椭圆截面弹体侵彻性能的影响因素分析

为研究截面形状和头部曲径比对椭圆截面弹体侵彻性能的影响,开展了圆锥和椭圆锥压头的静态压痕试验,获得了不同截面压头缓慢贯入材料时的力-位移曲线。随后,基于30 mm弹道炮平台,开展了3种不同椭圆截面弹体在400～800 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12厚铝靶试验,获得了靶体的破坏形貌及弹体侵彻深度。基于空腔膨胀模型及阻力函数修正系数,建立了椭圆截面弹体侵彻金属厚靶侵彻动力学模型,结合试验结果验证了模型的有效性,并系统分析了弹体截面形状和头部曲径比对侵彻性能的影响。研究结果表明,与圆锥压头相比,具有相同截面面积的椭圆锥压头贯入材料时阻力更大,当压头的截面长短轴比从1.00增大至2.00时,贯入阻力增大10.1%。当弹体截面面积相当,且各横截面保持长短轴比不变时,椭圆截面弹体的长短轴比越大,其侵彻性能越差;椭圆截面弹体侵彻性能随着截面长短轴比的增大和头部曲径比的减小而降低。     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度,根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征,认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法,计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系,得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度;随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大,靶板的弹道极限速度近似线性增大;长短轴之比小于3时,加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

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°。     

椭圆截面弹体侵彻砂浆靶规律分析

为研究椭圆截面弹体侵彻混凝土靶规律,基于动态球形空腔膨胀理论,建立椭圆截面弹体侵彻受力模型,计算典型椭圆截面弹体阻力规律和侵彻砂浆靶深度。在此基础上,采用弹道炮发射平台,开展相同质量和长度的2种典型椭圆截面弹体及圆截面弹体垂直侵彻半无限砂浆靶实验。结果表明:理论模型能够反映椭圆截面弹体受力情况,并与实验研究结果吻合较好;椭圆截面弹体长短轴参数的改变对侵彻性能影响较为显著。     

锥头刚性钨弹贯穿铝合金靶理论模型与应用

利用柱腔膨胀理论,提出了带有圆锥形头部的刚性杆式钨弹侵彻和贯穿薄铝靶板的理论模型.该模型考虑了弹靶之间的摩擦效应的影响.推导获得了弹体撞击并侵彻和贯穿靶体全过程中的弹体速度和弹体贯穿靶体时的剩余速度解析表达式,给出了弹体的速度时程曲线.通过比较理论与基于MSC.DYTRAN软件的有限元数值结果,验证了理论模型的适用性.基于理论模型的结果表明,弹体锥头长度越大,弹体剩余速度越高.弹体越细,其贯穿靶威力越大.弹靶之间的摩擦将降低弹体的剩余速度.计算也进一步表明,考虑摩擦的影响,弹锥头长度存在对应于获得最大剩余速度的某一最佳值.     

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。     

卵形头部刚性弹侵彻厚靶的半解析模型

基于确定靶体中速度势和速度场的方法分析刚性卵形头部弹体对有限厚靶的侵彻问题。推导了靶体中速度场与应力场的计算方法,利用据此编制的计算程序,计算了卵形头部钢弹体对铝靶的侵彻与穿透问题,给出了侵彻深度与剩余速度同初始碰撞速度的关系。结果表明,在对实验参数不经过任何调整的情况下,得到了同试验曲线相吻合的结果。可以看出该方法的有效性。     

PELE贯穿薄靶后外壳破片径向速度计算方法与影响因素分析

基于横向效应增强型弹丸(PELE)侵彻金属薄靶板过程分析,将弹体前端在撞击作用下的变形过程分解为轴向一维压缩和径向自由膨胀两个变形阶段;依据冲击波理论,给出了弹体前端的冲击波压缩势能,由功能转化原理,给出了PELE前端外壳在靶后形成破片的最大径向飞散速度计算公式。计算结果在多种工况下均与文献的实验结果较为一致。计算结果表明:PELE靶后外壳破片的最大径向飞散速度与外壳和内芯材料的体积模量和泊松比有关,且随二者的增大而增大;PELE外壳破片的最大径向飞散速度是壳体和内芯在冲击波压缩作用下共同径向膨胀的结果,且外壳膨胀能在弹体整体膨胀能中所占比例较大,计算中应当同时考虑弹体外壳和内芯材料的横向膨胀效应对弹体破片径向飞散速度的影响。     

头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验与理论模型

在综合考虑弹体结构稳定性及截面比动能的前提下, 提出一种介于尖卵形弹体及尖锥形弹体间的头部对称刻槽弹体, 以期达到提高侵彻深度的目的。以尖卵形弹体侵彻深度为基准, 开展头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验。在此基础上, 推导得到可描述头部对称刻槽弹体侵彻2A12铝合金靶过程的局部相互作用模型。同时, 结合头部对称刻槽弹体侵彻后靶体破坏现象, 提出适用于头部对称刻槽弹体的靶体响应力, 进而确立头部对称刻槽弹体的侵彻深度模型。实验结果与理论计算表明, 头部对称刻槽弹体具有相对于尖卵形弹体更好的侵彻能力。头部对称刻槽弹体侵彻深度提高的原因是弹体头部结构截面比动能增加及其侵彻过程中的靶体弱化效应, 其中弱化效应是侵彻深度提高的主控因素。     

着靶速度对刚玉块石混凝土抗侵彻性能的影响

着重对不同着靶速度下,弹体在刚玉块石混凝土中的侵彻情况进行了试验。研究结果表明,弹体的侵彻深度不随靶速度的提高而增加。这与弹体在普通混凝土和岩石中的侵彻现象明显不同,主要是由侵彻弹体发生破坏失去了继续侵彻能力造成的。而且,与普通混凝土或岩石相比,着靶速度越高,刚玉块石混凝土的抗侵彻性能越强。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应

针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。     

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。     

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。     

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.     

On the deep penetration and plate perforation by rigid projectiles

We present results of a large number of 2D numerical simulations in which we investigated various aspects in the deep penetration of rigid short projectiles into semi-infinite targets, as well as their perforation through thin metallic plates. In particular, we analyze the effect of the entrance phase on the penetration characteristics of short ogive and spherical nosed projectiles. The second issue which we investigate here concerns the perforation of metallic plates by sharp nosed projectiles. Our simulation results show that a simple model, which is based on energy conservation, accounts for the residual velocities when the target is penetrated by the ductile hole enlargement process. In addition, we define a new concept, the effective resisting stress which the plate exerts on the projectile during perforation. We show that it has some valuable insights for the process of perforation and we perform a parametric study to understand its dependence on various parameters. This effective stress, which determines the ballistic limit velocity of the projectile, depends on the strength of the plate, as well as on its thickness, as we show here.     

动能深侵彻弹的力学设计(III):缩比实验分析

开展了25 mm火炮小尺寸缩比弹的正/斜侵彻实验。给出了实验方法、建议弹型和混凝土靶的设计。在620～820 m/s实验速度范围内,缩比弹结构保持完整。结合动能深侵彻弹的力学设计理论和笔者先前的理论工作,对正/斜侵彻的实验结果作进一步的总结,包括着靶姿态、靶体终点效应以及弹体结构变形。