钢板混凝土复合靶抗贯穿性能的理论与数值分析

为了给防护结构的优化设计提供参考,基于动能守恒定律,推导出了后附薄钢板复合靶的弹体剩余速度公式及弹体剩余动能和初始动能之比Er/E0。利用ANSYS/LS-DYNA对已有文献的侵彻试验进行模拟,分析了钢板布局对复合靶抗贯穿性能的影响,对比了素混凝土靶、钢筋混凝土靶和复合靶的抗贯穿性能。结果表明:由BRLCEA-EDF转换公式得到的剩余速度预测值精度最高,其推导的Er/E0可用于评价钢板混凝土复合靶的抗贯穿性能;复合靶的抗贯穿性能随着钢板的后移而逐渐增强,其中工况0-3(靶板前后表面铜板厚度分别为0mm、3mm)较工况3-0(靶板前后表面铜板厚度分别为3mm、0mm)提高约10%;含筋率为0.8%时,复合靶的抗贯穿性能较素混凝土靶和钢筋混凝土靶分别提高约11%和4%,在靶板损伤中,复合靶能够抑制扩展裂缝的产生,后附钢板发生沿侵彻方向的凸起,并呈花瓣状开裂,但它减慢了后部弹坑的形成,提供了更大的侵彻阻力。     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

12.7mm动能弹斜侵彻复合装甲的数值模拟研究

通过弹道枪实验对斜置角度为0°～60°的陶瓷复合装甲进行了弹道极限测试,分析了靶板斜置角度对穿燃弹的弹道极限和钢芯质量变化、破坏形态的影响。利用数值模拟的方法对上述实验结果进行验证计算,鉴于数值计算结果与实验结果较好的一致性,进一步研究了陶瓷复合靶板斜置角度对穿燃弹钢芯穿靶偏移角和等效Q235钢靶厚度的影响。结果表明,随陶瓷复合靶板斜置角度的增大:弹道极限近似指数型提高;在相同弹道极限速度下,穿燃弹对Q235钢靶板的极限穿深和对斜置陶瓷复合靶板的极限穿深的等效厚度的比也随之增大;同时,钢芯完整度逐渐降低,穿靶偏移角反向增大。     

不同撞击速度下穿燃弹侵彻陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯破碎失效特性研究

为了研究12.7 mm穿燃弹以不同速度撞击陶瓷/铝合金复合靶板时弹芯的破碎及失效特性,开展了12.7 mm穿燃弹以434.5～844.6 m/s速度撞击SiC陶瓷/6061T6铝合金复合靶板的弹道试验,分析了弹靶的失效模式。弹芯在侵彻靶板后会产生不同尺寸的碎片,使用回收箱收集弹芯碎片并用不同孔径筛网对其进行筛分、称重,得到了不同撞击速度下弹芯碎片的质量分布,并对不同部位的弹芯碎片断口形貌进行了宏观和微观观测分析。研究结果表明:背板失效模式为碟形变形-剪切穿孔-花瓣形失效,试验后的弹芯碎片累积质量分布符合Rosin-Rammler幂率分布规律,且随着着靶速度的增大,小质量碎片质量增加;弹芯在冲击过程中等效直径较大碎片（大于8 mm）失效模式为拉伸脆性断裂,而等效直径小于2 mm的碎片上存在局部塑性剪切断裂。     

橡胶复合靶板抗射流侵彻的理论和实验研究

根据射流侵彻橡胶复合靶板后射流变形情况,将橡胶复合靶板抗射流侵彻过程分为4个阶段。基 于应力波传播理论和开尔文-亥姆霍兹不稳定性对橡胶复合靶板抗射流侵彻过程进行了理论分析,得到射流 失稳时射流的速度区间及橡胶复合靶板对射流的干扰频率,并分析了射流侵彻橡胶复合靶板后的剩余侵彻 能力。分析了橡胶夹层厚度变化和橡胶复合靶板倾角对橡胶复合靶板抗射流干扰的影响,得到最佳橡胶夹层 厚度和倾角,并通过实验对理论结果进行了验证。结果表明,开尔文-亥姆霍兹不稳定性能很好地分析橡胶复 合靶板对射流的干扰作用。橡胶复合靶板在倾角为60、橡胶夹层厚度为3~3.5mm 时具有最佳防护性能。     

锥头刚性钨弹贯穿铝合金靶理论模型与应用

利用柱腔膨胀理论,提出了带有圆锥形头部的刚性杆式钨弹侵彻和贯穿薄铝靶板的理论模型.该模型考虑了弹靶之间的摩擦效应的影响.推导获得了弹体撞击并侵彻和贯穿靶体全过程中的弹体速度和弹体贯穿靶体时的剩余速度解析表达式,给出了弹体的速度时程曲线.通过比较理论与基于MSC.DYTRAN软件的有限元数值结果,验证了理论模型的适用性.基于理论模型的结果表明,弹体锥头长度越大,弹体剩余速度越高.弹体越细,其贯穿靶威力越大.弹靶之间的摩擦将降低弹体的剩余速度.计算也进一步表明,考虑摩擦的影响,弹锥头长度存在对应于获得最大剩余速度的某一最佳值.     

