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。     

12.7mm穿燃弹对半无限厚45钢的侵彻行为

针对刚性卵形短杆弹对半无限厚钢靶的侵彻行为,利用12.7 mm弹道枪进行不同着靶速度下12.7 mm穿燃弹正侵彻45钢的弹道试验,并结合数值模拟对侵彻过程中的弹丸侵彻行为进行分析。结果表明:12.7 mm穿燃弹对45钢的临界开坑速度为75 m/s,在弹速范围内弹芯表现出刚性侵彻行为,不同着靶速度下弹芯的侵彻阻力上升趋势基本一致,当着靶速度大于400 m/s时,在开坑结束后会出现常阻力阶段,直至侵彻结束。同时,制式弹对45钢的侵彻深度与着靶动能呈线性正比关系,通过拟合得到了无量纲侵彻深度与无量纲动能的关系式。     

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。     

聚能射流对氧化铝陶瓷靶的侵彻特性研究

 建立了考虑损伤的求解靶板阻力的理论模型,以此来评估陶瓷靶板的抗侵彻能力;数值模拟了长杆弹侵彻氧化铝陶瓷靶的破坏特性,结合实验结果确定了氧化铝陶瓷本构模型中的材料参数。建立了聚能射流侵彻氧化铝陶瓷靶的计算模型,对射流的形成机理及氧化铝陶瓷靶的抗侵彻性能进行研究,讨论了药型罩的几何尺寸对所形成的射流速度及侵彻深度的影响。结果表明：药型罩的锥角和壁厚增大,射流速度减小,壁厚对射流速度梯度的影响较大;同样,药型罩的锥角对侵彻深度也有较大的影响。     

前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄板的影响

为了研究前舱物对低速大质量平头弹侵彻金属薄靶的影响,根据前舱物的力学特性,将前舱物等效为轻质泡沫铝材料,建立了含前舱物的平头弹结构有限元分析模型,开展了不同工况下带前舱物平头弹侵彻金属薄板的数值模拟计算,分析了带前舱物平头弹侵彻金属薄板的过程,对比了带前舱物平头弹和不计前舱物平头弹在不同工况下剩余速度的差异。数值计算结果表明:带前舱物平头弹与不计前舱物平头弹的侵彻过程存在明显差异,但靶板破坏模式相同;前舱物等效材料的屈服强度对平头弹侵彻性能的影响很小,可以忽略不计;前舱物有助于提高平头弹侵彻金属薄板的能力,但提升幅度有限。在实际工程应用中,可以忽略前舱物对平头弹侵彻金属薄板的影响。     

高速长杆弹对混凝土靶侵彻规律的仿真分析

应用AUTODYN-2D有限差分程序,对着速在0.6~2 km/s范围之间,不同材料、不同质量和不同长径比的长杆弹侵彻混凝土靶进行了仿真计算。分析了着速对侵彻深度和混凝土靶穿孔直径的影响。结果表明:混凝土靶穿孔直径随着速的增加而增大,但侵彻深度存在拐点。进一步研究了长杆弹材料、质量和长径比对侵彻深度拐点效应的影响,长杆弹材料对侵彻深度拐点的影响较大,长杆弹的质量和长径比对拐点的影响较小。     

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。     

厚金属靶在弹丸打击下的侵彻与穿透

 给出了预测厚金属靶在不同形状弹头弹丸大速度范围内打击下侵彻与穿透的简单分析方程。在方程的建立过程中，假定变形是局部化的、冲击能量仅由侵彻过程吸收，并进一步假定靶材料对弹丸的平均阻（压）力由两部分组成：一部分基于空穴膨胀理论由于靶材料弹-塑性变形所产生的准静态凝聚阻力；另一部分是考虑了速度效应后的动压力。推导出了预测靶侵彻深度和弹道极限的方程表达式，并与金属靶在不同形状弹头弹丸大速度范围内打击下侵彻与穿透的实验进行了比较。理论预测与实验结果吻合得很好。     

分层数对Q235钢薄板抗侵彻性能的影响

利用轻气炮进行卵形头、平头以及半球形头杆弹正撞击等厚接触式叠层靶实验,得到这3种结构的初始速度-剩余速度曲线以及弹道极限,对回收靶体进行分析,研究分层数对叠层靶抗侵彻性能和失效模式的影响。结果表明:对于延性金属薄板,分层结构降低靶体的弹道极限,单层板的抗侵彻性能高于叠层板的抗侵彻性能。对于平头弹和卵形头弹,弹道极限随分层数的增加而降低;对于半球形头弹,弹道极限随分层数的增加先降低后升高;分层数对弹道极限的影响随弹体初始撞击速度的增加而减小。     

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。     

卵形钢弹对铝合金靶板侵彻问题的数值模拟

 基于球形空穴膨胀理论（SCE），采用ABAQUS有限元商业软件并结合其子程序的二次开发功能对钢弹侵彻金属靶进行3D有限元数值模拟。根据空穴膨胀理论，靶体对侵彻弹体的影响可以用一个作用在弹体表面的力函数代替，这样在进行数值模拟时就无须划分靶体网格，也避免了复杂的接触问题，从而使模拟大大简化。模拟所用卵形弹为VAR 4340钢弹，靶体为6061-T6511铝合金。模拟过程中考虑到弹体的可变形性和入射时的微小偏航角等实际情况，并且考虑到了弹身在运动过程中和靶体的接触分离效应。所得模拟结果与文献中的实验结果进行了比较，发现模拟结果与实验结果吻合得很好，并得到了一些有意义的推论。     

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。     

刚性弹丸撞击下岩石侵彻之理论研究

 对岩石在刚性弹丸撞击下的侵彻问题进行了理论研究。文章包括两个部分。首先,对常用的预测岩石在刚性弹丸撞击下侵彻深度的方程进行了简单回顾和评论;然后,在实验观测的基础上,对最近发表的一些预测在刚性弹丸撞击下,混凝土和土壤的侵彻公式进行了修正,推导出一个较为合理的剪切强度表达式。拟合结果表明：该模型与Frew、Forrestal和Hanchak所得到的石灰岩侵彻的实验数据吻合得很好。     

SPH/FEM耦合算法在陶瓷复合靶抗侵彻数值模拟中的应用

在SPH/FEM耦合算法程序中引入了陶瓷和金属材料的本构模型,对钨合金长杆弹侵彻陶瓷复合靶开展了数值模拟。给出了侵彻过程的物理图像,并分析了陶瓷靶的抗侵彻机理。对不同入射速度下的计算结果和实验结果进行了对比,计算得到的侵彻深度和实验值比较一致,验证了耦合算法的有效性。     

卵形头部弹丸侵彻混凝土的研究

 用头部曲率半径为4.0、直径100 mm、质量为25 kg的卵形弹丸对混凝土进行侵彻实验，并测试了炮膛内和侵彻过程中弹丸的加速度时程曲线。实验用混凝土靶的抗压强度为35 MPa，密度为2 450 kg/m³，有3 m×3 m×3 m和2 m×2 m×2 m两种尺寸。测试弹丸发射和侵彻过程加速度的记录系统刚性固结于弹丸内部。弹丸侵彻初速在310 m/s至632 m/s之间，弹丸的峰值过载在12 000 g到22 000 g之间。实验后将测试的侵彻深度、侵彻过程弹丸的加速度时程曲线与用Forrestal 的理论模型计算得到的结果进行了比较分析。实验结果对认识侵彻的整个过程和相关弹药的设计有重大意义。     

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。     

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%。     

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。     

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。