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。     

弹体材料性能对破片形成的影响

为了获得弹体材料性能对破片形成的影响规律,应用破片战斗部设计软件,数值计算了82钢、50SiMnVB钢、40CrMnSiB钢及30CrMnSiNi2A钢等4种材料形成破片的情况,得到了4种材料形成的破片的飞散角、初速及质量分布的变化规律,并进行了破片质量分布的实验研究。结果表明,不同合金钢材料对形成的破片飞散角与初速的影响不大,且沿弹体轴向方向的变化规律相同,其中破片飞散角沿弹轴方向先减小后增大,破片的最大初速出现在距起爆点约72.5%圆筒长度处;但是对破片质量分布情况的影响较大,随着材料极限抗拉强度的增加和断裂韧性的降低,弹体破碎程度升高,总破片数增加了39.3%。     

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。     

攻角对卵形头弹撞击铝合金薄板影响的数值研究

基于Johnson-Cook材料本构和失效准则,利用ABAQUS有限元软件,建立了卵形头弹正撞击2mm厚的2A12铝合金薄板模型。在模型及参数验证的基础上,研究了弹体攻角对弹靶撞击过程、弹体动能变化和靶板变形的影响,其中攻角范围为0°~60°。结果表明:靶板的动能在撞击过程中只有微弱增加,靶板的塑性变形是主要的耗能方式;弹体攻角的增加导致靶板的损伤面积先增大后保持不变,弹孔形状从圆形过渡为"L"形;弹体的剩余动能随弹体攻角的增加而降低,并在攻角大于45°后保持不变;靶板弹道极限随攻角的增加先增加后略有下降,在45°时最大。     

双破片同时撞击对B炸药冲击起爆的数值模拟研究

 采用Lee-Tarver点火增长模型对单钨珠撞击带壳B炸药的过程进行了计算,所得到的不同尺寸钨珠引爆炸药的阈值速度与实验结果吻合良好。数值模拟了双钨珠同时撞击带壳B炸药的过程,计算了破片引爆炸药的阈值速度,分析了炸药的点火增长过程。结果表明：双破片同时撞击炸药时,引爆阈值速度随着破片间距的增大呈抛物线规律增大;当破片间距较大且撞击速度略高于阈值速度、双破片同时撞击时,炸药内部爆轰波的初始形态随破片速度而变化。     

弹体斜撞击单层金属薄靶的数值仿真

通过调用ABAQUS子程序引入修正的靶板J-C本构模型和修正的应力三轴度三分段式失效准则,开展了平头、卵形弹0°~60°斜撞击单层Q235钢薄靶的数值仿真计算,分析了弹体头部形状、撞击角度对靶板防护性能及失效模式的影响,同时对弹体击穿靶板后的角度偏转问题进行了分析,并提出了一个改进的角度偏转半理论模型。结果发现:平头弹在各个撞击角度下较卵形弹更容易击穿靶板;靶板的防护性能与弹体造成的靶板损伤及失效模式紧密相关,单层靶板在平头弹以同一角度分别低速和高速斜撞击后具有不同的失效模式,而在卵形弹斜撞击下失效模式相差不大;仿真与实验结果吻合较好。     

基于数值计算结果的破片战斗部威力仿真方法

建立了包含数值方法和分析方法的威力仿真方法。考虑数值计算的规模和复杂度，采用爆轰计算获得初始时刻破片场，利用分析方法描述破片飞散和破片作用目标的过程。采用该威力仿真方法，实现了对破片场形成、破片飞散、破片作用目标的全过程描述。数值计算采用LS-DYNA软件，为了获得战斗部初始时刻破片场，开发了接121处理程序。利用分析方法，建立了破片飞散和破片毁伤性能评估模型，飞散模型中考虑空气阻力等因素的影响，破片毁伤性能评估模型中采用THOR方程预估破片剩余速度、剩余质量和最大穿透厚度，从而获得破片弹道、破片威力参数和破片对靶板的毁伤效果。通过对虚拟靶板上命中破片进行统计，计算出破片命中靶板密度分布和破片飞散角分：布，完成破片战斗部威力仿真试验。在威力仿真方法的基础上，建立了系统仿真模型（图1）。采用面向对象的Visual Studio．NET编程语言，实现威力仿真软件的编码。     

