Ф25mm小尺寸缩比钻地弹的实验

作者以前的研究已给出了较完整的钻地弹结构及相关实验靶体的设计理论。为进一步验证和校核该设计理论，开展了Ф25mm火炮小尺寸缩比弹实验研究。实验目的在于重点考察侵彻后弹体的结构是否完整及其侵彻能力。     

模拟钻地弹的设计与实验研究

 对钻地弹的弹体材料、弹体参数、气动性能、侵彻过载和侵彻深度等问题进行了研究。在此基础上，设计了模拟钻地弹，并进行了外场试验，试验取得了成功，且得到一些有益的结论。     

不同类型弹丸侵彻性能数值模拟比较

用数值试验方法，对φ5．3mm、不同长径比、不同壁厚比、用三段焊接连接方式设计的6种类型弹丸在不同着靶条件下，侵彻混凝土的弹靶破坏、弹体结构力学响应等方面进行了较为全面和系统的比较研究。     

不同材料弹体超声速侵彻钢筋混凝土靶的结构破坏对比实验

设计了超声速钻地结构弹,采用203 mm口径的火炮,开展了25 kg量级弹体在1100~1300 m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,应用数值仿真对弹体侵彻钢筋混凝土靶的过程进行了模拟计算。基于实验和仿真结果,对超声速侵彻条件下两种金属材料弹体的结构响应、质量损失等问题进行了分析。结果表明:在超声速侵彻钢筋混凝土靶的过程中,两种金属材料的弹体结构变形破坏形式主要为头部侵蚀和侧壁磨蚀,头部侵蚀量的大小与弹体壳体材料有关,高强度G50钢材料更适合用于1200 m/s速度量级的超声速侵彻环境。对出现的“径缩”现象作了初步分析,并对今后工程应用的结构弹体设计提出了指导意见。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶的结构变形及质量损失的实验研究

设计了高速钻地结构弹,采用35mm口径的弹道炮和100mm口径的滑膛炮,进行了0.15和1.5kg弹体在1 030~1 630m/s速度范围内侵彻钢筋混凝土靶的实验研究,对高速侵彻条件下弹体的结构响应、质量损失及生存极限速度等问题进行了探讨。结果表明:在高速侵彻混凝土过程中,弹体结构的变形破坏包括头部侵蚀/墩粗+侧壁磨蚀、弯曲/尾部破裂、破碎等形式,弹体头部侵蚀和弹体质量损失程度随撞靶初速度的增加而增加。     

大着速范围长杆弹侵彻深度变化及其影响因素的数值模拟

高速/超高速侵彻问题一直是武器设计者和防护工程专家关注的焦点问题之一。随着撞击速度的提高,弹体可能进入流体侵彻阶段,侵彻深度不再随速度的增大单调上升。针对撞击速度增加侵彻深度可能出现增量逆转的现象,开展了大着速范围长杆弹侵彻深度变化的数值模拟研究,分析了弹体硬度、头部形状、弹体材料及靶体材料对侵彻转变点的影响。结果表明:随着长杆弹冲击速度的提升,侵彻深度先上升后下降;同时,弹体硬度提高,到达侵彻转变点对应的撞击速度提高;尖卵形头部弹体到达侵彻转变点的撞击速度比球形头部弹体高;此外,弹靶材料对侵彻深度转变也有较大的影响。     

工程学科研究进展

1工程设计技术 开展了钻地弹的力学设计研究，指导钻地弹的结构设计和找寻合理的动能侵彻弹型；开展了机电一体化实验装置设计，为机电产品提供一个可操近代的软硬件平台；工序图采用CAD系统设计，可缩短工序图绘制时间，同时简化及标准化工序图的绘制；基于实体模型的计算机辅助夹具设计，减少了设计人员的劳动强度，提高了夹具的设计质量；设计了幅度可控的六自由度浮动装配台，实现了工件自适应调姿，满足了装配要求。     

复合材料弹侵彻混凝土靶的研究

 利用碳纤维复合材料壳体和金属弹头组成的复合弹体,对混凝土靶进行了高速侵彻实验,弹体分别以336、447和517 m/s的速度对强度为30 MPa、厚度为200 mm的混凝土靶进行正侵彻和30°斜侵彻。实验结果表明：碳纤维复合材料壳体具有较高的强度,在高速侵彻靶体的过程中弹体结构能够保持完整,复合材料壳体没有纤维分层和断裂产生。相对于同样结构尺寸的金属弹体（将复合材料壳体替换为密度7.8 g/cm³的金属材料）,复合材料弹填充物的质量分数（18.5%）约为金属弹体的两倍,因此采用轻质高强复合材料替代高密度金属弹身,不仅可以提高弹体装填比、增加比毁伤威力,而且还具有较高的侵彻能力。     

分段杆弹侵彻效率的数值模拟（英文）

为研究分段杆弹的侵彻效率,对不同结构的钨合金分段及连续杆弹侵彻半无限厚4340钢靶进行了数值模拟,撞击速度范围为1 500~3 500m/s。数值模拟的侵彻深度及弹坑形状与冲击实验一致,验证了数值模拟的有效性。基于AUTODYN软件的数值模拟结果表明,在一定条件下,分段杆弹的侵彻效率高于连续杆弹,这是因为分段杆弹的侵彻效率取决于s/d(分弹体的间隔与直径之比)和撞击速度。分段杆弹的最佳s/d由弹体结构和撞击速度决定。计算结果揭示了分段、连续杆弹以及分段杆弹高速、低速侵彻靶体得到的弹坑的差异。     

