大法线角下射流的跳弹效应

国内外对大法线角下的射流侵彻问题缺乏系统研究。为此,对比分析了Tate模型、Rosenberg模型和可压缩流体力学模型3种跳弹模型,并对大法线角下射流侵彻装甲钢和铝靶进行了实验研究。理论分析表明,可压缩流体力学模型能更准确地预测跳弹角。实验结果显示:大法线角下射流的侵彻深度随法线角的增大而减小,射流的垂直侵彻深度仅为正侵彻深度的10%左右;射流头部速度为6 800m/s时,603装甲钢的跳弹角在6°~7°之间,铝的跳弹角在5°~6°之间。     

增强后效复合药型罩结构的数值模拟

针对增强聚能射流的破甲后效问题,设计了等壁平顶锥形铜铝双层复合药型罩装药结构,采用冲击波物理显示欧拉动力学软件SPEED开展复合射流成型及对钢-铝间隔靶侵彻过程的数值模拟,分析内外双层药型罩高度比ε、药型罩锥角α等参数对复合射流成型和间隔靶侵彻性能的影响规律。研究结果表明:复合射流的头部速度随ε增大呈先减小后增加的趋势,在ε约为1/2时,可形成具有相近速度的铜铝同轴复合射流微元,利于铝射流微元与目标相互作用实现后效增强毁伤;且当α在50°~60°范围内时,复合射流中段为集中的铝射流微元,更利于侵彻后的爆炸或爆燃反应。对优化参数的复合药型罩结构数值模拟结果与文献公布的实验结果吻合较好。研究结果对增强后效聚能装药设计具有参考价值。     

铝铜药型罩射流与侵彻数值模拟

为提高射流侵彻性能,根据聚能射流装置的射流形成特点,设计了爆炸复合铝铜金属体作为药型罩的聚能射流装置。此装置依据已有的锥角为42°的聚能装药紫铜药型罩改进而来。利用LS-DYNA软件中的MMALE多物质算法,对此装置的射流形成、侵彻金属靶体全过程进行数值模拟。在保持装药量不变的情况下,计算了当铝铜药型罩锥角分别为36°、38°、40°和42°时的射流形成及侵彻过程。结果表明:射流头部速度随着铝铜药型罩锥角的减小而增大;且锥角为38°时射流穿深最大。相比单纯金属铜药型罩情况,射流头部速度提高了13.2%,侵彻深度提高了14.5%。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

弹着点位置对V形反应装甲干扰射流的影响

为了研究V形反应装甲中线上不同弹着点位置对射流干扰的影响,利用三维有限元程序(LS-DYNA)对V形反应装甲靶板的射流侵彻过程进行模拟,并通过实验进行对比分析。结果表明,数值模拟结果与实验结果符合较好。弹着点不同时,V形反应装甲靶板对射流的干扰效果有明显差别,并且随着弹着点与底端距离的增大,射流在后效靶板上的侵彻深度呈先减小后增大的趋势;当弹着点距顶端6.25倍射流直径时,射流在后效靶板上的侵彻深度最小,该点的防护能力最优;顶端的防护能力优于底端。     

分段PELE弹体冲击多层靶板数值分析

为了实现侵彻体对多层靶板的高效毁伤,采用数值模拟方法研究了分段式横向效应增强体(PELE)对4层金属靶的侵彻效应,获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。结果表明,分段PELE弹侵彻4层靶的靶后效果优于普通PELE弹。与金属杆相比,分段PELE弹侵彻多层靶后的弹孔直径更大。弹丸贯穿各层靶板后壳体的径向速度峰值随着靶板厚度的增加而增大,而壳体破碎长度并不随之线性变化。提高弹丸侵彻速度时,弹丸穿过第1层靶板后壳体破碎长度的变化趋势与径向速度峰值的变化相似,穿过第2层和第3层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值在侵彻速度为1.4km/s时达到极大值,随后下降,而穿过第4层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值随着初速度的增加而增大。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

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。     

杆式射流侵彻半无限靶的理论分析

 理论分析高速杆式射流侵彻半无限靶过程时,考虑速度梯度对聚能射流的影响,将射流进行分段计算,得到了射流拉伸后实际碰靶时的微元长度和直径变化。采用伯努利方程和静力学方法,通过对射流形状和速度分布作线性近似,理论分析了高速杆式射流侵彻半无限靶的过程,得到了靶体中的侵彻深度和侵彻孔径与射流长度、速度及直径之间的关系。将模拟结果与实验结果进行对比,结果表明理论分析结果与侵彻实验结果符合较好。     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

动能杆侵彻目标靶毁伤效果研究

针对动能杆侵彻目标靶的毁伤评估问题,从有限元角度出发,在数值模拟的基础上,提出了单根动能杆的毁伤指数计算模型;以不同杆体角(从-60°到90°以30°递增)和速度角(从0°到75°以15°递增)对靶板进行侵彻仿真,得到了多种情况下动能杆的毁伤指数和分布规律。一般情况下,毁伤指数随速度角的增加而增大,但当速度角为30°或60°时,速度角和杆体角一致时毁伤指数最大,并针对此种情况进行了分析。将动能杆垂直侵彻靶板的仿真结果与经验公式的计算结果进行了对比,二者相差4.06%,证实该仿真方法是可行的。     