超高速碰撞产生等离子体云的粒子能量时空分布

为了研究超高速碰撞产生等离子体的粒子能量对航天器电路中元器件的毁伤,获得超高速碰撞产生等离子体粒子能量的时空分布特性是十分必要的。基于超高速碰撞产生稀薄等离子体中带电粒子的运动速度、等离子体的扩散特点,推导出等离子体的粒子能量密度与带电粒子密度及带电粒子运动速度的关系式。进而通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,利用Matlab编程得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云物理过程中,等离子体的粒子能量密度与带电粒子持续时间及被测点到碰撞点距离的时空分布规律。     

战斗部破片速度光幕靶测量方法研究

针对战斗部常规生产检验,提出了采用多个光幕靶、数据采集仪和位置标识器进行测速的方法。光幕靶探测破片穿过的时刻,数据采集仪记录波形并提取破片穿过光幕靶的时间,位置标识器可以识别破片飞行的方向角度,从而计算破片实际飞行的靶距。介绍了测速系统的组成,光幕靶设计以及测速系统的冲击与破片杀伤防护措施。采用战斗部静爆试验验证了所提方法,结果表明所提方法准确有效。给出了破片穿过光幕的瞬态波形。     

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。     

7A04高强铝合金抗杆弹正撞击性能实验研究

 7A04铝合金具有较高的强度-密度比,广泛应用于穿甲工程材料领域。在轻气炮上进行了平头和卵形钢杆弹体正撞击10 mm厚7A04铝合金板的实验研究,得到了两种弹体撞击7A04铝合金靶板的损伤形式和特性。使用高速相机记录了撞击过程并测得了弹体的剩余速度,得到了两种弹体撞击10 mm厚7A04铝合金靶板的弹道极限。实验表明,此种铝合金靶板抗卵形弹体正撞击的能力强于平头弹。     

一维光幕测试旋转对称破片的动能

针对飞行破片动能测试,提出了一种采用光幕测试飞行破片动能的方法。该方法采用两台光幕靶测试飞过光幕的破片的速度,通过破片穿过光幕输出的波形提取体积信息,得到破片的穿靶质量,进而得到破片的动能。文中分析了光幕输出波形与破片体积关系的理论模型,采用3种典型的旋转对称形状物体仿真验证了理论模型,并研究了一种标定方法。实弹射击试验表明,所提方法可以测量旋转对称破片或弹丸的动能,测量精度满足靶场测试的要求。     

用于小破片群测量的光幕靶测试技术

设计并组建了一种阵列式光幕靶测试系统,主要用于测试战斗部正常破片的速度以及破片群分布,尤其是小破片群速度及破片群分布。介绍了激光光幕靶的测试原理,利用该光幕靶进行了室外爆炸动态实验测试,并对实验结果进行了分析。结果表明,该光幕靶能够精确测量尺寸为5mm的破片速度及破片群分布。     

SPH方法在宽速域岩石侵彻问题中的应用

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对花岗岩靶板受碰撞侵彻的大应变、高应变率变形问题进行了数值模拟。为了描述弹目材料的非线性变形及破坏特性,对花岗岩靶板引入了Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型及损伤模型,对弹体引入含损伤的Johnson-Cook(J-C)本构方程和Grüneisen状态方程,靶板与弹体均离散成拉格朗日粒子。通过自编程序仿真计算0～4 m/s的着靶速度下花岗岩靶板的三维侵彻过程,对比分析了钢珠在不同弹体条件下的侵彻结果,在固体侵彻、半流体侵彻和流体侵彻的区域内拟合了侵彻深度随着靶速度的变化曲线。数值计算结果显示,侵彻深度随着靶速度的增加在固体侵彻区间(v01421 m/s)呈现递增趋势,在半流体侵彻区间(1421 m/s?v0?1700 m/s)呈现递减趋势,在流体侵彻区间(v0 1700 m/s)呈现递增趋势并逐渐趋于平滑,达到峰值。     

