高速弹丸侵彻混凝土性能数值模拟

利用ANSYS/LSDYNA软件，弹丸采用弹塑性硬化材料模型，混凝土采用HJC材料模型，并利用以前对弹丸侵彻混凝土研究所得到的材料参数，对同截卵、尖卵两种头形且尺寸和重量都较大的弹丸侵彻混凝土的侵彻性能进行了数值模拟研究。由于弹靶尺寸特征相差较大，在现有计算条件下，给建模和分析带来了较大困难，为了能将计算规模控制在可求解的范围内，我们采用二维模型来分析研究弹丸的高速侵彻能力，采用三维模型来研究当弹丸带有—定攻角和着角时其在进入隧道段之前的行为。     

混凝土靶体预开孔对弹丸侵彻性能的影响

根据串联战斗部对混凝土目标的毁伤模式,将其前、后级的作用过程进行分解,结合前级对目标的预破坏,运用数值模拟分析了混凝土靶体预开孔对弹丸侵彻性能的影响,并通过实验进行了部分验证。结果表明:相同靶体开孔深度一定条件下,随着开孔数量的增加,弹丸的侵深逐渐增加,但当开孔数量增大到一定程度时,其对弹丸侵深的提高并不是很明显;当弹丸侵深未超过开孔深度时,随开孔数量增加,弹丸侵彻过载明显下降,而当弹丸侵深超过开孔深度后,开孔数量对弹丸侵彻过载的影响则不大。相同靶体开孔数量一定条件下,随着开孔深度的增加,弹丸的侵深逐渐增加;当弹丸侵深未超过开孔深度时,弹丸的侵彻过载出现明显的下降段,且开孔越深,下降段越长;而当弹丸侵深超过开孔深度后,开孔深度对弹丸侵彻过载的影响则不大。研究结果可为串联战斗部的前、后级优化设计提供参考。     

弹丸对混凝土靶体侵彻深度的灰色模拟与预测

由于弹丸对混凝土靶体侵彻机理的未知性及混凝土力学性能的复杂性,因此可将弹丸侵彻混凝土过程看作是一个灰色过程。介绍了弹丸侵彻混凝土靶体侵彻深度的灰色模拟与预测模型GM(1,n)的建立方法和过程,通过GM(1,n)模型可以实现对弹丸侵彻混凝土介质侵彻深度的模拟与预测。通过算例计算表明,此模型对模拟和预测弹丸侵彻混凝土的侵彻深度可行,且计算量较小。     

不同罩材聚能装药对多层介质侵彻的实验与数值模拟

 为实现聚能装药对多层介质的大破孔侵彻,提出了钛合金药型罩聚能装药设计方案。采用实验与数值模拟相结合的方法,对钛合金、低碳钢及紫铜罩聚能装药侵彻多层介质进行了研究,分析了钛合金聚能侵彻体相对于紫铜和低碳钢侵彻体在成型过程中,其动能、头部速度及射流长度等的差异,并对侵彻过程中应力波的传播特性进行了分析。结果表明：相对于紫铜和低碳钢,钛合金罩聚能侵彻体的能量转换率高,所获得的动能大,头尾速度梯度小,外形更为短粗;虽对多层介质侵彻时侵彻深度有所减小,但漏斗坑尺寸明显增大,且平均破孔孔径提高了约20%。     

杆式动能弹侵彻陶瓷复合靶的数值模拟研究

 根据已有的实验数据和文献参数,确定了YB-AD90陶瓷材料的JH-2模型参数。采用Autodyn-2D程序,对杆式动能弹侵彻YB-AD90陶瓷复合靶的侵彻深度和动力学侵彻过程进行了数值模拟。研究结果表明,采用的数值模拟方法和陶瓷材料JH-2模型参数合适,模拟结果与实验结果基本吻合,并且能够模拟动态侵彻过程中弹丸头部的形状变化、材料破碎和通道塌陷等重要特征。     

锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻与穿透的理论研究

 研究了锥头弹丸撞击下FRP层合板的侵彻和穿透性能，在局部化破坏模式假定的基础上改进了Wen提出的能量简化分析模型。改进模型仍假设弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力由靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力和速度效应引起的动阻力两部分组成，认为侵彻过程中靶体对弹体的阻力不再是一个常数，而是侵彻速度的函数。并由此推导出了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的侵彻深度、残余速度和弹道极限速度的公式。理论预测与实验结果符合得很好。     

弹体贯穿钢筋混凝土板有限元模型比较分析

为研究钢筋对混凝土靶侵彻作用的影响,基于混合物理论,建立了钢筋混凝土的等效混合物模型,同时还建立了将钢筋等效为钢板和素混凝土板的有限元模型,并通过弹体贯穿剩余速度、靶体压力场对两种方法进行比较,分析侵彻作用过程。计算结果表明:基于混合物理论的等效钢筋混凝土混合物模型能够较好地反映侵彻时钢筋的作用,既可以满足计算精度,又能够简化建模过程,提高计算效率,是进行侵彻数值分析的有效简化方法;钢筋混凝土板自由表面附近的钢筋分布能够提高靶对弹体的阻力,但其作用效果有限。     

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。     

分体式动能子弹对混凝土靶的侵彻与毁伤特性分析北大核心CSCD

为探索新型主动式钻地原理,提出了一种分体式动能子弹的结构形式。采用有限元仿真软件AUTODYN模拟了弹丸侵彻混凝土的过程,并通过靶场实验验证了数值计算结果。另外,还利用分形几何理论方法对分体式动能子弹对混凝土靶的毁伤破碎效果进行了定量评估。结果表明:在侵彻过程中,采用分体式弹丸结构,能够有效提高对岩土类目标介质的横向作用范围。分体式动能子弹侵彻后,素混凝土靶的破碎分布近似符合统计分形规律,可以用分形维数表征其破碎效应。     

大孔径双向聚能射孔弹的研究

 设计了一种双锥药型罩与双向装药结构相结合的聚能射孔弹模型,通过数值模拟方法研究其射流成型机理,并计算其射流参数。结果显示：双锥药型罩的小锥角部分形成聚能射流,大锥角部分形成翻转弹丸,射流头部和弹丸的速度分别为6 250 m/s和1 620.9 m/s,弹丸长度和平均直径分别为26.1 mm和8.6 mm。结合数值模拟结果,对射流侵彻公式进行了修正,并利用修正公式预测该射孔弹侵彻钢靶的深度,计算结果为69.6 mm。最后,按照该模型进行侵彻实验,实验回收弹丸的长度和平均直径分别为28.1 mm和8.8 mm,侵彻钢靶的深度和孔径分别为70 mm和17 mm。实验表明：数值模拟与理论计算方法相结合是可行的,能够有效地计算射孔弹的射流参数并预测其侵彻深度;该射孔弹侵彻性能优越。     

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。     

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%。     

钢筋混凝土靶板在弹丸冲击及爆炸载荷下响应的数值模拟

 采用HJC混凝土损伤本构模型及LS-DYNA的流固耦合算法,分别对钢筋混凝土靶板在弹丸冲击和爆炸载荷作用下的响应进行了有限元数值模拟,其中模拟参数由实验数据拟合重新获取。将模拟结果与实验结果和经验公式进行对比分析,结果表明：数值模拟再现了弹体贯穿靶板过程中的开坑、隧道及漏斗碎裂区,计算得到的弹体弹道极限及残余速度与实验数据吻合较好;此外,数值模拟也很好地再现了炸药爆炸后冲击波的传播过程以及爆炸载荷作用下混凝土的破坏情况,模拟结果与实验现象具有良好的一致性。     

不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能实验研究

 通过对铝Whipple防护结构进行扩展变形,设计出不锈钢网/铝板组合多冲击防护屏,并利用二级轻气炮对其进行高速撞击实验,撞击速度为3.93~4.25 km/s,弹丸直径为6.35 mm。分析了不同规格不锈钢网、不同间距组合以及网格间结膜对不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的影响。结果表明：不锈钢网位于防护屏的最后层有利于碎片云的扩散;不锈钢网位于防护屏最前层不利于撞击粒子的初次破碎;丝网几何参数、防护层间距组合是提高不锈钢网/铝板多冲击防护屏高速撞击防护性能的重要参数;网格间结膜有助于弹丸撞击动能的吸收。     

