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°。     

撞击姿态对构型弹体非正侵彻多层间隔钢靶弹道特性的影响规律

为深入认识构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的弹道偏转规律，结合数值模拟和理论分析，研究了构型弹体在不同撞击姿态下侵彻多层间隔钢靶的弹道特性，其中引入弹体侧向接触力和侧向偏转力矩等参量，着重分析撞击着角和攻角对弹道特性的影响规律。结果表明：构型弹体非正侵彻过程中，在纵向发生阶梯式速度衰减，但变化较小；同时，由于穿靶过程中受到侧向接触力及其偏转力矩的作用，在侧向产生显著弹道偏转。撞击着角决定弹体所受外载荷的非对称程度，着角越大，弹体偏转越严重；撞击攻角则主要影响弹肩穿靶时的径向速度和弹尾穿靶时的触靶位置，二者共同影响弹道轨迹，因而存在使弹体偏转程度发生转折的临界攻角。相比于侵彻单层靶，构型弹体非正侵彻多层间隔靶板的显著特点为弹道偏转存在累积效应，且侵彻前一靶板的弹道偏转情况显著影响到侵彻后一靶板时的弹靶作用特征，进而导致弹道偏转与弹靶接触力互相耦合。相关研究对预测构型弹体侵彻多层间隔靶板性能、优化弹体构型和撞击姿态等具有较好的指导价值。     

弹体斜侵彻混凝土靶的实验研究及其数值模拟

以弹体斜侵彻混凝土的弹道特性为研究内容,通过侵彻实验与数值模拟得到了不同速度下的侵彻深度、开坑尺寸、偏转角等参数,实验结果与模拟结果吻合较好。研究结果表明:倾角对开坑深度和开坑形状影响很大;倾角越大,对侵彻深度和偏转角的影响越明显,弹体偏转角随着速度的增大呈现减小的趋势;当倾角增至一定角度后发生跳弹现象,据此得到跳弹极限角与倾角、侵彻速度的关系。     

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。     

结构变形对深侵彻弹体偏转的影响

钻地弹是打击地下工事的利器,弹道偏转是降低钻地弹侵彻效率的重要原因之一,弹道偏转的本质原因是弹体偏转,亟需快速且精确地预测多侵彻姿态下弹体的侵深与偏转角度。基于微分面力法,将计及有限大靶所有自由面影响的靶体响应力函数加载在弹体表面,快速模拟了弹体的运动和变形。靶体响应力函数和数值计算模型通过了试验校核。利用刚性弹与可变形弹的运动和变形的对比,剥离并分析了结构变形对弹体偏转的影响。分析显示,结构变形是可变形弹偏转的驱动源之一,其可改变弹体外力矩,并影响弹体瞬时偏转速度。相同条件下,可变形弹偏转角度大于刚性弹。随着弹体长径比减小、着靶速度降低及侵彻斜角增大,刚性弹偏转角度增大;而随着弹体长径比增大、侵彻斜角增大及弹体壁厚减小,可变形弹偏转角度增大。着靶速度对可变形弹偏转角度的影响不单调。当着靶速度不高于800 m/s、侵彻斜角不小于20°时,着靶速度越高、侵彻斜角越大、弹体长径比越大、壁厚越小,则结构变形对弹体偏转的贡献越大。为此,建议选择可变形弹分析非理想侵彻弹体的运动和变形,以提高分析精度与合理性。     

某9 mm手枪弹侵彻MDF的弹道特性

为探究某9 mm手枪弹侵彻木质靶板的弹道特性,以中密度板（medium density fiberboard, MDF）为研究对象进行了弹道侵彻试验,通过减装药和角度可调节靶架获得了不同速度和弹着角下弹头的剩余速度和侵彻深度等关键信息;通过Poncelet阻力模型对试验结果进行了分析,并得出侵彻深度与侵彻速度之间的关系式;建立了手枪弹侵彻MDF的数值计算模型,对不同速度和不同弹着角的弹头偏转行为进行了研究,并得到了临界跳飞角度与着靶速度之间的函数关系。结果表明,弹头正侵彻25 mm厚度的MDF时,能量损失量与入射速度具有线性相关性;弹头侵入MDF时均会产生负方向偏转,弹头速度降低或者弹着角减小均会使负方向偏转角度增大,当弹头低速穿透MDF或者弹着角小于45°时,弹头侵彻MDF过程中会产生较大角度偏转,在射出MDF时出现弹道转正现象。     