混凝土复合靶结构参数对侵彻过载的影响

混凝土复合靶基体靶板的层数和中间粘结层厚度是复合靶能否模拟单一靶的两个重要影响因 素, 利用AUTODYN2D仿真软件, 重点研究了这两个因素对弹体侵彻过载的影响. 首先通 过已有的实验和理论公式验证了初始仿真模型和材料参数的合理性. 在此基础上, 通过改变 基体靶板的层数和中间粘结层厚度建立了多组侵彻复合靶的仿真算例. 通过弹体侵彻速度、 过载曲线的对比, 结果表明: 全尺寸深侵彻过载实验中复合靶能够代替单一靶, 但复合靶中 间粘结层的厚度不要大于1/2弹头部长度; 当中间粘结层厚度超过弹头部长度1/2时, 弹体 侵彻复合靶过载与侵彻单一靶的偏离程度随基体靶板层数的增加而增大, 上述结论可为实验 中构建混凝土复合靶提供参考.     

桁架板等效刚度分析

桁架材料的连续介质等效模型的研究已有相当基础,而工程中桁架材料往往以类板结构形式出现,其变形表现出明显的弯曲特征。将类板桁架材料采用弯曲板模型模拟,研究合理的方法确定等效板模型的刚度具有重要意义。本文在基于Kirchhoff假定的小挠度薄板弹性理论框架下,研究了类板桁架材料的等效弯曲薄板模型,提出了确定薄板模型等效刚度的基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法,给出了确定各刚度系数所对应的代表体元的边界位移形式。具体计算了几种典型形式桁架板的等效刚度,并采用有限元离散模型和实验技术分析了桁架板在一定的边界约束和荷载作用下的响应,并与等效板模型的分析结果进行了对比。结果表明,在响应分析中,具有等效刚度的薄板模型可准确模拟类板桁架材料;连续介质板等效刚度计算的积分法不能给出准确的桁架板等效刚度,而基于Dirichlet位移边界条件的代表体元法获得的等效板的刚度具有很高的精度。     

高速钢球在水中贯穿过程的数值计算

本文采用二维有限元数值计算方法对水中高速钢球的侵彻贯穿作用及贯穿通道的形成和发展进行了数值模拟计算,给出了钢球侵彻速度水中压力波和空腔发展,这些结果与实验观察较为吻合。本文的工作说明,数值方法可以作为研究创伤力学的重要手段,有着广阔的应用前景。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

混凝土靶体计及压实效应的球腔动态膨胀模型和侵彻计算

建立了一混凝土靶体的球腔动态膨胀的侵彻模型。靶体的静水压力一体积应变关系考虑了不同的密实混凝土模型。也研究了混凝土作为多孔材料在高压下的压实效应。混凝土有拉伸强度极限值，其剪切强度与压力相关为Mohr—Coulomb定律。球腔动态膨胀模型考虑球对称空腔在无限介质里从零半径开始以常速度膨胀，产生一塑性区和一弹性区。当膨胀速度足够小时，由于介质的低拉伸强度，塑性区和弹性区之间可存在一径向裂纹区。可由解析方法获得空腔表面压力和弹塑性区界面传播速度随空腔表面扩张速度变化的曲线，再由球腔动态膨胀模型所得的空腔表面压力分布用于计算混凝土靶体的刚性杆弹侵彻深度。本文模型的计算结果与经验公式，不可压缩和线性可压缩混凝土模型的进行了比较。     

刻槽弹侵彻混凝土受力模型研究

利用混凝土材料的动态球形空腔膨胀理论,建立了针对刻槽弹体的低速花瓣形受力模型和高速圆孔形受力模型,并采用这两种模型计算了刻槽弹体侵彻混凝土的侵深。结果表明:当初速低于1 000 m/s时,运用低速花瓣形受力模型计算得出的侵深和实验值的误差小于11%;当初速高于1 000 m/s时,运用高速圆孔形受力模型计算出的侵深和实验值的误差约为20%。综合实验过程和实验误差分析可知,建立的刻槽弹侵彻混凝土受力模型可用于刻槽弹对混凝土的侵彻能力分析。     