刚性弹对混凝土靶的正侵彻

刚性弹对混凝土靶的侵彻和穿甲已有广泛研究。大量的经验公式(如ACE，UKAEA，NFDRC等)可为弹体侵彻及防护设计提供直接和便利的参考。但是，经验公式的缺点，如量纲依赖性、弹头形状因子经验定义以及有限的适用范围等，限制了它们的应用。本文借助动态空腔膨胀理论和量纲分析，对刚性弹侵彻混凝土靶的动力学问题开展理论研究，给出侵彻动力学中的无量纲控制参数。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

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。     

长径比对长杆弹垂直侵彻能力影响机制的研究

 以长杆弹垂直侵彻半无限靶为研究对象,利用量纲理论,分析了影响侵彻深度的主要因素,采用经验公式和数值仿真对长杆弹侵彻机理进行了系统研究。结果表明：要达到同样的侵彻效率,长径比的增加会增大单位侵彻深度所耗的能量密度;对于具有相同体积的不同弹体,侵彻深度随长径比增加而增大,直至达到某一最大值。研究发现,造成这种现象的主要原因是侵彻过程中后续不稳定阶段产生的漏斗形弹坑和高温影响弹体侵彻,虽然交界面对侵彻深度的影响较大,但与长径比对侵彻效率的影响无明显关系。     

钻地弹自适应引信方案

不论机械引信、全电子引信还是机电一体化引信，都利用传感器对环境、目标进行探测，获取信息，并加以识别和处理，用于对战斗部安全保障和炸点控制。通常，钻地弹自适应引信利用加速度传感器测量弹体侵彻过程的加速度信号，一方面运用数字信号处理技术提取加速度信号的特征信息，如加速度幅度、拐点、上升沿、突变次数等，由此对目标层数有效判别，实现定层引爆；另一方面，在已知侵彻初速度和侵彻角度时，对加速度信号积分便得到实时侵彻速度，再次积分可得侵彻深度，从而实现定深引爆。     

局部改性弹体低速贯穿金属靶板的破坏形式研究

为研究局部改性弹体结构的破坏和质量损失规律,设计了不同改性特征的侵彻弹体,在380~500m/s速度范围内进行了侵彻装甲靶板的实验研究,并对弹体的破坏形式、质量损失等问题进行了探讨。结果表明:随着初始速度的增加,实验弹体的弹长侵蚀率及相对质量损失率相应增加,而弹径磨损率变化较小;穿靶后实验弹体以头部剪切断裂为主要破坏形式,但主体部分仍然保持稳定。改性工艺(1)和工艺(5)既与弹体强度有较好的匹配性,又可保持良好的破碎性能。     

Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻数值模拟

结合金属/复合材料层合结构的抗侵彻能力,基于混合蜂窝结构低成本、高韧性以及在低速冲击下吸能的特点,设计了一种Al/CFRP(carbon fiber reinforced plastics)/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构,旨在利用各层结构特点,逐步降低弹体速度,高效吸收弹体动能,以达到防护效果。为探究Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的损伤演化规律及吸能特性,开展了Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构在弹体侵彻下的数值分析,探讨了冲击能量对多层结构抗侵彻性能的影响。结果表明：与Al/CFRP复合结构相比,引入混合蜂窝铝后,结构给予弹体的反作用力增大,在能量不变的情况下,弹体作用板的时间变短。在Al/CFRP/混合蜂窝铝复合夹芯多层结构抗侵彻过程中,Al板和CFRP芯层主要抵抗侵彻以降低弹体速度,混合蜂窝铝主要是吸能。在40 J的冲击能量下,结构总吸能为36.79 J,比吸能为0.217 J/g,蜂窝铝芯层吸能占主要部分,吸能比率为30.3%;随着冲击能量的增大,蜂窝铝芯层的吸能比率增至56.2%,即冲击能量较大时蜂窝铝芯层的吸能效果更好。     

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。     

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。     

高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应实验研究

为了研究高速弹体对钢筋混凝土靶的侵彻/贯穿效应,以100 mm口径滑膛炮作为发射平台,驱动10 kg级卵形弹体以820～1195 m/s速度撞击强度为31.0～43.6 MPa的钢筋混凝土靶,获得了弹体侵彻/贯穿钢筋混凝土靶的终点弹道实验数据,并对弹体的侵彻/贯穿深度、靶板侧面自由面效应、弹体的变形进行了详细分析。结果表明:弹体的侵彻/贯穿深度为2.2～2.8 m,部分经验公式预估的侵彻/贯穿深度与实验结果吻合较好;当靶面相对尺寸较小且弹速较高时,靶板侧面自由面效应比较明显;当弹速达到1195 m/s时,弹体开始由刚体向半流体转变。     

超音速侵彻混凝土过程中装药安定性结构设计的动摩擦理论分析

 根据侵彻过程中弹体内部装药的弹性变形假设,利用弹体结构与内部装药的相对位移、摩擦功、热力学原理和热点理论,提出了装药热安定性设计的弹性理论分析方法。计算中,侵彻弹体的响应函数从空穴膨胀理论出发;利用弹塑性材料中应力波Hugoniot跳跃条件以及流体力学动量和质量守恒方程,分析了弹体侵彻混凝土过程中的弹体表面径向应力;结合牛顿第二定律,采用有限差分技术,获得了弹体侵彻过程的轴向阻力。通过弹性理论分析,得到了弹体侵彻过程中影响装药安定性的重要设计参数,为装药安定性设计提供了理论依据。