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。     

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72～0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。     

基于细观混凝土模型的刚性弹体正侵彻弹道偏转分析

为研究混凝土细观因素对刚性弹正侵彻弹道偏转的影响,基于骨料随机投放的思路建立混凝土三维细观几何模型,分析刚性弹正侵彻过程中发生弹道偏转的原因及可能影响因素,定量讨论混凝土细观因素对弹道偏转的影响。结果表明:混凝土细观数值模型可以较好地反映弹体正侵彻过程中弹道偏转等典型物理现象,且细观参数对于弹体弹道偏转有显著影响。刚性弹正侵彻细观混凝土时,存在一个弹体直径/骨料最大粒径比的特征比值。     

钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的研究

为研究钨球对防弹衣加人体等效靶的侵彻性能,利用12.7 mm弹道枪对钨球侵彻三级软体防弹衣加25 mm厚红松靶开展了实验研究;在此基础上,利用LS-DYNA3D软件对侵彻过程及破坏机理进行了分析,并研究了钨球质量变化对弹道极限及靶板能量吸收的影响;依据量纲分析建立了钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的穿靶能量公式,推导了钨球的弹道极限公式。研究结果表明:0.17、0.21、0.44 g的小钨球侵彻防弹衣加红松木复合靶的弹道极限分别为742.3、692.9、570.1 m/s;侵彻过程中,防弹衣以基体开裂、纤维断裂和拉伸分层破坏为主,纤维层面内出现类似“十”字型的损伤,松木靶以剪切和冲塞剥落破坏为主;随着钨球质量的增加,弹道极限呈幂函数形式降低,靶板的能量吸收率逐渐降低;钨球穿靶能量公式及弹道极限公式的计算结果与实验结果吻合良好,可分别用于计算不同侵彻速度下的穿靶能量和不同质量钨球的弹道极限。     

Penetration of sandwich plates with hybrid-cores under oblique ballistic impact

The oblique penetration performance of lightweight hybrid-cored sandwich plates are investigated numerically. To compose the hybrid-core, ceramic prisms are inserted into pyramidal metal lattice trusses and fixed using epoxy resin. Three-dimensional finite element simulations are carried out for the hybridcored sandwich impacted at 15°, 30°, 45°, and 60° obliquity by a hemispherical projectile. The ballistic limit, the energy absorbed by the constituting elements, and the critical oblique angle are quantified. The physical mechanisms underlying the failure and the influence of fundamental system parameters are explored. The angle of obliquity is found to have significant influence on the ballistic trajectory and erosion of the projectile, thus it is important for the impact response and penetration resistance of the sandwich. For oblique angles equal to or larger than 45°, the projectile moves mainly horizontally and can not effectively penetrate across the sandwich.     

3D numerical simulations of ductile targets subjected to oblique impact by sharp nosed projectiles

Three-dimensional numerical simulations have been performed to study the behaviour of ductile targets subjected to normal and oblique impact by sharp nosed cylindrical projectiles. Twelve-mm-thick Weldox 460 E steel targets were impacted by 20 mm diameter projectiles with conical nose and 1-mm-thick 1100-H12 aluminum targets were impacted by 19 mm diameter ogive nosed projectiles. In both the cases, the targets were impacted at 0°, 15°, 30°, 45° and 60° obliquity or until the ricochet of the projectile occurred. The ballistic limit of 12 mm steel targets was found to be almost same up to 30° obliquity and thereafter it increased sharply. However, in the case of 1 mm aluminum targets a consistent increase in the ballistic limit was observed with increase in obliquity. The critical angle of projectile ricochet was found to increase with increase in impact velocity. Both the targets failed through ductile hole enlargement. Petal formation occurred in the aluminum targets and four petals were generally formed in each plate, however, the size of the upper two petals decreased and that of the lower two petals increased with increase in target obliquity. In the case of the steel targets the perforation occurred through the formation of a hole enclosed by a bulge. Both the bulge and the hole were circular in normal impact and elliptical in oblique impact. Petal formation in steel targets was observed at 60° obliquity. The ABAQUS/explicit finite element code was used to carry out numerical simulations.     

