破片群初速的电探针测量法

提出了一种速度衰减系数可预先确定的测量全预制和半预制破片群初速ｖ＿０的电探针方法。在效应靶背面竖直方向上依次布置ｎ根条状铜箔电探针，测量ｎ个破片飞行ｘ距离经历的时间ｔ，根据破片速度衰减公式确定ｎ个破片的ｖ＿０，测量误差不超过３％。应用最小二乘法原理，将实验测定的全预制破片群初速拟合成沿战斗部轴向分布，实验拟合线与用文献［１］报导的计算方法确定的结果基本一致。     

基于LS-DYNA的高速破片水中运动特性流固耦合数值模拟

基于大型有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,建立三维长方体高速破片在水介质中运动的有限元动力分析模型,采用ALE方法对破片在水下运动过程进行流固耦合数值模拟,获得了破片的速度衰减曲线。研究了速度衰减规律、破片墩粗变形规律以及冲击波传播过程。得到高速破片的侵彻能力随速度的变化规律:当初速度大于910~1 115m/s时破片头部将产生显著变形,并大大影响其侵彻阻力;当破片速度较小时,水中侵彻距离随破片初速的增大而增大,当破片速度达到某临界值以后,侵彻距离将随初始速度的增大而逐渐减小。     

破片聚焦战斗部的动态杀伤威力设计

破片聚焦战斗部威力设计通常针对静爆条件,但在实战条件下,由于弹目相对速度和战斗部沿轴线方向破片初速梯度的影响,破片动态飞散角将重新合成,导致聚焦破片散开,破片在靶面的分布密度大为降低(可降低到静态条件的1/2)。采用射击迹线法对破片聚焦战斗部在静爆和动态条件下的破片飞散过程和破片在靶面的分布密度进行了仿真研究,提出了破片聚焦战斗部的动态杀伤威力设计概念,以破片平行聚焦战斗部为例给出了动态杀伤威力的实现方法。     

十字形内置破片定向战斗部破片的飞散特性

针对低附带弹药毁伤需求，设计了一种十字形内置破片定向战斗部，根据目标方位可选择不同起爆模式，进而控制破片的径向飞散特性，在目标区域内形成杀伤破片实现定向毁伤，在非目标区域内实现低附带毁伤。采用数值模拟研究了相邻2点起爆、相邻3点起爆两种模式下定向战斗部起爆时破片的驱动过程，给出了各个位置处破片的飞散速度、径向飞散角度等特征参数；制备了2发单元样弹并开展了地面静爆实验，通过高速摄影及靶板上破片的穿孔分布特征实测出破片的速度及径向飞散角，与数值模拟结果对比，验证了模拟的准确性。在此基础上，通过引入能量分配角建立了破片速度的修正公式，并根据模拟结果对公式参数进行了拟合分析。结果表明：相邻2点起爆、相邻3点起爆模式下，战斗部定向杀伤区破片径向飞散角分别控制在145°、65°以内，且该区域内的破片占破片总数的比例分别达到了50.4%、43%；同时，破片速度呈现梯次分布，介于535～770 m/s之间，对1.5 mm厚的Q235A钢板的穿甲率分别达到了94.4%、84.6%，可实现对轻型车辆类目标的毁伤，其余区域则为低附带安全区；基于能量分配模型求得的破片速度理论计算值与模拟值基本吻合。研究结果可...     

球形钨合金破片终点弹道性能实验研究

实验研究了球形钨合金破片的速度衰减规律、爆轰驱动下的变形和破碎、对半无限钢靶的侵彻以及对薄钢靶的贯穿。结果表明:(1)破片长距离(120m)飞行时的衰减系数为常数,阻力系数与破片初速成线性关系;(2)在爆轰驱动下,直径为6.0和7.5mm的破片破碎率为2%～3%,而直径为8.5mm的破碎率为45%;(3)破片长距离飞行后仍有很强的穿甲能力。     

偏心对称起爆战斗部破片初速的增益

在极坐标下基于弹塑性基本方程建立了壳体膨胀的运动方程,且考虑了两点对称偏心起爆的碰撞效应,利用Whitham方法对两对称爆轰波的碰撞叠加进行了计算,得到了三波点的迹线、马赫波超压及马赫杆的高度等参数。通过联合求解,导出了马赫波区破片的初速计算公式,并利用AUTODYN软件进行了数值模拟,理论计算与数值模拟结果符合较好,验证了理论模型的可靠性。计算结果表明,两点对称偏心起爆时定向区破片初速增益超过30%,起爆点的夹角变化对破片的初速大小及飞散偏转影响并不明显。     

高速摄影法测量破片初速度分布

通过高速摄影相机记录钢靶上的破片穿孔,利用起爆到破片穿靶的关联时间,求出破片的穿靶速度,再通过靶网法计算得到衰减系数α,从而得到每个破片的初速度及破片初速度的分布范围。     

