钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

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。     

长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展,长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律,本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据,对开坑直径和开坑体积进行量纲分析,基于开坑截面的弓形形貌几何关系,得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸,在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段;弹体发生严重的长度缩短,直至最后完全侵蚀,弹洞半径明显大于弹体半径,说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外,在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数;侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大,受弹体强度影响不大。     

钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度研究

为探索钨合金柱形弹超高速撞击水泥砂浆靶的侵彻深度随撞击速度变化规律,利用二级轻气炮开展了?3.45 mm×10.5 mm的克级93 W钨合金柱形弹以1.82~3.66 km/s的速度撞击水泥砂浆靶的实验,利用CT图像诊断技术获得了侵彻深度和残余弹长随撞击速度的变化规律,对超高速撞击过程进行了数值模拟,结合数值模拟结果进一步分析了超高速撞击物理过程。结果表明:(1)超高速撞击条件下成坑是弹坑+弹洞型;(2)侵深-速度曲线呈现先增大后减小的现象,在弹速2.6 km/s附近存在侵彻深度极大值,约为8.5倍弹长,相对于中低速侵彻的深度并没有显著优势。(3)通过基于数值模拟得到的弹靶界面压力时程曲线将侵彻过程分为4个阶段,其中准定常侵彻阶段和第三侵彻阶段是决定总侵深的主要阶段。(4)随撞击速度增加,弹体侵蚀逐渐剧烈,此时准定常侵彻阶段的侵深变化不大,而第三侵彻阶段中的刚体侵彻部分大幅降低,导致总侵深大幅降低,使总侵深曲线呈现先增大后减小的现象。     

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

不同速度段弹体侵彻岩石靶体的理论分析

随着撞击速度的增加,弹体对岩石类靶体的侵彻机制会发生显著变化,由刚体侵彻逐步转变为半流体侵彻和流体侵彻,3种侵彻机制各自适用的理论模型完全不同。在半流体侵彻阶段,弹体质量损失开始显著增加,造成侵彻效率严重下降,侵彻深度随撞击速度的增加急剧减小。基于提出的弹体质量与速度的理论模型以及弹体刚体段的侵彻阻抗,推导出考虑弹体质量损失的半流体侵彻深度计算公式。对于超高速撞击时的流体动力学侵彻段,通过对流体区和刚性区进行假定,建立动量守恒和伯努利方程,推导给出该阶段弹体的侵彻阻抗,结合弹体质量变化方程推导出侵彻深度的表达式。最后将3个阶段的理论计算结果与花岗岩侵彻试验数据进行了对比验证,侵深和弹体质量变化规律均吻合良好,而且各阶段模型计算结果反映出的侵彻变化规律与实验结果完全一致。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.     

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.      

刚性平头弹正侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型

本文基于素混凝土侵彻理论,将钢筋混凝土中钢筋的失效模式简化为弯曲剪切失效后,建立了刚性平头弹侵彻钢筋混凝土靶的阻力模型,侵彻深度的计算结果与Young公式吻合良好,表明本文提出的理论模型可较为合理地预测侵彻深度。进一步分析了不同着靶点的位置对弹体侵彻的影响,结果表明:当弹体直径与钢筋网眼尺寸的比值小于1时,弹体撞击到网眼中心处侵彻深度最大;当弹体直径与网眼尺寸的比值大于1时,最不利着靶点位置视其比值而定。最后,基于防护角度的最不利工况,建立了侵彻深度的工程计算公式。     

弹体侵彻厚混凝土靶迎弹面成坑效应

为研究弹体侵彻厚混凝土靶的迎弹面成坑效应，总结了侵彻实验中的成坑现象，分析了经验公式对成坑深度、成坑直径和成坑角等成坑效应的预测效果；考虑了撞击速度、靶板强度、配筋以及弹体直径和质量等因素的影响，采用量纲分析方法建立了新型成坑效应计算公式及成坑阶段耗能计算公式；基于新型成坑效应计算公式，对成坑效应的影响因素和成坑耗能进行了参数化分析。结果表明:无量纲成坑深度受靶板强度、配筋率和弹体质量的影响较大；对于钢筋混凝土，成坑深度随撞击速度提升呈先增大后减小再增大的变化规律；在常见的侵彻速度和质量范围内，成坑角为15°～24°，质量对成坑角影响较小；迎弹面成坑耗能占弹体总动能的10%～25%，且配筋率和靶板强度对成坑耗能比例的影响较小；弹体质量越小，成坑阶段耗能占比越大。新型成坑效应计算公式对成坑深度、直径和角度的计算结果与实验数据吻合较好，可为侵彻弹体设计和工程防护提供参考。     

A constitutive-microdamage model to simulate hypervelocity projectile-target impact,material damage and fracture

A set of constitutive-microdamage equations are presented that can model shock compression and the microdamage and fracture that can evolve following hypervelocity impact. The equations are appropriate for polycrystalline metals. For impact at a projectile velocity of 6.0 km/s, numerical simulations are preformed that describe the impact of spherical soda-lime glass projectiles with aluminum 1100 rectangular target plates. Three ratios of the projectile diameter to the target thickness are chosen for the simulations, providing a wide range of damage features. The simulated impact damage is compared with experimental damage of corresponding test specimens, illustrating the capability of the model.     