钨球对高硬度钢斜侵彻效应

为研究高硬度钢板抗不同着角钨球的侵彻性能及破坏模式,通过弹道枪进行了?8 mm、?11 mm钨合金球形破片以0°、20°、40°着角撞击厚度为6 mm、8 mm的高硬度钢板试验,得到了极限贯穿速度v₅₀;分析了钨球轴向径向变形及靶板失效模式与撞击速度的关系,发现高硬度钢板失效模式主要为压缩开坑破坏和沿厚度方向剪切破坏。采用有限元方法对试验进行了模拟,验证了数值模型及参数的合理性,并运用数值模拟方法研究了撞击着角对靶板吸能模式影响,结合试验数据,修正已有极限贯穿速度计算公式。结果表明:随侵彻着角增大,极限贯穿速度提高,且着角越大,极限贯穿速度增长越快;随着角增大,靶板吸能模式逐渐由压缩开坑向剪切冲塞过渡,且着角大于50°时,剪切冲塞耗能将超过压缩开坑耗能;修正后极限贯穿速度计算公式适用范围更广、精度更高,具有较好工程应用价值。     

细长尖头刚性弹对金属靶板的斜侵彻/穿甲分析

给出细长尖头刚性弹（如尖卵、尖锥形）斜侵彻/穿甲金属靶的一个分析模型。在细长尖头弹对中厚度金属靶的斜穿甲中,韧性孔洞扩张为主要的穿甲机理;着靶初期,发生方向角的改变。研究表明,金属靶的斜穿甲仅由4个量纲一参数控制,即冲击函数I、弹体几何函数N、量纲一靶厚和撞击斜角。分析得到显式的侵彻深度、终点弹道极限、剩余速度和撞击方向改变角表达式。该模型可预期跳飞发生的临界条件。理论预期与实验结果吻合较好。     

动能深侵彻弹的力学设计(I): 侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上，进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围，可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力，分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶，分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限，并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

动能深侵彻弹的力学设计(I):侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上,进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围,可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力,分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶,分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限,并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

Kevlar层合板动静态侵彻贯穿特性的实验研究

本文以Kevlar/环氧树脂层合材料为对象,通过动静态侵彻实验,研究层合板的抗贯穿特性。利用MTS810材料试验机进行准静态侵彻实验,根据测得的加载载荷-位移曲线及靶板的破坏模式,分析了靶板的准静态侵彻行为。实验指出,准静态侵彻时层合板的整体弯曲变形是其主要吸能模式,织物铺层板的吸能量要高于无编织铺层板,表现出更好的抗侵彻性。采用7.62mm口径滑膛枪开展了初速为200～700m/s的弹道冲击实验,讨论了不同弹形弹丸侵彻靶板的效果以及不同铺设方式靶板的抗弹性能和破坏模式。通过与准静态侵彻实验结果的对比,发现靶板的抗侵彻性能和破坏模式与侵彻速度有明显关系。动态侵彻时层合板的破坏局域化,破坏模式多样化。弹形对侵彻效果的影响主要体现于接近弹道极限的低速段。     

尖锥头长杆弹侵彻的界面击溃分析

在Alekseevski-Tate模型基础上, 理论分析了尖锥头长杆弹的界面击溃过程, 分别给出在锥头侵蚀阶段和弹身侵蚀阶段的弹体速度下降及质量侵蚀计算公式; 随后分析弹体的动能损失, 讨论半锥角对弹体动能损失的影响. 通过分析小子弹撞击陶瓷/金属复合靶板的例子, 验证了该理论的正确性, 并对比分析了尖锥头长杆弹与小子弹及平头长杆弹在界面击溃中动能损失之间的差异.