的应变以及弹道极限速度的影响,结果表明:1)不同形式铝合金蒙皮破坏模式主要是冲塞、花瓣型穿透;2)加筋结构能提高靶板的弹道极限速度,降低靶板非破坏区的变形;3)使用泡沫夹心结构靶板可显著减少非破坏区的应变;但实际上其抗弹性能并不好.最后为了预估和评价这些蒙皮结构的抗弹性能,通过分析计算所得的剩余弹速与实测结果进行了比较,结果相当吻合,验证了预估计算方法的有效性.     

不同结构形式加强蒙皮的抗弹性能研究

为研究不同形式铝合金蒙皮的抗弹性能,利用气炮将直径为12.7mm重量为50g的弹体加速到不同速度,对7种不同形式共40件的铝合金结构板进行了弹击试验。蒙皮板的材料均为LY12-CZ。在试验过程中,对弹体的初始速度、剩余速度以及结构件上典型点的应变历程进行了测试,对弹击后试件的损伤或破坏模式进行了分析。同时讨论了不同结构形式对破坏模式、非破坏区的应变以及弹道极限速度的影响,结果表明:1)不同形式铝合金蒙皮破坏模式主要是冲塞、花瓣型穿透;2)加筋结构能提高靶板的弹道极限速度,降低靶板非破坏区的变形;3)使用泡沫夹心结构靶板可显著减少非破坏区的应变;但实际上其抗弹性能并不好。最后为了预估和评价这些蒙皮结构的抗弹性能,通过分析计算所得的剩余弹速与实测结果进行了比较,结果相当吻合,验证了预估计算方法的有效性。     

钢筋混凝土靶体抗弹体斜侵彻试验分析

为研究斜侵彻钢筋混凝土靶体的破坏特征并分析靶体中钢筋的作用,利用直径57 mm的弹体对3个钢筋混凝土靶体进行相同倾角的斜侵彻试验,得到着靶速度及对应的侵彻深度、弹坑范围等试验参数,结合试验分析了靶体中钢筋的作用。试验表明：钢筋网使内部混凝土的破坏得到有效抑制,整体抗拉作用明显,钢筋网整体作用类似于膜力。将靶体中钢筋网等效为一定厚板的钢板层,按照分层介质计算方法,得出了钢筋混凝土斜侵彻深度计算公式,解决了现有公式不能反映靶体中钢筋作用的不足。计算结果与数值模拟结果及经验公式计算结果进行了比较,吻合较好,验证了其有效性。     

675装甲钢的静动态力学行为与J-C模型参数拟合确定

为研究675高强装甲钢在受到弹丸冲击后的动态响应问题,需要确定一套适用于侵彻仿真计算的675装甲钢的材料模型. 通过开展675装甲钢的动静态力学性能试验和材料断裂实验,并且根据实验结果对675装甲钢材料的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数进行了拟合. 同时,根据弹道试验建立了仿真侵彻模型,将数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明:通过材料性能实验得到的675装甲钢的Johnson-Cook本构和失效模型应用于弹靶侵彻的数值仿真时,得到的仿真结果与弹道试验结果的平均误差为6.5%,最大误差不超过10%,拟合得到的Johnson-Cook本构模型和失效模型参数的可靠性较高,对675装甲钢在冲击载荷下的仿真计算具有重要意义.      

某埋头式弹丸动态冲击挤进特性的研究

为研究埋头式弹丸动态冲击挤进过程中弹带在坡膛处产生的高应变率塑性变形及断裂失效问题,考虑到埋头式弹药二次点火和火药程序燃烧的特殊性,将试验测得的弹底压力及弹丸一次上膛速度作为数值仿真模型的初始边界条件,建立了基于身管及埋头式弹丸结构特性、材料大变形和损伤效应等因素的三维有限元模型. 基于LS-DYNA软件,采用显式数值计算方法,对埋头式榴弹动态冲击挤进过程进行了研究,获得了弹丸冲击挤进阻力的变化规律,并分析了弹带表面刻槽的成形过程及应力应变特征. 结果表明:当埋头式榴弹的紫铜弹带冲击挤入坡膛时,经历了从弹性变形到塑性变形,并最终断裂失效的过程. 当弹带完全挤入身管全深膛线,整个动态冲击挤进过程结束,弹带表面形成了较深的刻槽,并与身管膛线紧密贴合,其间冲击挤进阻力呈现出强烈的非线性变化.