防暴动能弹侵彻性能的有限元分析

基于有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立了防暴动能弹侵彻靶板的有限元分析模型,并选取弹体材料、着靶速度、入射角度及弹体头部形状等参数,对模型进行数值分析,得出了各个参数对防暴动能弹侵彻性能的影响。最后,验证了所建模型的可行性。     

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.     

头部加肋板弹体正侵彻/贯穿混凝土靶研究

针对头部加肋板弹体正侵彻/贯穿混凝土靶板的问题,进行受力分析并依此建立正侵彻理论模型.模型基于"开坑段+隧道段+剪切冲塞段"三阶段侵彻模型与空腔膨胀理论,对头部加肋板弹体与卵型头部弹体正侵彻/贯穿混凝土靶过程进行理论计算并做对比分析,且计算和对比分析了头部形状参数对头部加肋板弹体侵彻性能的影响.结果表明,带肋板型头部弹体贯穿剩余速度低,轴向过载大,侵彻能力比卵形头部弹体差,且增加肋板个数、宽度、小凸缘顶面圆直径或减少肋板高度均增加轴向过载,降低侵彻能力.     

弹丸斜侵彻普通混凝土靶板的数值模拟

随着军事领域对高新科技的广泛应用,各类动能侵彻武器与结构防护技术的冲突愈加激烈,同时又相互促进、共同发展、交替上升,这对大型防护工程的防御能力提出了更高要求.为了更了解弹体对混凝土靶板的侵彻作用,提高结构防护工程的防护能力,采用K&C混凝土本构模型和利用非线性有限元商业软件LS-DYNA对弹体斜侵彻混凝土进行了数值模拟,通过改变弹体倾角来研究弹体在斜侵彻混凝土靶板过程中的侵彻能力和跳弹现象的影响因素.     

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.     

弹体侵彻混凝土侧壁摩擦阻力研究

基于混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论,建立了头部和侧壁分别具有不同摩擦系数的动能弹侵彻阻力模型,探讨了侧壁摩擦阻力对侵彻深度、过载曲线的影响以及不同初速度下侵彻阻力的构成.结果显示:对于CRH为3、长径比为7的卵形弹体侵彻45MPa混凝土,当弹体初速度介于800～1 300m/s时,忽略侧壁摩擦将会给侵深带来至少10%的误差;在侵彻过程中,侧壁阻力在总阻力中的比例一直在增大,侵彻结束瞬间达到最大;同时,在此速度范围内,侵彻阻力中的靶体惯性项不可忽略;当弹体初速度低于400m/s时,摩擦阻力和靶体惯性阻力对侵深的影响均可忽略.     

不同头部形状弹体侵彻土壤过程研究

将弹体设为弹塑性,采用Johnson-Cook模型及Grunesien状态方程,靶体采用Soil_And_Foam模型,利用LS-DYNA非线性动力学分析软件,采用侵蚀接触算法,求解初速度为500 m/s的弹体侵彻靶板的动力响应时间历程。获取弹体侵彻靶板的深度、速度、加速度、能量变化曲线,对不同头部形状弹体垂直侵彻土体过程进行研究。仿真结果验证了Soil_And_Foam模型类似液体的性质,并且表明:三种不同头部形状的弹性弹体在500 m/s的初速度下侵彻泡沫土壤的深度差别不大。平头弹体的速度损失最快,剩余速度最小,动能的损失最多。     

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.      

完井射孔三维有限元模拟

采用LS-DYNA3D有限元分析软件ALE算法,对油气井射孔弹的爆炸成形过程及射流侵彻套管及岩层过程进行了模拟计算. 计算给出了射流形成过程、射流速度分布曲线、药型罩动能随时间的变化曲线. 计算中射孔弹发生侵彻的时间是14 μs,射流头部最大速度达到5 558 m/s,药型罩动能为5 300 J. 通过LS-DYNA中失效应变的定义实现混凝土及岩层的破碎情况,计算发现射流侵彻能力随着混凝土及岩层靶板失效应变的增大而降低;失效应变越大则消耗射流能量越大.     