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。     

楔形装药对射流干扰的数值模拟

利用ANSYS/LS-DYNA模拟了楔形装药和平板装药对射流的干扰过程,分析了不同楔形角度和装药量对射流的头部速度以及偏转角、杵体速度等数据的影响,并与平板装药的模拟结果对比。结果表明:楔形装甲对射流头部的干扰作用与平板装药相同,但对射流杵体的干扰不同。楔形平板的运动是由板平动和转动组成的二维运动;当楔形角度为正时,楔形装药对射流切割效果较平板装药好,可使射流头部偏转增大,速度减缓,杵体速度减缓,且这种效果随着楔形角度的增加而增加;此外,楔形角度确定后,随着楔形装药量的提高,侵彻位置向楔形上端偏移,接触靶板时间滞后,杵体断裂时间提前,板旋转减弱。     

SPH方法在宽速域岩石侵彻问题中的应用

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对花岗岩靶板受碰撞侵彻的大应变、高应变率变形问题进行了数值模拟。为了描述弹目材料的非线性变形及破坏特性,对花岗岩靶板引入了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型及损伤模型,对弹体引入含损伤的Johnson-Cook(J-C)本构方程和Grüneisen状态方程,靶板与弹体均离散成拉格朗日粒子。通过自编程序仿真计算0～4 m/s的着靶速度下花岗岩靶板的三维侵彻过程,对比分析了钢珠在不同弹体条件下的侵彻结果,在固体侵彻、半流体侵彻和流体侵彻的区域内拟合了侵彻深度随着靶速度的变化曲线。数值计算结果显示,侵彻深度随着靶速度的增加在固体侵彻区间(v01421 m/s)呈现递增趋势,在半流体侵彻区间(1421 m/s?v0?1700 m/s)呈现递减趋势,在流体侵彻区间(v0 1700 m/s)呈现递增趋势并逐渐趋于平滑,达到峰值。     

伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究

 利用LS-DYNA3D软件,对有攻角条件下伸出式侵彻体侵彻单层靶板及等厚度双层间隔靶板进行了数值模拟研究,从靶后动能和靶板破坏程度的角度对比了伸出体与同质量、同外径的基准杆侵彻单/双层靶板的能力。得出了侵彻体动能随时间变化的规律,分析了侵彻过程中攻角、速度及靶板分层3个重要因素对侵彻体侵彻能力的影响。结果表明：当攻角小或速度大时,伸出式侵彻体相对基准杆有较明显的优势;当双层靶板的间隔与基准杆长度相等时,靶板的分层对伸出体的侵彻性能几乎无影响,而对基准杆有较大影响,说明伸出体侵彻多层间隔防护结构的能力明显优于基准杆。     

岩石、混凝土和土抗侵彻能力数值计算与分析

利用LS-DYNA3D软件数值计算了弹体侵彻岩石、混凝土和土问题,分析在不同碰撞速度条件下的弹体响应和靶体抗侵彻能力。碰撞速度小于900 m/s时,弹体侵彻岩石的减加速度峰值约是侵彻混凝土的2倍,而侵彻混凝土的减加速度峰值约是侵彻土的6倍。减加速度峰值高则稳态侵彻过程短,弹体能量消耗很快。碰撞速度超过1.5 km/s时,随靶体材料的强度、密度逐渐减小,侵彻深度和孔径逐渐缓慢增加,岩石、混凝土和土3种靶体材料相比,最大侵彻深度增加41%~62%,最大扩孔口径增加16%~25%。     

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。     

12.7mm穿燃弹对半无限厚45钢的侵彻行为

针对刚性卵形短杆弹对半无限厚钢靶的侵彻行为,利用12.7 mm弹道枪进行不同着靶速度下12.7 mm穿燃弹正侵彻45钢的弹道试验,并结合数值模拟对侵彻过程中的弹丸侵彻行为进行分析。结果表明:12.7 mm穿燃弹对45钢的临界开坑速度为75 m/s,在弹速范围内弹芯表现出刚性侵彻行为,不同着靶速度下弹芯的侵彻阻力上升趋势基本一致,当着靶速度大于400 m/s时,在开坑结束后会出现常阻力阶段,直至侵彻结束。同时,制式弹对45钢的侵彻深度与着靶动能呈线性正比关系,通过拟合得到了无量纲侵彻深度与无量纲动能的关系式。     

射流抛光中的流场特性研究

为了给出射流抛光系统的优化设计参数,从理论上分析了冲击射流流场的结构特点,建立了工件壁面上的速度、压强与冲击角度、射流出口速度以及冲击距离的数学关系。就不同参数对射流流场分布的影响进行了定量计算,结果表明,工件壁面上的压强和速度与出口压强和速度成线性正比关系。当冲击距离大于9.6d(d为射流喷口的直径)时,工件壁面压强和速度随冲击距离的增大而减小,冲击距离增加到15d时,壁面压强最大值减小到0.54p0(p0为射流出口处的压强)。工件壁面压强和速度随冲击角度的减小而减小,当入射角为90°、60°和45°时,分别得到壁面压强最大值ps=0.95 p0,0.74p0,0.475p0,上游速度最大值um02=0.96u0,0.8u0,0.67u0(u0为射流出口处的速度)。     

双层楔形装药ERA干扰聚能射流的数值模拟

在现有双层平板装药结构爆炸反应装甲(ERA)的基础上,设计了4种双层楔形装药ERA,利用模拟仿真软件LS-DYNA 3D对其干扰射流的能力进行评估,分别对侵彻过程中平板运动状态、射流头部的速度变化及偏转程度、杵体断裂情况、侵彻靶板的深度及分布等进行分析,以选出最优方案。对比发现:方案3聚能射流速度下降最快,侵彻深度最浅且分布均匀,拥有最好的防护性能;方案4次之;方案1较方案4差些;方案2最差。且方案3和方案4中出现类似于爆炸焊接原理形成的复合飞板层。合理使用楔形装药可以使射流切割更加均匀,增强坦克的防护性能,为以后在装药结构上的探索提供了理论依据。