爆炸反应装甲防护包络的数值仿真

为了得到爆炸反应装甲的防护包络(即爆炸反应装甲与射流的接触面上不同弹着点处的抗弹性能),应用三维有限元分析软件LS-DYNA,对弹着点处于不同位置时反应装甲的抗弹性能进行数值仿真,并开展对比实验。结果表明,仿真结果与实验结果吻合较好。不同弹着点处的抗弹性能存在较大差异,抗弹性能最优区并非反应装甲的对称中心或其附近区域,而是距反应装甲底端22.7倍及46.9倍射流直径处;反应装甲的有效抗弹区域约占65.8%,有效抗弹区内的抗弹性能较边界区提高约37.5%,反应装甲下部的防护效能较上部好。     

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。     

双层楔形飞板爆炸反应装甲干扰聚能射流的数值模拟

为得到干扰聚能射流能力更好的爆炸反应装甲,在经典爆炸反应装甲的基础上,设计了一种双层楔形飞板爆炸反应装甲。利用ANSYS/LSDYNA-3D仿真软件对3种不同方案进行了模拟计算,分别对各方案中飞板飞行形态、逃逸射流特性、射流的动能变化以及聚能射流对靶板的侵彻深度进行了分析。结果表明:夹层炸药引爆后,楔形飞板在向外飞出的同时具有一定的旋转特征,合理的摆放结构能够增大飞板与射流的作用面积;聚能射流在穿过反应装甲后,动能急剧下降,穿深能力降低,方案二聚能射流侵彻深度最浅,方案三次之,方案一最深,表明方案二具有良好的防护效果。对楔形飞板的研究丰富了爆炸反应装甲的结构设计,为反应装甲的进一步研究提供了理论参考。     

多三明治结构反应装甲干扰射流的数值模拟

为了进一步提升反应装甲的防护能力,设计了一种新型多三明治结构反应装甲,并得出5种不同尺寸的反应装甲。第1种尺寸的反应装甲在传统反应装甲的中间部位加一层钢板,第2至第5种尺寸的反应装甲在第1种尺寸的基础上进行设计,但反应装甲总厚度均与传统反应装甲相同。采用ANSYS-LSDYNA软件进行数值模拟,与传统结构反应装甲就射流断裂时刻、射流刚接触后效靶板时刻、射流失去干扰时刻以及最终对后效靶板的侵彻结果进行了对比。为了更加直观地反映新结构反应装甲对射流干扰的强度,将5种反应装甲与传统双层反应装甲进行侵彻数据对比。模拟结果表明:A型反应装甲头部射流偏转距离最长;新结构反应装甲对射流的干扰时间均比传统反应装甲长,其中E型反应装甲对射流的干扰时间最长,A型反应装甲防护效果最好;在与传统反应装甲厚度相同的情况下,D型反应装甲的防护效果最好。选用A型、D型和F型反应装甲来做验证实验,结果表明数值模拟结果可靠。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于FEM/SPH算法弹丸侵彻多孔陶瓷板的数值模拟

基于军用人员运输和弹药运输车辆对小型动能弹的防护需求,多孔板作为新型防护装甲可以在保证防护作用的前提下实现装甲防护轻量化。关于陶瓷多孔板的装甲防护性能研究较少。基于LS-DYNA 3D软件,应用FEM/SPH耦合算法对弹丸侵彻不同形状(三角形、圆形、正方形)孔结构的AD95陶瓷多孔板进行了数值模拟。通过计算得出不同形状多孔板的相对防护系数,比较弹丸的剩余速度及动能,可以优选出防护性能最佳、质量更轻的多孔板。研究发现,圆孔板抗弹性能最优,并且FEM/SPH耦合算法能形象地模拟陶瓷的开裂、飞溅现象,与实际情况吻合更好。     

多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用

基于爆炸式反应装甲与聚能射流的作用机理,致力于设计出对聚能射流干扰能力更强的新型结构的反应装甲,即多层变角度反应装甲。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用数值模拟的方法分析了不同结构的反应装甲对聚能射流的干扰作用,对比了不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用,以聚能射流在后效板上留下的侵彻痕迹的尺寸为判定不同夹角的多层变角度反应装甲对聚能射流干扰作用的依据。对比分析结果表明:多层变角度反应装甲对聚能射流的干扰作用明显优于V形反应装甲,多层变角度反应装甲中平板装药之间的夹角α=22°时最有利于提高其对聚能射流的干扰能力。     

主动电磁装甲的物理原理

 目前用于攻击坦克和装甲车辆的主要武器为动能弹和破甲弹。动能弹以其高速发射过程中所获取的巨大动能,在甲板很小区域内快速释放,以达到穿透保护甲的目的,也叫做穿甲弹。破甲弹是以高速金属射流侵彻装甲,以达到毁伤防护装甲的目的。随着穿甲弹、破甲弹穿透能力的不断增强,仅仅通过增加装甲的厚度来提高其防护性是不现实的。其一,装甲厚度的增加势必造成战车体积和重量上的增大,从而减少了车辆的机动性和灵活性。其二,目前动能弹初速已大于1800ｍ/ｓ和穿甲能量大于9ＭＪ,如此强大的威力,传统的装甲难以防护。电磁装甲是一种新概念装甲防护,它可使得大多数威胁在危及目标之前就失去作用。     