战斗部轴向威力的增强

基于预制破片技术的杀伤战斗部周向破片场威力得到了很好的改善,但战斗部头部轴向破片较少,难以实现对空间域的完全封锁。为了改善杀伤战斗部轴向破片场分布,探索影响轴向预制破片飞散角和速度的影响因素,设计了一种轴向威力增强战斗部,通过改变战斗部头部形状、曲率半径并加装球形预制破片实现轴向威力增强。运用LS-DYNA软件对战斗部爆炸驱动全过程进行数值模拟,通过设置不同的起爆条件得到战斗部结构参数对轴向预制破片初速和飞散角的影响规律。仿真结果表明:预制破片的飞散角及速度与战斗部头部结构参数关系密切,采用圆弧形头部结构可显著提高预制破片的飞散速度和飞散角,使预制破片轴向封锁区域显著增大,大大增强战斗部轴向威力。     

惰性芯体物性对阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响

为研究惰性芯体物性对轴向阶梯形空腔装药结构爆轰驱动的影响规律,分别加工并装配了空腔内填充LY12铝、尼龙1011和无填充物三种技术状态的战斗部并进行了静爆实验,采用脉冲X射线成像测试技术获得了破片平均速度和飞散场形态;应用非线性动力学计算软件LS-DYNA,采用ALE算法进行了数值计算,分析了三种惰性芯体物性对破片场飞散形态、冲击波压力和破片初速的影响规律。结果表明:惰性芯体材料的冲击阻抗较主装药的冲击阻抗越大,对冲击波压力的影响越明显,作用于壳体表面的初始压力越大,主装药推动破片做功的能力越强,破片的速度越大,且惰性芯体物性的影响随着芯体半径的增大而增大。     

圆柱壳体装药偏心多点起爆下破片速度的分布

针对偏心起爆战斗部破片速度增益的问题,提出爆轰波碰撞形成马赫超压是引起破片速度增加的原因。利用AUTODYN软件,模拟偏心起爆战斗部从壳体径向膨胀、表面产生裂纹到最后形成破片的整个过程,并将模拟得到的破片速度与实验数据对比,两者吻合较好;简化Whitham方法并结合Gurney速度公式得到偏心起爆战斗部定向破片速度和定向区域的计算方法,同时在保证破片初速的前提下,研究偏心多点起爆下起爆点数的选择标准。研究结果表明:偏心多点起爆下定向破片初速增益约34%,定向区域范围约30°,起爆点数的选择与壳体长度和装药口径相关。     

基于积分方程方法的弹性波多重散射计算

运用积分方程方法计算了含多个随机分布椭圆柱型孔洞的随机非均匀介质中相干波的速度和衰减系数,分析了这种介质的频散特性。首先,建立了散射位移场满足的积分方程,推导了单个椭圆柱孔洞的散射截面计算公式。接着分析了在含多个随机分布椭圆柱型孔洞的随机非均匀介质中弹性波的多重散射,给出在统计平均意义下的相干波的波速和衰减系数计算公式。然后用Matlab进行了编程,给出了一个数值算例,并将计算结果与波函数展开法进行了比较,分析了随机空隙介质的频散特征及其孔洞椭圆偏心率和材料空隙率的影响。     

基于重球触地实验的空区塌落振动分析及治理

根据相似理论，以重球落地实验模拟采空区坍塌进而指导采空区治理为出发点，在振动波动特性分析的基础上，分别开展了质量为4 kg和10 kg的重球从1.0、1.5和2.0 m的高度落地的峰值振动速度测试实验；首次提出了累计振动速度衰减率和相对能量比概念；以普氏拱理论为基础，分析了采空区坍塌振动速度。研究表明:振动速度与重球质量和落地高度成正相关，且前者对累计衰减率的影响大于后者；随着测点距离的增大，振动速度整体表现为衰减趋势；重球质量为4 kg和10 kg时，在水平距离重球落地点3.0 m处的累计衰减率分别为79.79%～81.61%和79.95%～83.52%。不同介质交界面的反射和折射可引起振动速度的小幅度“跃增”。重球质量对振动能量衰减影响明显；质量越大，近区能量衰减越慢。采空区冒落体582.5～5 926.5 t，引起的振动速度远大于边坡安全允许值。采用“采空区顶板崩落+边坡削坡”方案进行治理后，边坡安全系数可达到1.26，消除采空区安全隐患。     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

Wave propagation in transversely isotropic porous piezoelectric materials

Wave propagation in porous piezoelectric material (PPM), having crystal symmetry 6 mm, is studied analytically. Christoffel equation is derived for the propagation of plane harmonic waves in such a medium. The roots of this equation give four complex wave velocities which can propagate in such materials. The phase velocities of propagation and the attenuation quality factors of all these waves are described in terms of complex wave velocities. Phase velocities and attenuation of the waves in PPM depend on the phase direction. Numerical results are computed for the PPM BaTiO₃. The variation of phase velocity and attenuation quality factor with phase direction, porosity and the wave frequency is studied. The effects of anisotropy and piezoelectric coupling are also studied. The phase velocities of two quasi dilatational waves and one quasi shear waves get affected due to piezoelectric coupling while that of type 2 quasi shear wave remain unaffected. The phase velocities of all the four waves show non-dispersive behavior after certain critical high frequency. The phase velocity of all waves decreases with porosity while attenuation of respective waves increases with porosity of the medium. The characteristic curves, including slowness curves, velocity curves, and the attenuation curves, are also studied in this paper.     