基于速度势侵彻模型的应用研究

 研究了Rubin等人提出的基于Rankine卵形体速度势函数分析的侵彻模型。根据该侵彻模型的基本方法编制了计算程序,计算头部形状为锥形、卵形和球形的长杆弹体垂直碰撞靶板时的侵彻深度和穿透靶板后的剩余速度,分析侵彻模型对不同头部形状的长杆弹体的适用性。另外,利用该分析方法计算并分析了卵形头部长杆弹体对铝靶侵彻和穿透的缩比模型问题,用分析方法验证了无量纲侵彻深度和剩余速度相等的侵彻几何相似规律,同时得到了弹体减加速度与几何尺寸成反比的重要结论。最后对混凝土靶板的侵彻与穿透问题进行了尝试计算,得到了同实验基本一致的计算结果并对其进行了深入分析。     

钢丝网混凝土电磁波反射和透射性能数值模拟

通过数值模拟的方法研究了素混凝土、钢丝网和钢丝网混凝土板对电磁波的屏蔽和吸收性能。首先将模拟得到的素混凝土反射率和透射率曲线和试验得到的曲线进行对比。对两种不同规格的钢丝网进行了数值模拟,并与试验和理论解进行了比较,对不同直径、网径、层数的钢丝网进行了数值模拟。最后研究了钢丝网及钢丝网位置对混凝土反射和透射性能的影响。数值模拟采用三维电磁仿真软件HFSS15.0。相同网径条件下,钢丝网直径越大,反射率越大,透射率越小。钢丝网直径相同的条件下,网径越大,反射率越小,透射率越大。在混凝土中间加入钢丝网对反射率平均值大小影响很小,主要影响反射率曲线的谐振性。     

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。     

弹体侵彻混凝土靶板过程中磨蚀问题的计算

 对弹丸在混凝土材料中侵彻时表面磨蚀速度的经验公式进行了改进。假设侵彻过程中密度保持不变,据此编制了可以计算弹丸磨蚀后弹头形状、弹体质量损失以及侵彻深度的简单差分程序。将计算得到的磨蚀后的弹头形状、质量损失与卵形弹侵彻无围压强度为63 MPa的混凝土（石英骨料）实验结果进行比较,两者基本吻合。     

高速碰撞过程中应变硬化材料靶动态响应研究

 给出了适用于可压缩、弹塑性、按幂次律应变硬化材料的动态柱形腔膨胀模型和侵彻模型，并编制了相应的计算程序。腔膨胀模型给出靶中应力分布情况，侵彻模型根据腔膨胀模型的有关结果来预估具有锥形头部的刚性弹丸侵彻半无限厚靶的最终侵彻深度以及贯穿薄靶时的弹丸剩余速度和弹道极限速度。给出了钨合金弹丸正碰5083-H131铝靶和钢弹丸正碰6061-T651铝靶的一些计算结果，计算结果与实验结果及二维拉氏弹塑性LTZ-2D程序的数值模拟结果符合得很好。     

高速动能弹温度场数值模拟

随着兵器发射技术和空气动力学技术的发展,动能弹的发射初速和飞行状态正从超声速向高超声速发展,由此产生了气动热问题.准确预测动能弹温度场是其气动力和热防护设计的关键技术.采用CFD预测温度场的方法,包括平衡流流动控制方程及差分格式,构造平衡流通量Jacob矩阵,在差分格式矢通量分裂过程中嵌入平衡流真实气体模型模拟温度场,获得平衡流气体状态方程.对典型高速动能弹热环境进行验证,考察方法的合理性.对设计的一种新型高超声速动能弹温度场进行数值模拟,为其气动设计及热防护提供了较可靠的数据.