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.     

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.     

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。     

垂直侵彻下钢筋混凝土靶抗侵彻性能的理论与数值分析

为了进一步分析钢筋混凝土靶的抗侵彻性能,首先对已有的动能守恒式加以修正,推导出考虑靶内钢筋影响的弹体剩余速度公式;其次根据Hanchak侵彻试验建立钢筋混凝土靶有限元模型,获得弹体剩余速度并验证该模型的可行性;最后定量分析含筋率和弹着点对钢筋混凝土靶板抗侵彻性能的影响。研究结果表明:修正模型的弹体剩余速度预测值与原模型相比,和试验值的吻合度更高。靶板含筋率在1%～3%时,其抗侵彻性能随着含筋率的提高而增强;但增长速度呈减小的趋势,其中含筋率从1%提高至1. 5%时,靶板抗侵彻性能增长得最为明显。含筋率3%时,与弹体击中网眼和单排钢筋相比,击中钢筋交叉点处的靶板抗侵彻性能明显增强,较上述两者提高约10%。     

钢纤维混凝土靶板在弹体侵彻作用下的三维数值模拟

针对混凝土力学性能的特殊性,以及侵彻过程中高速碰撞的特殊性,合理的选用材料模型及接触算法等参数,运用LS-DYNA3D对弹体侵彻混凝土进行了数值模拟,再现了弹体侵彻混凝土时,应力的传播以及混凝土的开裂破坏等现象。数值计算的结果与实验结果具有良好的一致性,计算误差约为10%。     

侵彻与爆炸联合作用下混凝土靶体的毁伤效应分析

考虑弹体侵彻、爆炸高加载率下混凝土的应变率效应,首先采用SPH-Lagrange算法建立弹体高速侵彻耦合模型,研究高速钻地制导炸弹的侵彻毁伤过程及其破坏特征;同时采用SPH算法建立考虑初始侵彻损伤的内部爆炸耦合模型,对比分析弹体侵彻与爆炸联合作用和弹体直接内部爆炸这2种条件下的混凝土毁伤特征,探讨钻地制导炸弹的初始侵彻损伤对混凝土内部爆炸毁伤破坏过程的影响。研究结果表明:高速弹体的侵彻只造成混凝土结构的局部损伤;在侵彻与爆炸联合作用下,混凝土结构将发生严重破坏。初始侵彻毁伤对混凝土内部爆炸的毁伤机理有重要影响。     

侵彻过程中装药摩擦点火数值模拟

为研究弹体侵彻过程中装药安全性,采用分步数值模拟方法,在计算弹体侵彻靶体过程的基础上再计算弹体内部装药响应.装药响应计算中采用反加靶体阻力与热力化耦合算法并考虑了装药的摩擦温升机制,计算得到了装药点火的临界弹体初速,与实验结果吻合较好.计算结果表明,弹体内壁与装药之间的摩擦是引起装药温升的重要因素,装药发生摩擦点火的部位接近于装药中部.计算结果可为侵彻弹体的装药结构设计提供依据,计算方法为侵彻过程中装药的响应和安全性分析提供技术支撑.     

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.     

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.     

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.     

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.     

两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶研究

采用海37 mm弹道炮发射次口径钨合金和钨纤维增强非晶复合长杆弹进行了高速侵彻装甲钢靶试验,并借助三维非线性动力有限元程序ANSYS LS-DYNA对1.0~2.6 km/s速度条件下两种长杆弹侵彻半无限厚装甲钢靶问题进行了数值模拟,分析了弹体材料和速度对其侵彻性能的影响,并对其毁伤机理进行了初步分析.实验与数值计算结果均表明钨纤维增强非晶复合长杆弹的侵彻性能优于钨合金长杆弹;实验侵彻过程中,钨纤维增强非晶复合长杆弹产生了自锐现象,而钨合金长杆弹则是形成了蘑菇头;数值模拟结果表明两种长杆弹的破坏模式随入射弹速的变化而变化.     