基于ALE,CEL和SPH方法的球形破片高速冲击充液结构对比研究

为研究ALE,CEL和SPH方法在高速冲击流固耦合动力学数值分析中的差异性,开展球形破片高速冲击充液结构数值模拟研究。建立经文献资料验证的ALE,CEL和SPH三种动力学模型,研究了流体压力变化、形成的空腔尺寸、破片速度衰减变化和充液结构变形等模拟精度,并分析相应的计算成本。结果表明,ALE,CEL和SPH三种方法均能有效模拟破片高速冲击充液结构的流固耦合动力学过程;ALE方法预测的空腔尺寸精度较高;CEL方法预测的流体压力、破片速度衰减和充液结构变形精度较高;SPH方法预测的空腔尺寸、破片速度衰减精度较高;当网格尺寸一致时, SPH方法计算时长约为ALE和CEL方法的两倍,但SPH方法前后处理更加简便。     

旋转弹丸入水侵彻规律

为了建立高速弹体入水弹道的模型,利用数字式高速录像机实验研究了球形与普通手枪两种弹丸在三个入水角、六种发射速度下斜入水的水中弹道轨迹与空泡。实验结果表明,弹丸形状对入水弹道的稳定性有重要影响。球形弹丸在斜入水时弹道稳定性较好,而普通制式弹丸的弹道不稳定。在一定的入水角与速度范围内,球形弹丸入水初期弹道的空泡特性、弹道轨迹以及速度衰减规律具有一定的相似性。而对于水中速度随时间的衰减规律,则两种弹丸都具有一定的相似性,且表现出极强的速度衰减特性。给出了弹丸水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论结果与实验结果吻合较好。     

Effect of Liquid Viscosity on Dispersion of Quasi-Lamb Waves in an Elastic-Layer–Viscous-Liquid-Layer System

The dispersion curves are constructed and propagation of quasi-Lamb waves are studied for wide range of frequencies based on the Navier–Stokes three-dimensional linearized equations for a viscous liquid and linear equations of the classical theory of elasticity for an elastic layer. For a thick liquid layer, the effect of the viscosity of the liquid and the thickness of elastic and liquid layers on the phase velocities and attenuation coefficients of quasi-Lamb modes is analyzed. It is shown that in the case of a thick liquid layer for all modes, there are elastic layers of certain thickness with minimal effect of liquid viscosity on the phase velocities and attenuation coefficients of modes. It is also discovered that for some modes, there are both certain thicknesses and certain ranges of thickness where the effect of liquid viscosity on the phase velocities and attenuation coefficients of these modes is considerable. We ascertain that liquid viscosity promotes decrease of the penetration depth of the lowest quasi-Lamb mode into the liquid. The developed approach and the obtained results make it possible to ascertain for wave processes the limits of applicability of the model of ideal compressible fluid. Numerical results in the form of graphs are adduced and analyzed.     

Propagation of shear elastic waves in composites with a random set of spherical inclusions (effective field approach)

The work is dedicated to the problem of plane monochromatic shear wave propagation through elastic matrix composite materials with a homogeneous random set of spherical inclusions. The effective field method (EFM) and quasi-crystalline approximation are used for the calculation of phase velocity and attenuation factor of the mean wave field propagating through the composite. The version of the method developed in the work allows us to obtain the dispersion equation for the wave vector of the mean wave field that serves for all frequencies of the incident field, properties and volume concentrations of the inclusions. The long- and short-wave asymptotic solutions of the dispersion equation are found in closed analytical forms. Numerical solutions of this equation are constructed in a wide region of frequencies that covers the long-, middle- and short-wave regions of the propagating waves. The phase velocities and attenuation factors of the mean wave field in the composites are analyzed for various elastic properties, density and volume concentrations of the inclusions. Comparisons of the predictions of the method with some numerical computation of the effective parameters of matrix composites are presented; possible errors in predictions of the velocities and attenuation factors of the mean wave field in the composites are indicated and discussed.     

Properties of Elastic Waves in a Non-Newtonian (Maxwell) Fluid-Saturated Porous Medium

The present study investigates novelties brought into the classic Biot's theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid by inclusion of non-Newtonian effects that are important, for example, for hydrocarbons. Based on our previous results (Tsiklauri and Beresnev, 2001), we investigated the propagation of rotational and dilatational elastic waves by calculating their phase velocities and attenuation coefficients as a function of frequency. We found that the replacement of an ordinary Newtonian fluid by a Maxwell fluid in the fluid-saturated porous solid results in: (a) an overall increase of the phase velocities of both the rotational and dilatational waves. With the increase of frequency these quantities tend to a fixed, higher level, as compared to the Newtonian limiting case, which does not change with the decrease of the Deborah number . (b) The overall decrease of the attenuation coefficients of both the rotational and dilatational waves. With the increase of frequency these quantities tend to a progressively lower level, as compared to the Newtonian limiting case, as decreases. (c) Appearance of oscillations in all physical quantities in the deeply non-Newtonian regime.