弹丸侵彻混凝土和钢筋混凝土的实验

实验用100 mm反坦克滑膛炮分别对混凝土靶和钢筋混凝土靶进行了射击,直径100 mm,长666 mm的卵形头部弹丸内部固定有一套加速度记录仪,以便测试并记录侵彻混凝土和钢筋混凝土过程中弹丸的加速度时程关系.研究发现侵彻混凝土和钢筋混凝土过程弹丸的加速度时程曲线可按其本身的规律划分为3个部分,各个部分代表了弹丸与靶体作用的不同阶段.侵彻混凝土和钢筋混凝土过程中弹丸的加速度规律基本相同,但加入钢筋后靶板的结构更加复杂,使得侵彻过程中弹丸的加速度震荡更加剧烈.侵彻深度和靶板局部破坏实验结果表明,钢筋混凝土比混凝土抗侵彻能力强,有较强抗二次打击的能力.     

尾裙对弹体斜侵彻混凝土薄靶弹道的影响规律研究

为研究尾裙设计在弹体斜侵彻混凝土薄靶后的姿态影响,采用LS-DYNA软件,模拟了不同半锥角尾裙弹以不同初始倾角贯穿混凝土薄靶的过程,分析了侵彻过程中各阶段弹体姿态变化特征,得到了弹体过靶后倾角、攻角和角速度变化规律. 结果表明,尾裙的设计有助于减小弹体的攻角和角速度,有利于保持弹体斜侵彻混凝土薄靶时的弹道稳定.      

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.     

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.     

混凝土侵彻试验相似准则验证分析

提出了用混凝土侵彻模型试验代替原型试验的方法,建立并验证了混凝土侵彻试验的相似准则.基于相似理论,推导了包括材料、弹速、着角、几何关系等因素的混凝土侵彻试验相似准则.为了验证相似准则,进行了1发原型试验和7发模型试验.由于模型试验的弹速不够接近原型试验的弹速,在模型试验数据处理中引入了灰色系统理论,建立了最大侵彻深度灰色预估模型.通过模型试验相应弹速的灰色预估值与原型试验结果的相似对比及误差分析,说明模型试验能够满足要求.     

活性弹丸对混凝土靶的毁伤效应实验研究

设计并制备了由活性材料内核（PTFE/AL）、高强度钢外壳组成的活性弹丸,基于25 mm口径弹道炮发射平台进行了该弹丸对混凝土靶的毁伤效应实验.实验结果表明：在941~1 679 m/s着速下,活性弹丸撞击混凝土靶后均发生了剧烈爆燃反应.从混凝土成坑效应结果可以看出,活性弹丸毁伤效果比同规格惰性材料内核（PTFE）弹丸有大幅提高.活性弹丸依靠自身动能与强度侵入混凝土靶体,侵入过程中活性材料内核在靶体内部爆炸并释放大量化学能,这种“侵爆耦合效应”是造成混凝土靶高效毁伤的主控机制.     

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。     

弹体侵彻钢筋混凝土靶开坑深度研究

研究弹体侵彻靶板的开坑深度,有助于提升侵深和过载的计算精度.首先,通过总结对比现有的开坑深度模型以及试验数据的回归分析,建立了考虑弹体质量和初速度的开坑深度模型.然后,以此为基础给出了弹体侵彻钢筋混凝土靶开坑深度的计算方法.最后,结合作者早前建立的钢筋混凝土动态球形空腔膨胀理论,利用文献试验数据对开坑深度模型进行了应用对比分析.本文模型考虑了弹体质量、初速度以及首层钢筋网埋设深度等因素的影响,可用于分析不同质量、不同初速度弹体侵彻钢筋混凝土靶的开坑深度.