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.     

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.      

弹体垂直侵彻钢筋混凝土数值模拟

详细总结了Riedel-Hiermaier-Thoma(RHT)混凝土模型,采用标准立方体单轴拉伸和单轴压缩数值模拟揭示了模型基本特性,并将该模型用于弹体侵彻钢筋混凝土数值模拟,钢筋混凝土靶板前后表面的层裂破坏和内部断裂破碎现象均得到了较好反映,计算得到的弹体残余速度和实测值吻合较好,数值模拟还表明钢筋作用和混凝土模型相似角对弹体残余速度影响较小.     

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.     

锥形弹体侵彻过载分析

为研究锥形弹体侵彻过程中的过载特性,在新的侵彻近区速度场基础上,得到了锥形弹体侵彻过程中受到的阻力表达式,以及推广到多层介质中的阻力表达式。利用运动微方程建立了弹体在单层与多层介质中侵彻的过载计算方法,并将计算结果与国内外实验数据进行了对比。锥形弹体侵彻多层介质的过载时程曲线表明,过载的大小及其下降速率与侵彻速度和靶体强度有关。弹体以残余速度侵入下层介质时,若此层介质的强度大于前一层介质时,则会再次出现一个过载峰值。     

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.     

外形参数对矩形截面弹体气动和隐身特性的影响

用流体动力学(CFD)数值模拟方法和图形算法(GRECO),对机载布撒器绕流场进行了数值模拟和雷达散射截面(RCS)的计算,得到气动特性数值计算结果与风洞试验结果,RCS计算结果与外场测量结果均十分吻合.在此基础上研究了矩形截面宽高比和圆角半径比对弹体气动特性和隐身特性的影响.计算结果表明,建立外形参数与气动和隐身特性关系数据库、发展基于数据库的气动特性和隐身特性的工程计算方法,是进行布撒器等非常规外形和特种部件气动设计和RCS设计的有效途径.     

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.      

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.     

钢筋混凝土靶体抗弹体斜侵彻试验分析

为研究斜侵彻钢筋混凝土靶体的破坏特征并分析靶体中钢筋的作用,利用直径57 mm的弹体对3个钢筋混凝土靶体进行相同倾角的斜侵彻试验,得到着靶速度及对应的侵彻深度、弹坑范围等试验参数,结合试验分析了靶体中钢筋的作用。试验表明：钢筋网使内部混凝土的破坏得到有效抑制,整体抗拉作用明显,钢筋网整体作用类似于膜力。将靶体中钢筋网等效为一定厚板的钢板层,按照分层介质计算方法,得出了钢筋混凝土斜侵彻深度计算公式,解决了现有公式不能反映靶体中钢筋作用的不足。计算结果与数值模拟结果及经验公式计算结果进行了比较,吻合较好,验证了其有效性。     

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.     

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.      

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。     

截锥形动能弹低速侵彻装甲靶过载研究

 基于空穴膨胀理论,建立了截锥形动能弹低速侵彻靶板过载计算模型,获得了着速、弹头锥度及靶板材料强度等因素对过载的影响特性。计算结果表明,在截锥形动能弹低速侵彻条件下,着速对侵彻过载影响显著,但对过载作用时间影响不大;弹头锥度和靶板材料强度对侵彻过载及过载作用时间有重要影响,侵彻过载和作用时间随弹头锥度及靶板材料强度减小而降低。最后,通过实验验证了计算结果的正确性。     

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。     

基于侵深公式的弹冲击混凝土目标的计算方法

为利用终态侵深公式得到弹冲击混凝土目标过程中的瞬态量,根据实验现象及测试结果,借鉴Young氏方法的思路,提出一种"线性加速度模型"计算方法.利用该方法对侵彻弹冲击多层混凝土薄靶板及半无限厚混凝土目标分别进行了计算,并与前人的计算方法进行了对比.结果表明,该方法计算所得结果与实验结果一致,可为防护工程或武器设计提供理论和方法的参考.     

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.