基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

超空泡射弹水下侵彻靶板三相耦合数值模拟

超空泡射弹侵彻问题的实质是特殊水下结构受到高速冲击载荷作用下的动态响应。对12.7 mm口径超空泡射弹侵彻典型水下目标壳体的毁伤效果开展研究,基于LS-DYNA有限元分析软件建立水环境中超空泡射弹垂直侵彻曲面靶板的等效模型,探讨射弹侵彻过程中动能侵彻和气泡溃灭对靶板联合毁伤效果,获得了靶板在各阶段的应力变化和结构变形规律。结果表明:侵彻靶板前,射弹着靶速度为200 m/s时的头部表面水介质压力峰值达768 N,靶板表面有明显下凹变形;侵彻靶板时,伴随着射弹动能侵彻和气泡溃灭冲击,水介质造成的影响不足动能侵彻的2%;侵彻靶板后,在靶板正面形成峰值速度为42 m/s的水射流进一步作用于破口;靶板整体弯曲变形,在200~300 m/s范围内,随着射弹着靶速度的增加,靶板弯曲形变量减小;靶板局部发生延性穿孔,射弹在水环境中具有更好的破口效果,射弹速度变化对破口尺寸影响不大。     

伸出式侵彻体攻角侵彻靶板的数值模拟研究

 利用LS-DYNA3D软件,对有攻角条件下伸出式侵彻体侵彻单层靶板及等厚度双层间隔靶板进行了数值模拟研究,从靶后动能和靶板破坏程度的角度对比了伸出体与同质量、同外径的基准杆侵彻单/双层靶板的能力。得出了侵彻体动能随时间变化的规律,分析了侵彻过程中攻角、速度及靶板分层3个重要因素对侵彻体侵彻能力的影响。结果表明：当攻角小或速度大时,伸出式侵彻体相对基准杆有较明显的优势;当双层靶板的间隔与基准杆长度相等时,靶板的分层对伸出体的侵彻性能几乎无影响,而对基准杆有较大影响,说明伸出体侵彻多层间隔防护结构的能力明显优于基准杆。     

基于闪光光谱的侵彻过程光学观察窗口分析

可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式,然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、侵入等时刻的关键画面。因此,分析侵彻光谱发生机理、选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s^-1侵彻20 cm厚度45^#钢靶的实验,设计了光谱瞄准采集设备。利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱,采集区覆盖靶板直径431 mm。对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析,并与侵彻积分光谱成分对比分析。研究表明,侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同,均包含连续光谱与线光谱。615～700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成：(a)弹靶少量金属元素和OⅠ、 OⅡ发射光谱的展宽积分;(b)少量热辐射光谱积分。侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功,然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱,这是弹丸在剪切冲塞、侵彻后大部分动能得以保留造成的;侵彻过程可见光光...     

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。     

钨合金长杆弹侵彻半无限钢靶的数值模拟及分析

 利用显式动力有限元程序ANSYS/LS=DYNA,采用ALE方法和Steinberg本构模型,对钨合金长杆弹侵彻半无限厚钢靶进行了数值模拟,给出了侵彻过程4个阶段的完整图像和相关物理量的时程变化曲线,分析了弹、靶的压力分布、质点速度以及材料的流动特性。结果表明：在较大速度范围内,模拟计算的侵彻深度与实验结果吻合得很好;沿侵彻轴线,弹靶交界面附近的材料行为主要由静水压力控制。     

破片模拟弹侵彻船用钢靶板的计算模型

为研究破片模拟弹侵彻钢板的过程,将模拟弹冲击钢装甲的侵彻过程分为初始接触、弹体侵入、剪切冲塞和穿甲破坏4个阶段进行理论分析。当靶板剩余厚度的剪切冲塞抗力小于延性扩孔抗力时,靶板的破坏模式完全转变为剪切冲塞;剪切塞块速度与剩余弹体速度相同时,推导出破片模拟弹侵彻钢靶板的能量转化及剩余速度公式,与实验及有限元分析结果吻合较好。研究结果对于破片侵彻钢靶板威力设计具有一定实用价值。     