SIMILARITY LAWS AND SCALING OF PENETRATION TESTS

利用球形空腔膨胀理论的响应函数对靶板在弹体撞击下的侵彻进行分析，并基于量纲理论建立了侵彻相似律的一般形式.通过对侵彻混凝土靶的已有实验数据进行分析，得到了不同缩比因子下，无量纲侵彻深度曲线随侵彻速度不同而发生偏转和偏移.考虑到材料的应变率效应和损伤演化，认为几何相似律对混凝土等脆性材料在抗侵彻时不成立，有必要引入材料应变率效应和损伤演化对几何相似律的修正.     

岩石的动态压缩行为与超高速动能弹毁伤效应计算

目前正在研制的超高速动能武器对地打击速度达(5~15)马赫左右, 具有侵彻机理独特, 毁伤效应倍增的特点, 现有理论难以准确描述。本文系统总结了侵爆近区岩石介质的动态可压缩性行为, 发现(5~15)马赫超高速弹侵彻近区岩石介质介于流体和固体弹塑性之间的内摩擦侧限压力状态, 创新提出流体弹塑性内摩擦侵彻理论模型, 填补了低应力弹塑区到高应力流体区之间的应力状态表征空区, 首次获得随弹体侵速变化的弹靶相互作用全过程阻抗演变公式, 界定了钻地弹固体侵彻、拟流体侵彻和流体侵彻的最小动能阈值, 系统提出了超高速动能弹打击侵深、成坑及地冲击安全厚度的计算方法。通过弹体侵速1 100~4 200 m/s的(超)高速侵彻实验, 验证了理论计算公式的准确性。     

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。     

A simplified approximate model of compressible hypervelocity penetration

A simplified approximate model considering rod/target material’s compressibility is proposed for hypervelocity penetration. We study the effect of shockwaves on hypervelocity penetration whenever the compressibility of the rod is much larger, analogously, and much less than that of the target, respectively. The results show that the effect of shockwaves is insignificant up to 12 km/s, so the shockwave is neglected in the present approximate model. The Murnaghan equation of state is adopted to simulate the material behaviors in penetration and its validity is proved. The approximate model is finally reduced to an equation depending only on the penetration velocity and a simple approximate solution is achieved. The solution of the approximate model is in agreement with the result of the complete compressible model. In addition, the effect of shockwaves on hypervelocity penetration is shown to weaken material’s compressibility and reduce the interface pressure of the rod/target, and thus the striking/protective performance of the rod/target is weakened, respectively. We also conduct an error analysis of the interface pressure and penetration efficiency. With a velocity change of 1.6 times the initial sound speed for the rod or target, the error of the approximate model is very small. For metallic rod–target combinations, the approximate model is applicable even at an impact velocity of 12 km/s.     

Experimental testing of the fracture of concrete and reinforced concrete plates under impact

This paper describes the results of experimental studies on penetration of cylindrical projectiles into concrete and reinforced concrete at impact velocities reaching 0.5 km/s. An algorithm is proposed for calculating the depth of penetration of a projectile, making it possible to find the depth of penetration of high-strength steel projectiles with a mass of up to 13.5 kg into concrete on the basis of measurements of the specific work required to remove concrete using projectiles with a mass of up to 8 g.     

弹体高速侵彻效率的实验和量纲分析

为了研究高速侵彻时弹体撞击速度、材料强度等对质量侵蚀特性和侵彻效率的影响规律,开展了不同材料强度和长径比的弹体高速侵彻半无限厚素混凝土靶实验,弹体撞击速度为880~1 900 m/s,弹头形状为尖卵型(半径口径比为3),口径为30 mm。由实验发现:弹体撞击速度对侵彻效率的影响呈抛物线分布,最大侵彻效率时的弹体特征撞击速度约1 400 m/s;高速侵彻时弹体的质量侵蚀主要发生在卵形头部,弹身及尾部损伤极少;速度超过特征撞击速度时,弹体侵蚀严重,甚至弯曲变形或解体;弹体强度提高至约2倍时,质量侵蚀率降低约80%。基于实验,利用量纲分析原则建立了量纲一侵彻效率和量纲一弹体撞击速度的函数关系式,可估算出最大侵彻效率对应的弹体撞靶速度,为高速侵彻效应模拟实验提供理论指导。     

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.     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。