楼板配筋率对板筋参与梁端抗弯的影响

针对现浇楼板在框架梁端实际抗弯中具有参与作用的情况,采用有限元软件ABAQUS对不同楼板配筋率的钢筋混凝土框架结构在侧向荷载作用下的受力情况进行了分析.研究表明,现浇楼板配筋率会影响现浇楼板中的板筋在框架梁端实际抗弯的参与程度,在梁柱同等配筋的情况下,楼板配筋率高的框架梁端的实际承载能力要大于楼板配筋率低的结构的实际承载能力,因此,在进行有效翼缘宽度的选取时,应将现浇楼板配筋率列入考虑范围.     

固连接异形侵彻体侵彻威力研究

采用对半无限靶侵彻深度的测量方法进行固连接异形侵彻体的侵彻威力实验,并与同质量、直径和异形侵彻体管外径也相同的基准杆进行比较。结果表明：在同一速度下该异形侵彻体相对于基准杆有较大的穿深增益;管的内外径比对穿深的影响较大。建立了固连接异形侵彻体垂直侵彻半无限靶板的理论分析模型,计算和实验结果较为一致;得出了穿深增益随速度的变化规律,发现速度在1．7km／s左右时异形侵彻体相对于基准杆的优势最为明显。得出了侵彻体穿深随内外径比的变化规律,在某一范围内,穿深随着内外径比的增加而增加。     

锈蚀钢筋混凝土梁的斜截面抗剪承载能力

考虑钢筋锈蚀对受力钢筋截面面积和力学性能、钢筋与混凝土间粘结强度以及混凝土保护层厚度的影响,基于“拉、剪临界破坏”的概念和“梁-拱”共同作用的混凝土抗剪抵抗机制,建立了锈蚀无腹筋(主要指箍筋)梁的抗剪承载力公式;考虑梁中纵筋和(或)箍筋锈蚀的影响,基于箍筋与混凝土抗剪作用相互影响的机制,采用相应于有腹筋梁的无腹筋梁对抗剪强度的贡献与箍筋对抗剪强度的贡献相加的模式,建立了锈蚀有腹筋梁的抗剪强度公式.并且,对所建立的锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力的理论预测进行了试验验证.     

PELE斜侵彻有限厚靶板数值模拟

针对PELE斜侵彻均质靶板问题,在AUTODYN-3D平台下用数值模拟方法研究了斜侵彻下着角和其它参数对PELE破片杀伤和穿甲双重终点效应的影响.结果表明,在PELE能够贯穿靶板前提下,着角越大,产生的横向效应越明显,且轴向速度呈下降趋势.得到了斜侵彻情况下靶板厚度、靶板材料和弹着速对PELE终点效应的影响规律,以及当着角改变时,靶板厚度、靶板材料和弹着速对PELE终点效应的敏感度变化规律.     

聚脲弹性体涂覆结构抗侵性能与层间作用机制研究

研究了聚脲弹性体涂覆钢板、涂覆纤维复合材料板抗破片侵彻性能以及涂层与底材层间作用机制.通过弹道试验加载3.3 g立方体破片撞击聚脲涂覆钢板、FRC板结构,获得无涂覆、迎弹面涂覆和背弹面涂覆3种涂覆类型结构的弹道极限,得到了不同涂覆方式下结构抗侵彻性能差异以及变形与失效特征.结果表明,聚脲弹性体涂层对涂覆结构抗破片侵彻性能的影响作用与涂覆底材自身的吸能机制相关;钢板吸能形式为局部变形与剪切冲塞,涂层对钢板耗能作用影响小,且能够有效提高结构抗侵性能,迎弹面涂覆效果优于背弹面;FRC板吸能形式主要为背部纤维的拉伸断裂与层间分离,背弹面涂层抑制纤维板吸能作用,大幅降低涂覆结构抗侵效率.      

杆式射流装药水下作用行为研究

采用数值模拟与实验相结合的方法研究杆式射流装药水下作用行为. AUTODYN-2D程序数值模拟结果表明,采用偏心亚半球形罩装药可形成杆式射流,并能在水下产生空腔随进效应.装药长径比对杆式射流速度有一定影响,但对水下侵彻能力影响不大.炸高对杆式射流入水形状、速度梯度及水下侵彻能力有显著影响.对于口径54mm偏心亚半球形铜罩装药,数值模拟与实验结果均表明,水下作用有利炸高约为4倍装药口径.