钢模拟爆炸成形弹丸(EFP)飞行特性及对大间隔靶的侵彻实验

为考察现有设计水平下，爆炸成形弹丸EFP（Explosively Formed Projectiles)的飞行特性及侵彻威力，用37火炮发射长径比为1．5的钢EFP的模拟弹丸，其着靶速度在1．3km左右，对大间隔的多层A3薄钢靶板进行侵彻，弹丸贯穿了5层靶，质量损失较小。利用高速摄影考察了EFP在靶间的飞行姿态变化，分析了EFP对多层大间隔靶侵彻的作用过程及其机理。实验结果和分析表明，所设计的EFP具有较为理想的飞行稳定性，对多层间隔侵彻能力强 ，为设计攻击舰艇等装甲目标的战斗部装药结构提供了较重要的参数。     

高速模拟钢质弹丸侵彻多层靶仿真

利用显式动力有限元程序对用37火炮发射的着靶速1300m／s左右钢弹侵彻大间隔多层A3薄钢靶板的过程进行了数值模拟，分析了弹速、弹重、弹形等影响因素对侵彻过程的作用规律，计算结果和实验结果得到了较好的吻合。研究表明，弹丸的比动能是衡量弹丸侵彻能力的重要参数，在一定的弹丸速度范围内，当弹靶材料和靶板结构固定时，弹丸的侵彻能力是由弹丸的比动能所决定的。     

高速弹丸侵彻靶板能力及影响因素的数值研究

为改进和提高穿甲弹的侵彻性能，给弹丸设计过程中的参数优化提供理论依据，利用非线性动力有限元分析程序，对高速弹丸侵彻均质靶板进行了数值模拟。通过对弹丸侵彻靶板各种影响因素的数值模拟以及对计算结果的分析表明，弹丸对靶板的侵彻能力不是取决于它的整体功能，而是当靶板参数和弹材固定时，可用弹丸初始横截面积比动能来标志，数值模拟结果与现有的经验公式符合很好。     

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。     

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。     

2-3km/s初速下圆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.     

串联EFP形成与侵彻的数值模拟及实验研究

针对单罩及两种复合罩材串联爆炸成型弹丸(EFP)成形和侵彻开展了数值模拟和实验研究,采用脉冲X光摄影获得了EFP成形过程典型时刻图像,同时得到了对钢靶的侵彻效应.对比分析3种结构方案对钢靶的侵彻,结果表明:串联EFP战斗部对钢靶板的侵彻深度比单罩EFP战斗部有较大幅度提高;同时对于串联EFP战斗部的侵彻效果,钢-铜双罩结构要好于钢-钢双罩结构.     

弹体斜侵彻多层间隔混凝土薄靶姿态偏转机理研究

针对弹体斜侵彻多层间隔混凝土薄靶姿态容易偏转问题,建立了弹靶有限元数值仿真模型以及相结合的弹体姿态偏转理论分析方法,研究了弹体外形参数对侵彻单层薄靶姿态偏转角速率变化以及多层间隔薄靶弹道容易发散的物理规律. 研究结果表明,采用钝头大长径比弹体外形侵彻多层间隔薄靶弹道更稳定,弹体扩尾结构对弹道发散有明显抑制作用;在弹体姿态偏转性能缩比考核时,需对靶板厚度、层间距均进行等尺度缩比,实现缩比弹体在运动中所受阻力、力矩等物理量的等效.      

弹体斜侵彻多层间隔混凝土靶实验和数值模拟

为研究弹体侵彻多层间隔靶的弹道稳定性问题,设计了钢筋混凝土多层间隔靶,开展了弹体斜侵彻实验,通过高速摄影运动分析系统,得到了弹体侵彻多层靶过程的弹道变化参数.采用LS-DYNA软件,再现了弹体侵彻多层靶实验过程,得到的弹道变化参数与实验结果吻合较好,验证了本构模型的可靠性.同时,数值模拟研究了不同半锥角对尾裙弹体侵彻多层靶稳定性的影响规律,得到了弹道稳定的尾裙弹体最优半锥角.      

卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板数值模拟研究

运用显式动力学有限元软件LS-DYNA,对卵形弹体斜侵彻双层大间隔921A钢板的问题进行了数值模拟研究,分析了初始速度和初始倾角的影响. 研究结果表明:倾斜穿甲过程中弹体受到不对称载荷的作用,直接导致弹体结构响应不对称及弹道偏转,靶板间隔的存在加剧了弹体的转动. 初始速度的提高易造成弹体头部远靶板侧卵形弧段变形破坏;初始倾角的增大则会使弹体头部近靶板侧卵形弧段和尾部变形破坏. 弹道偏转规律则较为复杂:初始倾角一定,速度较低时,倾角变化幅度较大,弹体质心运动轨迹偏转较大;速度较高时,尤其是弹体结构发生破坏后,弹体姿态角剧烈变化. 初始速度一定,随着初始倾角的增大,弹体穿甲过程中的倾角和姿态角变化幅度都变大,容易发生跳弹.     

弹体高速贯穿混凝土/钢板复合靶板的试验及理论分析

为建立弹体贯穿混凝土/钢板复合靶板的终点弹道参数分析模型.首先开展了缩比弹体高速冲击贯穿混凝土/钢板复合靶板的试验研究,测得了不同打击速度下弹体贯穿复合靶板后的弹道参数.随后,基于将后覆钢板按照弹道极限相同的原则转化为混凝土靶板的原理,通过混凝土厚靶的抗贯穿分析模型,结合已有的弹体贯穿金属靶板的公式,建立了弹体高速贯穿混凝土/钢板复合靶板的分析模型.最后,将模型预测结果与试验数据进行了对比,验证了模型的正确性.     

平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型

利用能量法建立平头弹贯穿陶瓷/金属复合装甲的分析模型.假定在贯穿过程中弹丸的动能被弹体、陶瓷板和金属背板3部分吸收.该模型考虑了弹体的销蚀与墩粗变形,陶瓷板的压碎与剪切破坏以及金属背板在不同厚度下的破坏模式.在给定的弹靶条件下,可以预测靶板的弹道极限及弹体的残余速度.模型计算结果与相关实验数据吻合较好.     

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。      

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.     

活性材料弹丸碰撞油箱引燃效应实验研究

采用弹道碰撞实验的方法,对高密度冷压成型和烧结硬化PTFE/Al/W活性材料弹丸碰撞油箱引燃效应进行了研究.实验结果表明,在弹丸质量和尺寸一定条件下,活性弹丸碰撞油箱引燃燃油能力显著强于钢弹丸;活性弹丸引燃效应除了与碰撞速度有关外,还显著受碰撞位置影响.基于实验结果,分析了不同装油量条件下碰撞位置和速度对油箱破裂和引燃行为的影响机理.分析表明,活性弹丸通过动能侵彻和爆炸化学能释放的联合作用,一方面显著增强了对油箱的结构破坏能力,提高了燃油的喷溅和雾化效应;另一方面活性材料爆燃反应形成的点火源持续时间更长、作用范围更大,从而有利于燃油的引燃,显著增强对燃油的引燃效应.      

钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹性能

为优化设计钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板,结合薄板冲塞的极限速度方程与Florence模型建立了钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板的抗弹极限速度预测模型. 根据模型,分析了不同面板、背板及陶瓷厚度组合对钢/Al2O3陶瓷/钢轻型复合装甲板抗弹极限速度的影响,并通过7.62mm普通钢芯弹侵彻钢/Al2O3陶瓷/钢复合装甲板试样实验验证了该模型的正确性. 结果表明,钢面板厚度小于1.0mm时,复合板抗弹极限速度计算值和实验值之间的相对误差在15%以下,陶瓷芯与钢背板的厚度比保持在1.5～4.5之间比较合理.     

圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟

为研究不同形状空间碎片超高速撞击薄板产生的碎片云特性,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,利用光滑质点动力学方法（SPH）对圆柱形弹丸超高速正撞击单层薄铝板防护结构形成的碎片云进行数值模拟,分析相同质量和速度条件下,不同长径比的圆柱形弹丸超高速撞击所产生碎片云的形态、轴向长度、径向直径、轴向速度等参量随弹丸长径比的变化规律。结果表明,弹丸破碎程度和碎片云分散程度随弹丸长径比的改变而改变。随着弹丸长径比的增加,碎片云对航天器舱壁的损伤能力增强,弹丸对薄板的损伤程度减弱。该结果为航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计提供了参考。