动能侵彻弹体的质量侵蚀模型分析

通过对高速侵彻弹体的质量侵蚀实验现象进行分析,建立了质量侵蚀的工程理论模型,可对动能侵彻弹体头部侵蚀后的头形和质量侵蚀进行预期. 讨论弹体质量侵蚀的主要影响因素,认为弹体动能(或质量和速度)以及混凝土骨料硬度对弹体的质量侵蚀有显著影响,给出了更一般化的弹体质量侵蚀与撞击函数$I$的关系. 通过图形分析明确弹体的质量侵蚀主要发生于头部,并且侵蚀后的弹头仍接近尖卵形,可以通过头形变化预期弹体的质量损失.      

Modeling on mass abrasion of kinetic energy penetrator

An engineering model on mass abrasion of kinetic energy penetrator is presented to predict the nose shape and mass loss of the residual projectile after high-speed penetration into concrete. The experimental analysis indicates that the kinetic energy of penetrator (i.e., mass and velocity of projectile) and the hardness of aggregate of concrete significantly affect the mass abrasion of projectile. A theoretical upper limit exists for the mass loss. More general relationship between mass loss and impact function I of projectile is constructed. Graphical discussion declares that the most mass loss occurs on the nose of the projectile and the eroding nose approaches to an ogival shape with a smaller value of caliber-radius-head (CRH). A relative rate of mass abrasion on ogive-nose is further defined and analyzed. The mass loss from abrasion on kinetic energy (KE) penetrator may be evaluated through the variation of nose shape.     

混凝土骨料对高速侵彻弹体质量侵蚀的影响分析

高速侵彻时,弹靶之间发生强烈的局部作用,引起弹体头部发生质量侵蚀,从而影响弹体的侵彻性能。在弹体侵彻过程中,混凝土中的骨料对弹体的质量侵蚀有显著影响。本文通过对高速侵彻混凝土弹体的质量侵蚀实验数据进行分析,进一步分析讨论了混凝土骨料对弹体质量侵蚀的影响。将混凝土靶体视为骨料和砂浆基质混合的二相复合材料,引入混凝土骨料的体积分数χ和骨料的剪切强度τ1代替骨料的莫氏硬度H,给出无量纲骨料修正因子β,建立了修正的弹体质量损失工程模型。模型预测结果与现有的实验数据符合得很好,更准确地表征了混凝土骨料对弹体质量损失的影响。     

一种强力钻地弹侵彻混凝土靶研究

设计了一种更为强力的钻地弹-钨镇重钻地弹,以提高钻地弹对硬介质目标的侵彻能力。将特殊设计的钨合金结构作为镇重体填加至钻地弹的壳体内部,以提高钻地弹的整体密度,增大面质量,从而提高了钻地弹的侵彻能力。设计了实验用靶、可分离弹托和尾翼,成功进行钨镇重钻地弹缩比弹侵彻混凝土靶的实验室实验和外场实验,并进行了相同条件下普通钻地弹缩比弹对比侵彻实验。实验结果表明:相对于普通钻地弹,钨镇重钻地弹的侵彻能力有了较大幅度的提高;钨镇重钻地弹的弹体结构强度设计满足侵彻需要,弹体在侵彻过程中能有效生存。采用实验的方法研究了缩比率对钻地弹侵彻深度的影响,对钻地弹侵彻深度相似律进行了修正。根据相似律的研究结果,钻地弹的侵彻深度与缩比率成正比关系,但是,该结论忽略了侵彻过程中靶介质动态强度应变率效应的影响。进行了大量的不同缩比率的实验,并收集了相关的实验数据,分析认为,钻地弹的侵彻深度与缩比率呈1.15次方关系。该结论有助于通过缩比实验结果较为准确的预估原型弹的侵彻能力。     