低侵彻性枪弹的入水研究

为提高子弹的低侵彻性,研究了一种空心开花型低侵彻弹。通过进行空心开花型低侵彻弹侵彻水介质的实验,研究了弹体头部在不同速度下的变形情况;利用LS-DYNA软件对开花弹入水过程进行数值模拟,得到子弹在不同入射速度下的速度衰减曲线和位移曲线。研究结果表明:开花弹入水过程中的头部开裂程度与速度有关,速度越高,弹头变形越大;弹头开裂成"花瓣状"可以有效降低子弹速度,增大侵彻阻力;开花弹高速侵彻下的位移小于低速下的位移,说明开花弹具有良好的低侵彻特性。     

立方体弹高速侵彻防护液舱剩余特性的数值模拟

针对高速破片侵彻液舱后的剩余特性问题,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA开展了数值模拟研究,对比分析破片侵彻垂直和倾斜液舱后速度的衰减规律以及侵彻深度的变化规律,探讨了舰艇中液舱的较优斜置角度。结果表明:液舱壁面倾斜角的存在有利于降低破片入水的瞬时速度;破片入水瞬时速度越大,在水中运动时速度衰减越快;在冲击及空泡阶段,破片侵彻深度迅速增加,且破片入水瞬时速度越大,侵彻深度增加越明显,该阶段侵彻深度仅相当于破片最终静止时侵深的10%左右。根据弹体速度衰减速率及侵彻深度的增加速率,认为倾斜60°的液舱能够达到较好的防护效果。     

运动状态下聚能战斗部侵彻披挂反应装甲靶板的数值模拟

运用LS-DYNA有限元程序模拟了不同横向飞行速度(150、200、300、400、500m/s)和侵彻角度(30°、45°、60°)情况下聚能战斗部对披挂反应装甲后效靶板的侵彻过程,讨论了射流所受干扰情况及其对后效靶板的侵彻结果。研究结果表明:当侵彻角度一定时,射流对靶板表面的切割长度随速度的增大而增大,且在侵彻角度为30°时增大速率最快;但射流侵彻深度随速度的增大而减小,且在侵彻角度为60°时减小速率最慢。当飞行速度一定时,射流对靶板表面的切割长度和侵彻深度均随侵彻角度的增大而减小,且表面切割长度降幅随速度的增大呈先增大后减小的趋势,在速度为300m/s时,降幅最大,为59.6%;而侵彻深度降幅随速度的增大呈先减小后增大的趋势,在速度为350m/s时,降幅最小,为39.3%。最后通过理论方法分析了数值模拟结果,论证了数值模拟方法的正确性。     

弹丸在混凝土靶中运动轨迹的数值模拟

 针对混凝土的破坏模式，将最初用于研究岩石破碎的连续损伤模型加入到三维非线性有限元动力分析程序LS-DYNA中。利用数值模拟方法研究了弹丸对混凝土的斜侵彻过程，对弹丸在混凝土靶中的几种可能运动轨迹进行了分析，得到了影响弹丸轨迹的几个因素。     

切割式双模战斗部毁伤元成型及侵彻钢靶特性研究

 基于60 mm弧锥结合罩爆炸成型弹丸（EFP）装药,设计了一种在药型罩前适当位置安装可抛掷的十字形网栅的切割式双模战斗部结构,其具有生成单个EFP或者多爆炸成型弹丸（MEFP）的功能;根据目标属性,可选择性地改变战斗部的毁伤元成型模式,实施最有效的打击。利用LS-DYNA程序,对两种模式毁伤元成型及侵彻45钢靶过程特性进行了数值模拟,模拟结果与地面静爆实验结果吻合较好。研究表明,该战斗部形成的单个EFP能贯穿25 mm厚45钢靶,可有效打击重装甲目标;经网栅切割后能形成5片具有一定质量和方向性、可贯穿6 mm厚45钢靶的EFP破片,显著提高了对轻装甲目标的毁伤概率。     

