超音速侵彻混凝土过程中装药安定性结构设计的动摩擦理论分析

 根据侵彻过程中弹体内部装药的弹性变形假设,利用弹体结构与内部装药的相对位移、摩擦功、热力学原理和热点理论,提出了装药热安定性设计的弹性理论分析方法。计算中,侵彻弹体的响应函数从空穴膨胀理论出发;利用弹塑性材料中应力波Hugoniot跳跃条件以及流体力学动量和质量守恒方程,分析了弹体侵彻混凝土过程中的弹体表面径向应力;结合牛顿第二定律,采用有限差分技术,获得了弹体侵彻过程的轴向阻力。通过弹性理论分析,得到了弹体侵彻过程中影响装药安定性的重要设计参数,为装药安定性设计提供了理论依据。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

多种复合炸药装药的慢烤特性及其机理

为研究不同结构复合装药在慢速烤燃过程中的响应规律,分别设计了JH-2和JHB炸药的?19 mm单独药柱装药和?30 mm复合药柱装药烤燃弹,通过慢速烤燃试验分别获得了单独药柱烤燃弹在1和2℃·min^-1升温速率、复合药柱烤燃弹在1℃·min^-1升温速率下的温度-时间变化曲线,并结合数值模拟进一步分析了烤燃弹内部温度场的变化。研究结果表明:单独药柱装药情况下,低敏感炸药能明显降低弹药在热刺激下的响应等级;而在复合药柱装药时,烤燃弹响应点均位于外层低敏感药柱靠近壳体的环状区域,响应温度随高能药柱直径的增加而升高,响应等级随外层低敏感药柱厚度的增加而增加,复合装药由于药柱接触面存在接触热阻,烤燃弹传热受到阻滞,使得内部高能药柱极少参与反应。     

弹体斜撞击单层金属薄靶的数值仿真

通过调用ABAQUS子程序引入修正的靶板J-C本构模型和修正的应力三轴度三分段式失效准则,开展了平头、卵形弹0°~60°斜撞击单层Q235钢薄靶的数值仿真计算,分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板防护性能及失效模式的影响,同时对弹体击穿靶板后的角度偏转问题进行了分析,并提出了一个改进的角度偏转半理论模型。结果发现:平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤及失效模式紧密相关,单层靶板在平头弹以同一角度分别低速和高速斜撞击后具有不同的失效模式,而在卵形弹斜撞击下失效模式相差不大;仿真与实验结果吻合较好。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

 基于球形空穴膨胀理论（SCE）,采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论,靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替,这样在进行数值模拟时就无须划分靶体网格,也避免了复杂的接触问题,从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹,靶体为6061-T6511铝合金。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角等实际情况,并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较,发现模拟结果与实验结果吻合得很好,并得到了一些有意义的推论。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究北大核心CSCD

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

缓释结构对B炸药烤燃响应烈度的影响

为了研究装药在缓释结构作用下的响应特性,设计了弹药烤燃系统及弹体泄压装置,分析了B炸药在热刺激作用下泄压装置对响应烈度的影响,得到了B炸药在泄压结构作用下的升温曲线与响应结果。结果表明,无泄压孔时,装药的响应等级为爆轰反应,装药的响应温度较低,响应时间较短。泄压孔面积为装药面积的2.0%时,装药的响应等级为爆轰反应;泄压孔面积为装药面积的2.5%和3.5%时,装药的响应等级均为燃烧。弹药临近响应时刻冲开泄压孔,降低了炸药内部温度,延长了响应时间。通过数值模拟得到了装药内部温度的分布情况,响应时刻炸药温度呈层状分布,炸药响应点位于炸药顶部。RDX的分解放热是B炸药点火的主要原因。弹药泄压结构可以有效降低弹药响应的剧烈程度,提高装药的热安全性。     

大着速范围长杆弹侵彻深度变化及其影响因素的数值模拟

高速/超高速侵彻问题一直是武器设计者和防护工程专家关注的焦点问题之一。随着撞击速度的提高,弹体可能进入流体侵彻阶段,侵彻深度不再随速度的增大单调上升。针对撞击速度增加侵彻深度可能出现增量逆转的现象,开展了大着速范围长杆弹侵彻深度变化的数值模拟研究,分析了弹体硬度、头部形状、弹体材料及靶体材料对侵彻转变点的影响。结果表明:随着长杆弹冲击速度的提升,侵彻深度先上升后下降;同时,弹体硬度提高,到达侵彻转变点对应的撞击速度提高;尖卵形头部弹体到达侵彻转变点的撞击速度比球形头部弹体高;此外,弹靶材料对侵彻深度转变也有较大的影响。     

着靶点位置对双层楔形装药反应装甲干扰射流的影响

为了研究双层楔形装药反应装甲中线上不同着靶点位置对射流干扰的影响,利用模拟仿真软件LSDYNA-3D对其干扰射流的能力进行评估,分别对侵彻过程中飞板的运动状态、杵体断裂情况和接触后效靶板的瞬时速度、侵彻靶板的深度和开坑等进行分析,并通过试验进行对比分析。研究发现:着靶点在双层楔形装药反应装甲中线顶端区域时,受边界效应影响严重,双层楔形装药反应装甲干扰射流作用不明显,杵体在接触靶板前未断裂,致使靶板被击穿;着靶点在160mm处时,射流侵彻双层楔形装药反应装甲后,杵体断裂时间最早,且被切割成多段并发生明显位移,杵体接触靶板瞬时速度最低,在后效靶板上的侵彻深度最小,抗侵彻效果优于传统双层平板装药。模拟计算与试验测量结果最大误差不超过10%,符合较好。     