大质量高速动能弹侵彻钢筋混凝土的实验研究

设计了弹头形状和弹体结构合理的金属侵彻弹体,利用口径为320 mm的平衡炮,采用次口径加载技术,将直径为136 mm、长度为680 mm、质量为52 kg的金属侵彻体加速到1300 m/s,去侵彻尺寸为3 m3 m6 m的钢筋混凝土靶。实验结果表明:次口径弹托与弹丸完全分离,弹体飞行姿态稳定,飞行攻角小于2,弹体侵彻6 厚的钢筋混凝土后剩余速度约为260 m/s。实验后回收的金属弹体结构完整,仅弹体头部存在一定塑性变形,弹体质量损失约1.2%,长度缩短约0.7%,弹靶作用过程的侵蚀现象不明显。     

先进钻地弹高速侵彻实验中质量磨蚀金相分析

开展2组先进钻地缩比弹高速侵彻混凝土实验,侵彻速度在1130~1650m/s之间。针对弹体结 构特点,金相分析了侵彻后剩余弹体,发现弹体与靶接触的表面(包括弹头和壳体段)均存在明显热影响区 (Heataffectedzone,HAZ),而与靶脱离接触部分未发现明显热影响区,因而弹靶相互作用是热影响区产生的 主要原因。在弹尖部位存在少量绝热剪切带(Adiabaticshearingband,ASB),其对弹体质量损失有一定贡献, 但在实验撞击速度范围内其影响有限。ASB可能引起弹尖非对称磨蚀,进而降低弹体侵彻性能。     

旋转对爆炸成型杆式侵彻体毁伤威力的影响

为进一步提高周向多爆炸成型侵彻体战斗部的毁伤效能,结合数值模拟方法,设计了一种爆炸成型杆式侵彻体战斗部。基于复合装药的爆轰加载控制方式,使得药型罩成型为密实的杆式侵彻体,通过调整半预制药型罩的斜置角度,对毁伤元的旋转速度施加控制,进而提高其空中飞行姿态的稳定性,提高毁伤元的毁伤威力。对不同斜置角度的战斗部原理样机进行了静爆实验,实验结果与模拟结果的对比表明,半预制药型罩斜置角度为1.5°时,爆炸成型杆式侵彻体的着靶姿态最好,对45钢靶板侵彻深度最大。通过药型罩斜置,在保证杆式侵彻体成型质量的同时,可以有效提高侵彻体的侵彻威力。     

一种杆式多爆炸成型侵彻体战斗部

为进一步提高周向多爆炸成型侵彻体战斗部的毁伤效能,设计了一种爆炸成型杆式侵彻体战斗部。结合数值模拟方法,对侵彻体的成型过程及飞散效果进行模拟,分析了外衬对侵彻体成型质量的影响,并设计出侵彻体结构密实的杆式MEFP战斗部。制备了有外衬和无外衬两种战斗部原理样机并进行静爆实验。实验结果表明,无外衬战斗部成型侵彻体对3 m处40 mm厚45钢板平均穿深为27 mm,有外衬战斗部成型侵彻体可贯穿3 m处40 mm厚45钢板;侵彻体对靶板的侵彻实验结果与模拟结果一致。通过设计外衬结构,战斗部成型侵彻体的成型质量和侵彻威力都大幅度提高。     

Finite element simulation of penetration into geological targets

The finite element method has been applied to study the projectile penetration process into geological targets. To illustrate the solution procedure, two example problems involving conical nose steel penetrators into sea ice and antelope tuff are presented. Details of the numerical treatment using the computer code PRONTO 2D are given. Good agreements between numerical and experimental results are observed. Although the examples are limited to normal impact problems in which the axis of the penetrator is perpendicular to the target surface and where no angle of attack for the penetrator is allowed, some thoughts regarding ways to deal with nonnormal three-dimensional penetration problems are discussed.     