空腔膨胀理论靶体阻力模型及其应用研究进展

从静/动态空腔膨胀模型的理论体系出发,介绍了空腔膨胀模型在不同方向上取得的成果,主要涉及理想侵彻条件的空腔膨胀压力计算模型及数值模拟方法和空腔膨胀模型在典型侵彻问题及复杂弹靶条件下的应用。在理想侵彻条件下的空腔膨胀压力计算模型中,主要讨论了靶体材料、屈服准则和状态方程对空腔边界应力的影响规律及空腔膨胀模型的适用性问题;根据数值模拟中初始条件的不同,介绍了空腔表面恒定速度/恒定压力两种数值模拟方法,证明了数值模拟方法的可靠性;整理了空腔膨胀模型的基本假设、适用范围、工程应用特点,列举了其在典型侵彻问题及多层复合靶板、约束靶体、弹体刻槽和异形截面形状弹体等复杂弹靶条件下的应用。针对空腔膨胀模型的研究现状,总结了目前空腔膨胀模型在冲击动力学领域的应用方向,归纳了空腔膨胀模型应用中尚存在的问题,展望了空腔膨胀模型下一步的重点发展方向。     

蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型及其应用

基于空腔膨胀理论建立工程模型是研究侵彻问题的常用方法。针对射弹侵彻蜂窝钢管钢管约束混凝土靶问题,考虑被打击单元钢管及其外围混凝土的综合约束作用,粉碎区混凝土采用Hoek-Brown (H-B) 准则,建立了蜂窝钢管约束混凝土靶的准静态球形空腔膨胀模型和刚性弹侵彻深度预测公式,并分析了综合约束刚度对侵彻过程的影响。算例表明：蜂窝钢管约束混凝土靶不同于半无限混凝土靶,侵彻过程中的扩孔压力不为常数;综合约束刚度越大,扩孔压力越大;侵彻深度预测公式计算结果与文献侵彻试验吻合较好。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

An engineering analysis of penetration of metal ball into fibre-reinforced composite targets

An engineering analysis of computing the penetration problem of a steel ball penetrating into fibre-reinforced composite targets is presented. Assume the metal ball is a rigid body, and the composite target is a transversely isotropic elasto-plastic material. In the analysis, a spherical cavity dilatation model is incorporated in the cylindrical cavity penetration method. Simulation results based on the modified model are in good agreement with the results for 3-D Kevlar woven （3DKW） composite anti-penetration experiments. Effects of the target material parameters and impact parameters on the penetration problem are also studied.     

卵形弹体侵彻预开孔靶理论分析

以破爆型串联战斗部后级随进弹对预开孔靶侵彻过程为研究对象,基于锥形预开孔和库仑摩擦模型,发展完善了包括扩孔/开坑和稳定侵彻的卵形弹体侵彻预开孔靶理论模型。分别对该模型在侵彻脆性和弹塑性靶体的有效性进行了实验验证。利用该模型分析了弹头曲径比、预开孔直径、预开孔形状等对侵彻结果的影响。研究结果表明:发展完善的模型计算结果与实验数据吻合较好。柱形开孔情况下,侵彻速度、弹头曲径比及相对孔径同侵彻深度呈正比;在侵彻容积相同的条件下,弹体侵彻预开锥孔的侵深结果与锥角及相对入孔孔径变化关系较大。     

Real-time numerical calculation for penetration depth of projectiles into concrete targets

Based on the acceleration data measured by penetration experiments with ogive-nose projectiles into semi-infinite concrete targets, a fuzzy method which can calculate the real-time penetration depth was developed. In the proposed method, the whole process of penetration was divided into three stages according to the instantaneous velocity, and each stage was described by different models. By judging the calculation error, threshold velocities between stages were automatically determined. Meanwhile, the striking velocity of the penetration process was calculated using the acceleration in whole trajectory. The calculated values by model are in reasonably good agreement with the measured data from experiments.     

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。     

侵彻条件下两类靶体材料静阻力的探讨

以空腔膨胀理论为主要理论工具,通过比较侵彻近区塑性材料和脆性材料动力学行为的差异,对两类不同材料静阻力（R_t）的本质进行探讨,并对脆性材料侵彻的若干应用问题提出建议。研究表明:（1）R_t是靶体介质以固体特性抵抗局部扩孔、具有时间平均特性的弹体横截面平均应力,其具体取值随着材料的物理力学特性、侵彻模型、撞击速度等因素而变化,因此不是材料的固有特性。（2）对于塑性靶体的非变形侵彻问题,静态空腔膨胀理论的结果能够对R_t作出比较合理的预测;对于拟流体侵彻问题,一般需要对静态空腔膨胀理论的结果加以修正。（3）脆性材料的R_t主要取决于破碎后介质的力学特性而与完整材料的力学特性关系不大,且与单轴抗压强度之间不满足纯粹的单调关系;当侵彻速度较低时,应考虑侵彻速度对侵彻阻力的强化作用,这种强化作用的本质是内摩擦;当侵彻速度足够高时,脆性材料体现出恒定不变的“动力硬度”,其反映了材料的本征阻力特性。（4）提高脆性材料的侵彻阻力的关键在于减小应力波峰值后环向拉应力的幅值、抑制材料的破碎速度和程度,具体措施包括主动或被动地增加外围压、对基质中添加增韧增强纤维等;为了实现对脆性材料侵彻问题更高精度的数值模拟,建议更加重视对破碎介质动力学特性的研究。