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.     

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.     

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.     

混凝土厚靶在弹体正侵彻下的响应研究

在内爆理论及考虑弹体体积变形和侵蚀效应的运动方程基础上,考虑质量守恒、动量守恒及能量转换关系,建立了描述混凝土厚靶在高速弹体正侵彻下的响应区理论模型.理论模型的数值解表明,混凝土和弹体的动力学特性对正侵彻作用下混凝土的响应有显著影响.在侵彻速度较高时,有些响应区消失,而破碎区和破裂区随侵彻速度增加而迅速增大.     

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.     

弹体对钢板-混凝土板的贯穿计算问题

讨论了钢板-混凝土板中钢板对贯穿过程的影响.根据钢板-混凝土板多阶段变形与破坏状态和能量在时间、空间上的分配差异,提出了钢板-混凝土板的变形与破坏模型,确定了钢板膜力参数,从而给出了弹体和贯穿块的运动方程.得出了钢板的加入使弹体的侵彻深度明显减小的结论.     

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.     

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.     

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.      

椭圆截面弹体侵彻混凝土阻力特性研究

为研究椭圆截面异构型弹体侵彻混凝土过程中的弹体头部受力特性,开展圆形及等截面积不同长短轴之比的椭圆截面弹体侵彻混凝土过程数值模拟计算,对不同弹体侵彻过程中头部表面所受法向应力与法向速度关系进行了分析.获得了不同长短轴之比情况下的椭圆截面弹体头部表面所受法向应力与法向侵彻速度、单元所在位置角度之间的关系表达式,并进一步得到了椭圆截面弹体侵深计算公式.结果表明:与等截面积的圆形截面弹体相比,在相同法向速度情况下,椭圆截面弹体表面所受法向应力大小随着头部表面单元位置到椭圆中心距离的增大而增大;在侵彻速度相同时,弹体侵深随着截面长短轴之比的增大而增大.      

射击角对步枪弹侵彻玻璃靶后运动的影响规律

为研究射击角对步枪弹侵彻玻璃靶板影响的规律,对步枪弹侵彻玻璃靶板进行数值模拟,并通过与试验结果对比,数值方法可真实再现弹头在侵彻玻璃过程中的运动行为.结果表明,弹头速度总体变化趋势是逐渐减小,对符合实际使用情况下的速度变化可按射击角分为（0°,5°,10°）（15°,20°）（25°,30°）3个速度梯度,每个梯度内的速度变化基本一致,加速度变化阶段分为4个阶段,呈现双峰现象,对不同射击角下的靶后攻角和速度矢量偏角分析发现,弹头稳定性可按射击角分为（0°,20°）（25°,50°）（55°,80°）3个区间,分别对应稳定飞行、一定扰动飞行、失稳3个状态,而且剩余动能与初始动能比值基本是随着射击角增大线性减小,总体是呈负相关减小趋势.      

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.      

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.     

弹体垂直侵彻混凝土靶体的柱形空腔膨胀理论分析

采用统一强度理论作为混凝土材料的屈服准则,根据柱形空腔膨胀理论求得了混凝土靶体在弹体垂直侵彻下的空腔膨胀压力和空腔膨胀速度的关系,给出了柱形空腔膨胀条件下卵形弹体侵彻靶体深度的理论计算公式,求出了弹体以400～1100m/s的速度撞击混凝土靶体的侵彻深度,通过和试验结果比较,表明提出的模型具有一定的合理性.进一步研究还表明,统一强度理论参数b、弹体质量和弹头形状对侵彻深度均有影响,b=0时侵彻深度较大,b=1时侵彻深度较小;弹体质量越大或弹头越尖,侵彻深度越大.     

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(concrete continuous cap model, 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.     

弹丸垂直贯穿混凝土靶的数值研究

根据弹丸垂直贯穿混凝土靶实验数据确定混凝土材料计算参数,在此基础上利用LS-DYNA有限元软件研究弹丸着速对混凝土靶贯穿效应的影响.数值计算结果表明,当弹、靶材料及尺寸固定时,靶面漏斗坑直径、靶背崩落直径均随弹丸着速增大而增大,二者与着速近似成正比;贯穿过程中的最大过载也随着速增大而增大,但是不同着速下弹丸减速度曲线形态相似.