活性破片对钢板侵彻性能的实验研究

进行了弹道枪发射实验,研究了活性破片对钢板侵彻性能和毁伤效应。测量破片穿透不同厚度钢板的临界速度,采用高速摄影仪观察破片侵彻钢板过程和反应现象。实验结果表明,活性破片在497~1374 m/s速度范围内,撞击钢板时发生了反应,并伴随有强烈的燃烧、爆炸现象。在战斗部设计关心的1 500~2 200 m/s范围内,活性破片对典型的6 mm厚等效钢板具有足够的侵彻能力;且穿孔直径大于惰性钢破片。聚合物基体材料的强度低和撞靶反应是造成活性破片侵彻穿甲能力弱于钢破片的主要原因。活性材料强度和密度相对钢靶较低,导致撞击靶板过程中发生较大的镦粗变形以及侵靶过程中反应对靶孔产生径向膨胀效应使穿孔孔径增加。     

活性射流作用钢靶侵彻爆炸联合毁伤效应

采用静爆实验和理论分析相结合的方法,对活性射流作用钢靶侵彻爆炸联合毁伤效应进行了研究.实验结果表明,与金属射流相比,侵彻深度显著减小,但活性射流侵彻钢靶形成的侵孔直径更大,并伴随有更强的爆裂毁伤效应.基于金属射流准定常破甲理论和伯努利修正方程,引入活性材料弛豫时间参数,建立了活性射流作用钢靶侵爆毁伤效应分析模型,从机理上解释了活性射流对钢靶的毁伤行为及效应.      

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。     

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.     

破片质量对钨合金破片侵彻威力的影响

防空反导导弹战斗部主要利用破片毁伤元撞击、穿孔等实施对目标的毁伤目的,钨合金破片由于具有高密度、高强度特点而被广泛应用于防空反导战斗部,根据侵彻理论,破片质量是影响类立方体钨合金破片侵彻和贯穿能力的重要因素。利用理论计算、数值仿真和试验验证相结合的方法开展了不同质量钨合金立方体破片对Q235A钢板的侵彻能力的研究,结果表明破片侵彻能力随着质量的增加,试验结果均略低于理论计算结果,且质量越低偏差越大。利用试验结果对理论公式进行了初步修正。     

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。     

活性破片终点毁伤威力试验研究

针对活性破片终点毁伤威力问题,采用试验研究的方法,分析了活性破片的击穿能力、引燃能力和引爆能力. 结果表明,2.5 g活性破片在870 m/s以上碰撞速度条件下,能可靠击穿8 mm厚LY12硬铝,侵孔直径约为自身直径的1.6~2.0倍;10 g活性破片以大于800 m/s左右速度击穿10 mm厚LY12硬铝板后,可靠引燃航空煤油;10 g活性破片以大于960 m/s左右速度击穿6 mm厚A3钢板后,可靠引爆战斗部装药. 结合活性破片击穿能力可知,活性破片贯穿一定厚度靶板并达到其起爆阈值,就能引燃燃油或引爆装药.      

高密度活性破片碰撞双层靶毁伤效应

 采用弹道碰撞实验,对高密度冷压成型和烧结硬化PTFE/Al/W活性破片正碰撞双层间隔铝板毁伤效应问题进行研究。实验结果表明,在高速碰撞条件下,活性破片对前靶的作用主要体现为动能贯穿破坏,与前靶相比,后靶毁伤更为严重,表现为更大的穿孔尺寸和毁伤面积,并伴随有显著的隆起及裂纹等结构破坏。引入裂纹扩展理论,分析了碰撞速度及靶板厚度对活性破片动能侵彻和爆炸作用联合毁伤效应的影响,从机理上揭示了后靶结构毁伤行为和效应。     

新型活性复合射流成型及侵彻混凝土研究

为了兼顾活性复合射流对目标的侵爆联合毁伤效应,提出了一种新型活性复合药型罩聚能装药结构.采用正交设计方法,基于Autodyn-2D数值模拟平台对新型活性复合罩聚能装药结构进行了优化设计,获得了复合罩总壁厚、内罩口径比、内罩壁厚比、复合罩锥角及炸高对新结构聚能装药作用混凝土的侵彻深度、开孔直径、活性材料流入量与平均流入深度的影响规律,优化出了一组新型活性复合罩结构,并开展了新结构聚能装药作用混凝土靶的静爆实验,实验结果与仿真计算的侵深基本吻合.此外,实验结果还表明：在这种新结构活性复合射流侵爆联合作用下,可使混凝土表面形成较大崩落区,且形成的入孔孔径与仿真结果相比明显较大,这些现象表明活性材料发生了剧烈爆燃效应,可造成二次扩孔效应.     

