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。     

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.     

弹体斜侵彻混凝土靶面的开坑阶段分析

为了研究弹体斜侵彻混凝土过程中靶面成坑机理,该文根据应力波在混凝土靶自由表面斜反射形成层裂,将开坑区分为破碎区、裂纹区和弹性区。依据法向膨胀理论对成坑阶段阻力进行分析,得到破碎区径向尺寸与弹径的定量关系,再利用应力波的传播计算得到开坑深度,将计算结果与试验数据进行对比,两者吻合较好,为斜侵彻弹道研究提供参考价值。     

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。     

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.     

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.     

空心弹体垂直侵彻混凝土靶板的应变测试研究

提出一种新型的测量实验弹侵彻混凝土靶板过程中的弹体变形的测试方法.采用正向弹道技术,在空心弹体内壁粘贴应变片电桥电路和弹载存储器,测量、记录弹体的撞击变形行为,并通过地面计算机再现该过程.利用这种测试手段,在95 mm口径空气炮上进行了系列截卵形头部的35CrMnSi弹体以150～300 m/s的速度垂直侵彻无钢筋混凝土靶板的实验,成功测得应变时间历程曲线,并对应变曲线和侵彻过程弹体变形的对应关系进行了分析讨论.实验结果表明弹体在侵彻靶板的过程中,材料承受交替的压缩、拉伸变形.     

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。     

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.     

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.     

高速长杆弹侵彻半无限混凝土靶的理论分析

为了从理论上确定混凝土材料的靶板阻力,采用三段式线性状态方程和考虑拉伸破坏与剪切饱和的Mo-hr-Coulomb屈服准则描述混凝土材料,将半无限混凝土靶在高速冲击下的响应分为弹性区、开裂区、孔隙压实区和密实区,建立了混凝土材料的准静态空腔膨胀理论,确定了靶板阻力,运用A-T模型进行了长杆弹高速侵彻半无限混凝土靶的理论分析.算例结果表明,侵彻深度的理论分析结果与实验结果具有较好的一致性.     

弹体斜侵彻多层间隔混凝土靶实验和数值模拟

为研究弹体侵彻多层间隔靶的弹道稳定性问题,设计了钢筋混凝土多层间隔靶,开展了弹体斜侵彻实验,通过高速摄影运动分析系统,得到了弹体侵彻多层靶过程的弹道变化参数.采用LS-DYNA软件,再现了弹体侵彻多层靶实验过程,得到的弹道变化参数与实验结果吻合较好,验证了本构模型的可靠性.同时,数值模拟研究了不同半锥角对尾裙弹体侵彻多层靶稳定性的影响规律,得到了弹道稳定的尾裙弹体最优半锥角.      

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.      

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.      

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%。     

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.     

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。