半穿甲弹设计及穿甲实验研究

为提高半穿甲弹的穿甲能力,设计了一种贫铀半穿甲实验弹。对实验弹的飞行稳定性进行了理论分析及数值模拟,两种方法计算得到的实验弹稳定储备量基本吻合,且能够满足实验弹的飞行稳定性要求。采用100mm滑膛炮,开展了贫铀半穿甲弹侵彻装甲靶板实验。实验结果表明,实验弹飞行稳定,与理论分析及数值模拟结果一致;实验弹在25°倾角下贯穿三层20mm厚GY4装甲钢,且回收到的弹体基本完好。通过对实验后的实验弹和靶板进行分析,认为贫铀半穿甲弹的穿甲能力较强。     

弹体侵彻混凝土的临界跳弹

为了保证钻地战斗部打击防护层目标时不发生跳弹,需要对弹体侵彻目标的临界跳弹角度进行分析和估算。开展了一定大长径比弹体斜侵彻混凝土的跳弹实验,分析了在250~430 m/s速度下弹体侵彻30和60 MPa钢筋混凝土的临界跳弹角度,给出了弹体临界跳弹角度包络线。当靶板强度相同时,随着侵彻速度的增加,弹体的临界跳弹倾角增大,增大的趋势逐渐变缓;在相同侵彻速度下,随着靶板强度的增加,弹体的临界跳弹倾角减小;经验公式分析得到的弹体临界跳弹倾角偏低于实验,但偏差基本在3°以内。     

The erosion transition of tungsten-alloy long rods into aluminum targets

This work extends and refines the phenomenological understanding of ballistic penetration in the vicinity of the erosion-threshold velocity, for the case of hemispherical-nosed tungsten rods striking ductile targets. Analysis, supported by experimentation, indicates a period of noneroding penetration for these configurations, which results from lateral support exerted by the target crater upon the deforming, yet noneroding, penetrator. Experiments indicate that the magnitude of the lateral support, the direct result of an interference fit between rod and crater, must be on the order of the target’s ballistic-penetration resistance, and does not vary with the impact velocity over the range studied. Analysis suggests that the duration of the noneroding portion of the ballistic event is neither governed by a fixed time, nor by a fixed depth of penetration, but rather by a fixed, permissible level of deformation in the penetrator.     

岩土工程下沉贯入数值模拟方法研究进展

岩土工程下沉贯入领域的数值分析,由于结构物贯入时网格变形过大而产生扭曲畸变等问题,常会造成收敛困难甚至计算结果失真.采用合适的数值方法分析此类问题颇具挑战性.本文系统介绍了近年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动态,对各种数值模拟方法的相关原理、主要特征以及优缺点进行简要的探讨.并简要介绍耦合的欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian--Lagrangian,CEL)有限元法的基本原理,通过不排水条件下的条形基础贯入问题和砂土中桩的静压下沉示例分析,表明CEL有限元法在模拟岩土贯入问题时计算结果的准确性和较其他模拟方法的优势.文中所阐述的岩土贯入分析数值模拟方法可供从事岩土贯入分析的相关学者借鉴参考.     

Research on the optimum length–diameter ratio of the charge of a multimode warhead

This paper outlines our research on a multimode warhead in which we adopted center point and annular initiation modes to form multimode penetrators. Using LS-DYNA software, we studied the effect of the configuration parameters, namely the length/diameter ratio of the shaped charge, on the formation parameters, such as the velocity and length/diameter ratio, of multimode penetrators. We found that when the charge length was in the range of 0.9–1.2 times the charge diameter, the same structure of shaped charge can form suitable multimode penetrators. Either an explosively formed penetrator (EFP) or a long stretchy rod-shaped EFP penetrator can be formed. We establish an optimum charge length for penetrator formation of 1.4 times the charge diameter. Simulation results were validated using X-ray imaging experiments and they were in good agreement. The results found that by increasing the charge length from 0.9 to 1.4 times the charge diameter, the penetration depth of the EFP increased by 74.5%, while increasing the charge length from 1.4 to 1.6 times the charge diameter only increased the penetration depth by 1.9%.     