活性药型罩聚能装药作用混凝土靶毁伤效应

采用数值模拟和地面静爆实验相结合的方法,对活性药型罩聚能装药作用混凝土靶毁伤效应问题进行了研究.在Autodyn数值模拟中,活性药型罩爆炸驱动形成射流及侵彻混凝土靶过程采用二维欧拉算法,活性射流侵入混凝土内爆破过程采用三维SPH算法,活性射流冲击反应由Powder Burn模型描述,通过算法转换实现分步连续数值模拟.数值模拟结果表明,与金属射流相比,活性射流终点效应受炸高的影响更敏感,在约为1.0倍装药直径炸高下,活性射流可显著发挥侵爆联合毁伤优势,有效爆破深度约为6.5倍装药直径,当炸高超过2.0倍装药直径后,侵爆毁伤效应显著减弱.进一步与地面静爆实验结果相比,两者基本相吻合,验证了数值模拟的有效性.      

立方形破片对钢靶的穿甲威力研究

利用14.5 mm弹道枪通过六射弹弹道极限法,结合LS-DYNA数值计算法研究了8 g立方形钢破片和3 g、8 g立方形钨合金破片垂直侵彻Q235钢靶板的v50弹道极限速度,并分析了三种类型破片在v50弹道极限速度附近的穿甲机理、穿甲威力等。结果表明,三种破片在侵彻靶板时具有相同的穿甲机理,两种类型的钨合金破片具有良好的穿甲效果。在冲击比动能相差不大的情况下,贯穿5 mm靶时,破片材料的密度是影响穿甲威力的主要因素;而贯穿10 mm靶时,破片的密度和质量共同决定着破片的穿甲威力。     

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.     

铀钛合金破片侵彻特性的实验研究

为研究铀钛破片的冲击侵彻特性,基于弹道驱动试验平台,测试了钛质量分数为0.5%~1.0%的5种典型钛合金破片对10 mmA3钢板的侵彻性能,获得了5种不同质量分数钛的铀钛合金破片对钢靶板侵彻前后的速度、质量、动能变化数据. 实验结果表明,铀钛合金破片侵彻钢靶时发出明亮火光,靶板的破坏形式以冲塞为主,并伴随有延性扩孔现象. 此外,钛质量分数为0.9%的破片动能损失最小,钛质量分数为0.75%的破片对靶板造成的剪切破坏最大.     

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。      

自锻破片侵彻混凝土的数值模拟

为使串联战斗部中的聚能装药结构在短靶距内形成形状和侵彻能力较好的自锻破片(EFP),通过数值模拟的方法,研究了多级串联战斗部中自锻破片的形成及其对混凝土地下掩体的侵彻过程. 通过设计前级聚能装药结构,既保证了随进弹的装药量,又为随进弹的侵彻开辟了适当口径和深度的孔道. 总结了在计算过程中的几个关键步骤和处理方法;研究了药型罩的壁厚、锥角和聚能装药的起爆方式对EFP的影响. 研究结果表明:在二维轴对称的计算模型中,环形起爆方式有利于形成质量较好的EFP;聚能装药的壁厚越大,EFP的直径越大,侵彻深度越小;聚能装药的锥角越大,EFP的直径越大,速度越小.     

弹丸侵彻钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板数值模拟

为研究钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板抗侵彻性能,利用ANSYS/LS-DYNA3D有限元计算软件,数值模拟了高速弹丸撞击钢板夹层钢纤维混凝土遮弹板的过程,得到了弹丸侵彻靶板的速度、加速度变化曲线。通过分析不同弹速产生的弹丸速度及加速度的变化,得出不同初速条件下弹丸速度与时间的关系和加速度变化规律。该研究为组合遮弹板结构抗侵彻性能提供了理论依据,解决了过程计算的繁琐问题。     

Zr77.1Cu13Ni9.9非晶合金破片侵彻LY12铝合金及TC4钛合金靶板毁伤后效及机理对比研究

锆基非晶合金是极具发展潜力的含能结构材料,由其制备的破片侵彻不同材质装甲时,会表现出显著不同的毁伤效果.本研究中利用弹道枪发射装置,针对Zr_77.1Cu₁₃Ni_9.9非晶合金破片,以1 200 m/s速度分别侵彻8 mm厚LY12铝合金和TC4钛合金屏蔽靶,结合高速摄影技术比较了破片碎裂形成碎片云并造成毁伤后效的过程;同时基于FEM/SPH自适应耦合法,再现了破片对两类屏蔽靶开坑、稳定侵彻、穿透等系列阶段,以及碎片云形成的复杂物理过程,揭示了其对后效靶的毁伤机理.结果表明,由于TC4钛合金相比LY12铝合金具有更高的强度,穿透TC4屏蔽靶所需的时间更长,且靶板内最大等效应力是后者的3倍左右;破片在侵彻TC4屏蔽靶时与靶板间发生了更强的相互作用,使得破片前端出现更大面积的高应变区域,由此导致破片发生了更严重的破碎并产生分布范围更大的碎片云,从而在后效靶上产生更大面积的损伤.