柱状装药预制破片缩比战斗部爆炸冲击波和破片的作用时序

针对柱状装药的周向预制破片战斗部,结合无量纲分析方法和爆炸驱动理论,确定了影响破片和冲击波相遇位置的关键参数,给出了由缩比战斗部推广预测原型战斗部爆炸产生的破片冲击波作用时序的方法。采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值模拟,对比验证了理论分析和数值试验结果,分析了战斗部缩比比例对冲击波和破片作用时序的影响。结果表明:缩比模型与原型战斗部爆炸产生的破片和冲击波的相遇位置之比和相遇时间之比主要取决于两模型的质量比,在不考虑破片速度衰减时,两模型中载荷相遇位置之比和相遇时间之比等于其质量比的0.33次方。受破片速度衰减影响,该方法仅适用于质量缩比不小于0.2的模型。     

岩石、混凝土和土抗侵彻能力数值计算与分析

利用LS-DYNA3D软件数值计算了弹体侵彻岩石、混凝土和土问题,分析在不同碰撞速度条件下的弹体响应和靶体抗侵彻能力。碰撞速度小于900 m/s时,弹体侵彻岩石的减加速度峰值约是侵彻混凝土的2倍,而侵彻混凝土的减加速度峰值约是侵彻土的6倍。减加速度峰值高则稳态侵彻过程短,弹体能量消耗很快。碰撞速度超过1.5 km/s时,随靶体材料的强度、密度逐渐减小,侵彻深度和孔径逐渐缓慢增加,岩石、混凝土和土3种靶体材料相比,最大侵彻深度增加41%~62%,最大扩孔口径增加16%~25%。     

入射速度对长杆弹垂直侵彻行为的影响规律

 以长杆弹垂直侵彻半无限厚靶板为研究对象,分析了弹体最大侵彻深度与入射速度的关系,研究了弹体入射速度对侵彻最大深度的影响规律。研究表明：靶板的强度和界面效应使弹体在侵彻过程中存在一个临界速度,当入射速度大于临界速度时,弹体的侵彻才能通过开坑阶段进入准稳定阶段,它是造成当入射速度较小时侵彻深度随入射速度的提高而几乎不变或缓慢增加的主要原因;准稳定侵彻过程中弹体速度和侵彻速度基本不变,并且两者存在线性关系,这种关系只与弹体和靶板的材料性能有关,是造成当入射速度较大时侵彻深度随入射速度的提高呈快速线性增大的主要原因。     

冲击作用下框架结构的连续性倒塌性能

借助ANSYS/LS-DYNA软件建立了钢筋混凝土框架的有限元模型,研究了钢筋混凝土框架在冲击荷载作用下的连续性倒塌性能,冲击体质量为1000 kg,冲击速度为4 m/s。通过对钢筋混凝土构件冲击试验和框架倒塌过程的验证,保证了数值模拟的有效性。分析结果表明:冲击中柱后结构倒塌过程中,有"拱作用"向"悬索作用"转换的机制,中柱顶部位移先向上后向下,边柱顶部位移先向外后向内;同样冲击作用下,柱轴力越小,则抗冲击能力越强,不同的偏压作用对柱的抗冲击性能的影响不同;加密柱箍筋能够增强钢筋混凝土柱的抗冲击能力,延缓甚至避免钢筋混凝土框架结构的连续性倒塌。     

环-靶站输运线末端准直器的研究

环-靶站输运线(RTBT)末端的准直器是中国散裂中子源(CSNS)工程中的关键部件之一,因其靠近靶站,辐射剂量大,维护困难,故设计可靠性极为重要。根据准直器的工作原理,及CSNS物理设计要求,对比国外同类加速器的设计经验,设计完成准直器设备。在设计过程中兼顾了热沉积、功率损耗和材料性能等方面的严格要求,并逐一阐述了具体方案。利用Bethe-Bloch公式计算与SRIM软件模拟的结果比较,确定了模拟工具和模拟方法的可靠性,根据ANSYS有限元软件模拟的结果,验证了准直器结构设计的可靠性。