Modeling of perforation of plates and multi-layered metallic targets

The perforation of monolithic and multi-layered thin metallic plates by flat-ended cylindrical penetrator is considered. The most relevant analytical penetration models with their most important assumptions, basic process mechanisms, and key analytical relations for plugging mode of monolithic plates penetration are reviewed. Comparative analysis of computational results and our experimental data show significant compatibility of process basic parameters and also indicates certain limitations of the analytical models. It has been concluded that phenomenological model with deformable penetrator represents the best analytical approximation of penetration process. By modification of this model, the improved penetration model is created, whose results better correspond with experimental data. The improved model is applied to the analysis of perforation of multi-layered targets with spaced layers. Theoretical results for the case of double-layer target are especially analyzed. These results enable the formulation of certain conclusions of considerable practical importance.     

考虑头形磨损变化的动能弹侵彻深度研究

质量损失主要发生在弹体头部,讨论残余弹头形状因子的主要影响因素,给出了更为一般化的残余弹头形状因子与初始撞击速度之间的关系. 假设在整个侵彻过程中弹体头部形状因子及质量保持瞬时速度平方的线性关系,得到了能够考虑弹体头部质量磨损的侵彻深度计算方法. 弹体质量损失将导致其侵彻深度存在上限,该修正模型可以找出达到侵彻深度上限的弹体初始撞击速度.      

一种组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构毁伤的数值模拟及试验研究

为了研究组合药型罩聚能装药战斗部对含水复合结构的毁伤机理,基于LS-DYNA软件的任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合算法,对水下组合药型罩聚能装药战斗部侵彻体的形成以及穿靶过程开展研究,采用数值模拟等比例模型对水下组合药型罩聚能装药战斗部对靶板毁伤进行试验验证。研究结果表明,在偏心亚半球缺罩罩顶设计偏心亚半球形罩能够在侵彻体前端形成细长的杆式射流,可以增加整个侵彻体长度和头部侵彻体速度。在穿水和靶板过程中,利用头部杆式射流形成空腔帮助后续侵彻体低阻随进。对靶板毁伤过程的分析发现,与战斗部直接连接的第1层靶板将会受到侵彻体的高速冲击作用和爆炸波沿水介质传播过来的强冲击波联合作用,而随着水层厚度的增加,沿水中传播的爆炸冲击波强度会被迅速衰减,爆炸冲击波对后续靶板的作用变得不明显,主要为侵彻体的冲击作用。最后利用设计的组合药型罩结构开展了试验验证,对比分析了每层靶板的穿孔尺寸,试验结果与数值计算结果符合较好,最大误差小于15%。     

异型头部弹体增强侵彻性能机理研究

为了了解理想刚性弹丸的高速/超高速动能侵彻中弹体头部形状对侵彻能力的影响,在空腔膨胀理论基础上,基于双卵形异型头部设计,分析了头部形状系数与双卵形特征参数的依赖关系,得到了不同异型头部弹体对侵彻性能的影响规律,提出了具有较小侵彻阻力的异型头部侵彻体设计方案。与不同头部侵彻实验结果对比表明,本文的分析方法合理可行,可为高速侵彻体头部形状设计提供参考。     

薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土实验研究

设计了一种优化结构的薄壁高速侵彻弹体,采用YOUNG方程预估弹体高速侵彻钢筋混凝土的侵彻深度,通过建立三维有限元模型分析并计算了薄壁弹体高速侵彻2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力和结构变形情况。在100mm口径的火炮上,开展了8kg弹体高速侵彻钢筋混凝土靶实验,考核了弹体的结构强度和侵彻能力。结果表明:薄壁弹体高速侵彻钢筋混凝土靶板后结构完整,在1020m/s和1200m/s速度下具备穿透2.4m和2.8m钢筋混凝土靶的能力。     

动能弹侵彻机场跑道的参数敏感性分析

为研究倾角、着速、攻角、靶体材料等因素对动能弹侵彻响应的影响,采用正交试验方法设计了数值试验和4参数3水平的正交表,进行了侵彻过程中的参数敏感性分析。经过对参数的研究,得到了影响动能弹侵彻动力学响应的主要因素。研究表明：着速和倾角对弹体减速度影响较大;影响剩余速度的主要因素是着速、倾角、基层强度;倾角和攻角对弹体的偏转影响较大。