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.     

素混凝土及钢纤维混凝土在弹体侵彻作用下的三维数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对素混凝土以及钢纤维体积含量为3.0%的钢纤维增强混凝土靶板抗侵彻问题进行了数值模拟.在三维有限元计算模型中引入了JHC(Johnson_Holmquist_Concrete)累积损伤材料模型以描述钢纤维混凝土的破坏效应,弹丸采用Johnson_Cook材料模型.弹丸贯穿靶板后剩余速度的计算结果与在直径为37mm滑膛炮上所获得的实验结果误差在5%以内,同时很好地模拟了两种混凝土靶板的成坑和破坏现象.计算结果表明,用JHC模型来描述混凝土的抗侵彻问题是可行的.     

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.     

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。     

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。     

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。      

聚能杆式弹丸侵彻混凝土靶计算分析

根据已有的研究成果和理论,对聚能杆式弹丸侵彻混凝土靶问题进行了计算分析.首先,根据材料状态随撞击速度的变化规律,建立了聚能杆式弹丸侵靶过程中的侵彻模式的判别准则.其次,基于静态球形空腔膨胀理论求解出混凝土靶体的强度参数,并将其应用于侵彻模式的判别.最后,采用量纲分析方法对高速弹丸侵彻厚靶的经验模型进行分析,并在前人研究成果的基础上建立了聚能杆式弹丸侵彻混凝土靶的经验公式.     

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。     

弹体侵彻贯穿混凝土与钢筋混凝土等效关系数值分析

为了建立钢筋混凝土靶与混凝土靶抗侵彻能力的等效关系,将钢筋混凝土靶与混凝土靶的厚度比值作为钢筋混凝土与混凝土材质的等效因子,利用ANSYS LS-DYNA模拟了当贯穿后的弹体速度相同时,具有相同属性的弹体以相同的入射速度垂直侵彻和贯穿混凝土靶和钢筋混凝土靶的过程.结果表明,研究所得到的等效因子与入射速度的关系式能够为侵彻弹等效靶标构建提供理论依据及数据参考.     

模拟混凝土板侵彻问题的一种新算法

为了研究动能弹侵彻混凝土靶板的物理机制,采用改进的Youngs界面方法,得到了锥形动能弹侵彻混凝土靶板的数值模拟结果,靶板正面在弹体头部位置的压力峰值最大,靶板背面次之,其次分别是靶板内弹体近旁和距离弹体较远的点.侵彻过程不仅对轴向混凝土靶材料有压缩破坏作用,而且对其径向也有较大的挤压作用.随着侵彻过程的进行,弹体头部...     

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.      

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.     

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.     

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。     

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.