装甲结构对被动电磁装甲防护射流性能的影响

为了实现被动电磁装甲对射流产生更加充分的破坏作用,减小装甲结构设计对射流参数的依赖性,提出了多层板结构被动电磁装甲。通过对多层板装甲等效电路的分析可知,在射流电阻占系统电阻主导的情况下,随着装甲板层数的增加,通过射流和装甲板的脉冲电流将大大提高。同时对多层装甲板电感计算可知,多层装甲板能够有效减小系统电感。通过对射流在多层装甲板间运动规律的分析,建立了脉冲电流对射流作用的数学模型,通过数值计算可知多层装甲板结构能有效减小射流头部和尾部的有效侵彻长度,并增加脉冲电流对射流的作用时间。     

非球形水下爆炸气泡坍塌机制

 为研究非球形水下爆炸气泡的坍塌机制和射流特性,采用水下爆炸实验和数值模拟相结合的手段,研究了典型的柱形装药自由场水下爆炸气泡的运动过程。实验结果与数值模拟结果符合较好,通过对比发现,非球形水下爆炸气泡坍塌所形成的射流与球形气泡坍塌射流的行为存在差异。研究结果表明：非球形气泡的坍塌过程与气泡初始形态的局部曲率半径有关,初始气泡表面曲率半径大的区域的初始膨胀速度较曲率半径小的区域的小,坍塌时刻也较早,导致气泡产生非球形坍塌。     

基于贫铀合金药型罩的聚能弹破甲后效实验研究

为研究贫铀合金应用于聚能药型罩的破甲后效特性,基于贫铀-铌合金药型罩,开展了聚能弹破甲后效实验。实验结果表明,贫铀合金药型罩形成的射流在穿透钢棒后,能形成一个高温、高速且具有一定发散能力的燃烧颗粒束,具有较强的纵火能力。贫铀合金药型罩形成的射流在穿透密闭装甲目标后,目标内部压力无明显变化,正对射流方向位置在0.2s内产生了约15℃的温升,最终靶箱整体温度升高2.5℃。     

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟北大核心CSCD

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。     

基于SPH的分层钢板抗半球头弹侵彻的数值模拟

随着高强度、高抗冲击特性钢结构在防护装甲、武器库防护门等军事领域得到广泛应用,钢结构的抗冲击性能成为研究的重点和热点。采用光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)对半球头弹撞击多层钢板的过程进行了数值模拟,并与实验对比,分析了半球头弹撞击后钢板的失效形式,得到了撞击点处钢板盘式隆起、蝶形破坏等过程,得到了钢板的von Mises应力分布以及半球头弹的剩余速度,验证了SPH方法在模拟钢板侵彻变形问题上的有效性。通过数值模拟,研究了钢体层数、钢体厚度对其抗侵彻特性的影响,研究表明:3mm时单层钢板比多层钢板的防护能力强,9mm时多层钢板比单层钢板的防护能力强,12mm时多层钢板和单层钢板的防护能力相当。     

黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测

激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.     

气冷涡轮环形叶栅三维流场的实验与数值研究

采用4种不同的湍流模型对叶片表面带小孔射流的环形涡轮叶栅内部流场进行数值计算,并与热线实验测量结果进行了对比.结果表明,由于射流尾迹的影响,在射流附近靠近壁面处产生二次流,二次流随着射流下游距离的增大逐渐减弱.比较不同湍流模型的计算结果发现,采用κ-ε模型在射流尾迹区域和与主流掺混区域的计算结果与实验吻合较好,B-L模型在近壁面的速度计算结果偏大,其对尾迹区域二次流的捕捉也较差.     

多层平行平板装药的间距对聚能射流的干扰影响

基于平板装药与聚能射流的作用原理和应对大口径带隔板侵彻能力更强的聚能装药的需求,通过理论分析和数值模拟的方法,对比研究了单层平板装药、双层平行平板装药和多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力,发现随着平板装药层数的增加,多层平行平板装药对聚能射流的干扰能力增强。平板装药之间的距离不仅决定了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果,而且决定了反应装甲的尺寸。采用ANSYS/LS-DYNA3D软件再现平板装药与聚能射流的相互作用的过程,综合对比某一时刻聚能射流的剩余速度、剩余动能、后效,优选出最佳的平板装药之间的距离δ=25mm时,不仅保证了多层平行平板装药对聚能射流的干扰效果而且能有效控制反应装甲的尺寸和重量,可为后期新型反应装甲的研制提供参考。     

基于CFD的射流抛光喷射距离的分析和优化

分析了喷射距离对射流抛光效果的影响,基于计算流体动力学进行了喷射距离的分析和优化.通过构建射流抛光不同喷射距离的物理模型,采用能更好地处理流线弯曲程度较大的流动的RNG k-ε紊流模型应用于射流抛光的数学建模,使用SIMPLEC算法对射流模型进行数值计算,得到了不同模型的射流抛光冲击射流流场及工件壁面上的冲击压力、紊动强度、壁流速度分布.根据射流抛光对冲击射流特性的要求,比较和分析不同喷距模型的数值仿真结果,结果显示,射流抛光最优化喷距范围为喷嘴口径的10倍至12倍之间.