入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律

 以长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板为研究对象,分析了弹体最大侵彻深度与入射速度的关系,研究了弹体入射速度对侵彻最大深度的影响规律。研究表明：靶板的强度和界面效应使弹体在侵彻过程中存在一个临界速度,当入射速度大于临界速度时,弹体的侵彻才能通过开坑阶段进入准稳定阶段,它是造成当入射速度较小时侵彻深度随入射速度的提高而几乎不变或缓慢增加的主要原因;准稳定侵彻过程中弹体速度和侵彻速度基本不变,并且两者存在线性关系,这种关系只与弹体和靶板的材料性能有关,是造成当入射速度较大时侵彻深度随入射速度的提高呈快速线性增大的主要原因。     

杆式钨合金弹超高速撞击薄靶的能量损耗

超高速撞击过程伴随着复杂的物理过程。为分析杆式圆柱形钨合金弹超高速撞击薄钢靶时的物理过程,采用AUTODYN/SPH数值仿真计算方法获得了撞击过程模型及每个光滑粒子流体动力学信息,并通过广度搜索破片识别程序识别每个破片所含粒子,利用MATLAB编程对破片粒子数据信息进行统计分析,获得弹靶撞击过程的变化特性、弹靶破片数量、相关能量随撞击时间的变化规律。通过分析发现:随着弹体撞击速度的增加,剩余弹体被严重侵蚀,且弹体能量损耗增加,弹体损失的能量主要转变为弹靶破片动能;计算得到了撞击20μs时的能量损耗直方图,同时分析了发生撞击时靶板的能量变化过程,并简要描述了该过程。     

孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。     

孔结构金属装甲抗弹能力的数值模拟北大核心CSCD

采用数值模拟方法研究了高速弹体冲击下孔结构金属装甲的抗弹能力,系统讨论了弹体冲击速度、入射角、弹着点、孔径、孔间距等因素对抗弹能力的影响。结果表明,在弹道极限速度附近,随着弹体冲击速度的增加,弹着点效应逐渐变得不明显;弹体垂直入射不对称弹着点时会出现明显偏转,而倾斜入射时即使在对称弹着点上也会出现明显的偏转现象;当弹体入射角度大于45°时,弹体剩余速度和侵彻深度出现较明显的下降,当入射角度大于65°时,出现弹跳现象。     

长径比对长杆弹垂直侵彻能力影响机制的研究

 以长杆弹垂直侵彻半无限靶为研究对象,利用量纲理论,分析了影响侵彻深度的主要因素,采用经验公式和数值仿真对长杆弹侵彻机理进行了系统研究。结果表明：要达到同样的侵彻效率,长径比的增加会增大单位侵彻深度所耗的能量密度;对于具有相同体积的不同弹体,侵彻深度随长径比增加而增大,直至达到某一最大值。研究发现,造成这种现象的主要原因是侵彻过程中后续不稳定阶段产生的漏斗形弹坑和高温影响弹体侵彻,虽然交界面对侵彻深度的影响较大,但与长径比对侵彻效率的影响无明显关系。     

串联弹前级装药对后级随进弹爆炸作用的研究

 为获得串联战斗部随进弹在受到前级装药爆炸作用时,质量对其所受最大过载及动能衰减的影响规律,采用非线性动力学软件AUTODYN,基于Euler-Lagrange耦合算法,对前级装药的爆炸过程中,不同弹径、不同质量的随进弹穿越爆轰场进行了数值模拟。得出了随进弹在前级爆炸作用下所受最大过载和动能衰减的变化规律。基于数值模拟结果建立了随进弹剩余速度与质量的无量纲关系式,计算结果得到了实验验证。     

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820～1195 m/s速度撞击强度为31.0～43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2～2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

超音速子母弹开舱后流场特性研究

用数值求解雷诺平均N-S方程的方法对超音速子母弹开舱后复杂外形的流场特性进行数值模拟.模拟结果与试验结果对比表明,采用S-A一方程湍流模型求解雷诺平均N-S方程,并以AUSM+作为离散格式的数值方法,可较细致地模拟开舱后弹体周围的定常绕流特性.对有攻角时流场结构进行分析,并对其流动机理进行探讨.发现开舱后在弹肩处的后向台阶有回流形成,横截面子弹弹体表面边界层分离使装配空隙内形成涡流并使弹体环向表面压力出现极小峰值,不规则的外形使尾流不对称.可为确定子弹抛撒初始条件提供参考.     

分段杆弹侵彻效率的数值模拟（英文）

为研究分段杆弹的侵彻效率,对不同结构的钨合金分段及连续杆弹侵彻半无限厚4340钢靶进行了数值模拟,撞击速度范围为1 500~3 500m/s。数值模拟的侵彻深度及弹坑形状与冲击实验一致,验证了数值模拟的有效性。基于AUTODYN软件的数值模拟结果表明,在一定条件下,分段杆弹的侵彻效率高于连续杆弹,这是因为分段杆弹的侵彻效率取决于s/d(分弹体的间隔与直径之比)和撞击速度。分段杆弹的最佳s/d由弹体结构和撞击速度决定。计算结果揭示了分段、连续杆弹以及分段杆弹高速、低速侵彻靶体得到的弹坑的差异。