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.     

三角形截面长杆弹垂直侵彻半无限靶的成坑分析

为研究三角形截面弹体在垂直侵彻半无限靶时的成坑特性，通过分析三角形截面弹体头部接触面上的横向力，得到弹体头部碎渣颗粒的运动状态。根据侵彻速度关系式推断弹体瞬时速度对弹坑截面形状及大小的影响规律。采用ANSYS-DYNA有限元软件对不同速度的三角形截面弹体垂直侵彻半无限靶全过程进行数值模拟，并进行实验验证。仿真结果与实验结果一致。结果显示，三角形截面弹体在撞击平面上的质点横向应力分布不均匀，3个角方向上的力最大，边长中点位置处最小，总体呈U形分布。弹体瞬时速度逐渐减小，弹坑形状由近似规则圆形逐渐变为近似三角形的3瓣圆弧，且其截面积不断减小。在1 400～1 800 m/s的速度范围内进行了长杆弹撞击实验。速度为1 790 m/s时，弹坑在靶板表面的直径和深度分别为40 mm和7 mm,弹坑形状近似圆形。速度为1 510 m/s时，弹坑在靶板表面的直径和深度分别为38 mm和5 mm,弹坑截面表现为圆弧三角形。     

考虑剪胀效应的混凝土动态柱形空腔膨胀理论

同时考虑混凝土的压缩和扩容特性,建立了动态柱形空腔膨胀理论,其中完整的靶体响应为密实区-扩容区-开裂区-弹性区,在扩容区采用扩容方程,使用该理论得到了空腔表面应力与膨胀速度的表达式,并使用该式计算得到弹体侵深和加速度.研究结果表明,运用该理论建立的刚性侵彻方程,其计算结果与实验结果具有良好的一致性,模型可以较好描述不同头部形状尖卵形弹体的侵彻能力以及加速度变化趋势.      

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.     

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.     

弹体高速侵彻混凝土靶侵彻效率影响因素分析

为研究弹体高速侵彻混凝土靶体时,最大侵彻深度随弹体撞击速度的变化规律,定义侵彻效率为侵彻深度与速度的比值。针对一定的弹靶系统,通过实验数据和数值仿真研究了最大侵彻效率对应的弹体特征撞击速度。弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布。随着速度的提高侵彻效率先增大后减少。侵彻效率达到极值前,随着速度的增大侵彻深度增加幅度很大。当最大侵彻效率对应的特征撞击速度增加约5%时,侵彻深度和侵彻能力最高。混凝土单轴抗压强度、弹头部形状系数、弹体长径比、弹体材料的强度及机械性能对侵彻效率的影响较大。     

弹体高速侵彻混凝土靶侵彻效率影响因素分析

为研究弹体高速侵彻混凝土靶体时,最大侵彻深度随弹体撞击速度的变化规律,定义侵彻效率为侵彻深度与速度的比值。针对一定的弹靶系统,通过实验数据和数值仿真研究了最大侵彻效率对应的弹体特征撞击速度。弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布。随着速度的提高侵彻效率先增大后减少。侵彻效率达到极值前,随着速度的增大侵彻深度增加幅度很大。当最大侵彻效率对应的特征撞击速度增加约5%时,侵彻深度和侵彻能力最高。混凝土单轴抗压强度、弹头部形状系数、弹体长径比、弹体材料的强度及机械性能对侵彻效率的影响较大。     

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.      

破片侵彻混凝土毁伤效应研究

采用Autodyn动力学软件对大尺寸破片侵彻混凝土毁伤效应影响因素进行数值模拟研究，获得了侵彻速度、侵彻姿态、破片形状、破片材料等因素对混凝土毁伤效应影响特性. 研究结果表明，破片侵彻速度增大，侵深和侵孔直径逐渐增大，且直径趋于一定值；斜侵彻时，压缩–剪切耦合作用和边界效应可造成侵孔增大；当破片侵彻动能、形状相同时，钨破片综合毁伤效果优于4340钢、45#钢；圆柱体破片破孔能力最强，正方形破片侵深能力最强.      

侵地武器及其气炮实验

简述了侵地武器的发展历史和现状，侵彻战斗部技术在精确制导武器中已被广泛应用，小爆炸威力侵地核武器的开发已经主要不是工程技术方面的问题；介绍了气炮实验技术及其在侵地武器研究中的应用，气炮模拟实验结果表明，岩土侵彻存在良好的力学相似关系，混凝土侵彻同花岗岩侵彻存在许多质的差异；介绍了一种通过侵深实验数据分析计算侵彻弹体加速度、速度和位移变化过程的方法。     

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.     

侵彻弹体局部结构优化设计方法

 针对侵彻弹体结构优化设计中存在的主要问题,提出了一种侵彻弹体局部结构自动优化方法,实现了侵彻弹体结构设计方案初步优选和关键局部结构自动优化.采用基于DOE分析的材料参数调试方法,调试获得了弹体侵彻混凝土数值模拟所需全部参数,并进行了试验验证.结果表明,材料参数在精度上满足要求;对某型弹体的头部进行了自动优化,优化结果可使弹体头部设计更加合理,弹体所受阻力减小,过载变小,靶后余速变大,侵彻能力变强.     

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.     

A New Simple Model for the Mushrooming Deformation of Projectile Impacting on A Deformable Target

Based on Taylor's model and Hawkyard's model, a new simple model for the mushrooming deformation of projectile impacting on a deformable target is installed considering the penetration of the projectile to the deformable target. In the model, the following time-dependent variables are involved in: the extent and the particle velocity in the rigid zone; the extent, the cross-section area and the particle velocity in plastic zone; the velocity and depth of the penetrating of projectile to the target. Solving the set of equations, analytic solution is given. The profiles of deformed projectile and shape parameters for different initial impact velocities are shown. The duration time of deformation increases with increasing the impact velocity. The analytical results by using this model are coincident with experimental result.     

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。      

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.     

动能弹低速侵彻装甲靶板过载数值模拟

 数值模拟和实验研究动能弹侵彻装甲靶板作用行为,初步获得了着速、着角对过载的影响规律。AUTODYN-3D数值模拟结果表明,着速、着角对侵彻过载影响明显,侵彻过载峰值随着速的增加而增大,随着着角增大而减小,但变化趋势有所缓和。针对不同速度正侵彻问题进行了实验验证,数值模拟结果与实验结果较为吻合,结果均表明,随着速度的增加,过载呈现出明显增大的趋势,且最大过载出现时间为0.05—0.2ms范围内。     

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.