炸药安全性的火箭橇实验研究

 采用双轨火箭橇加载装置,对PBX-1炸药结构件进行了“靶打弹”撞击实验,采用PVDF计和压电石英计,测量炸药中入射压力和反应压力的变化情况;通过高速摄影和大画幅照相,观察了炸药件受撞击后发生反应的直观图像和靶、弹撞击的细节过程;利用冲击波超压传感器,测量了炸药反应后的超压曲线,并估算了其相对能量释放率。初步实验结果表明,当入射压力为0.48 GPa时,炸药发生部分爆炸,相对能量释放率约为51.8%。     

预制破片冲击起爆裸炸药的理论分析

为了研究球形、圆柱形和正多棱柱形预制破片冲击起爆裸炸药的规律,利用Mathcad软件,基于Held高能炸药冲击起爆u2 d判据进行了理论计算与分析,着重比较了破片的质量、密度、形状、长径比、棱数等对冲击起爆裸炸药特性的影响,并与AUTODYN的仿真结果进行了比较。结果表明:对于球形破片,直径一定时,破片密度增大,质量增加,起爆能力增强;相同材料和直径的球形破片与长径比为1的圆柱形破片相比,圆柱形破片的起爆能力优于球形破片。对于圆柱形和正棱柱形破片,密度和质量一定时,随着长径比的增加,破片的起爆能力下降;正棱柱破片的棱数增加时,起爆能力降低,当棱数趋于无穷时,效果趋近于相应的圆柱形破片。     

超高速撞击产生的等离子体特性研究

采用理论分析和数值模拟方法,对超高速撞击过程中产生的等离子体特性进行了研究。首先,结合热力学和统计物理理论,建立热电离物理模型,推导出热平衡等离子体电离度与温度的关系;进而由热平衡状态下的速度分布,获得等离子体电导率与温度的关系;最后,建立铝弹丸撞击靶板的三维有限元模型,模拟出弹丸以6.0km/s的初速度、60°入射角斜撞击平板的全过程,给出物理模型中所需的物理参数,分析了超高速撞击过程中产生的等离子体特性。通过对比物理实验中测得的等离子体参数,表明模型预测结果与实验结果具有较好的一致性,验证了该模型的有效性。     

带前舱物的钝头弹对金属靶的正穿甲分析

文中考虑前舱物作用导致靶板的预结构响应，对Chen＆Li考虑结构响应的剪切冲塞模型进行修正，对带前舱物的钝头弹穿甲金属靶的工程问题进行刚塑性分析。模型假设前舱物与靶板的撞击中，除部分前舱物将破碎压实并附着在刚性弹体上，撞击过程中弹体质量发生损失且最终消失掉大部分前舱物（如图1）。剪切破坏之外，模型还考虑了靶板弯曲、膜力拉伸和前舱物撞击引起的靶板预结构响应等。     

球形破片侵彻多层板弹道极限的量纲分析

为了研究Q235钢多层板的抗侵彻性能,进行了直径为9.45 mm的钨合金球形破片侵彻7.2 mm和(3.6+3.6)mm厚Q235钢双层板试验,获得了相应的弹道极限。在此基础上,建立数值仿真模型,研究了钨合金球侵彻接触式等厚3层、4层、5层、6层板的弹道极限。通过量纲分析方法,分析了分层数对靶板弹道极限的影响。结果表明:对于球形破片,总厚度为7.2 mm的等厚双层板的抗侵彻性能高于单层板;当分层数大于2时,接触式多层等厚靶板的弹道极限随着层数的增加而减小,即分层数越多,靶板的抗侵彻性能越低,通过量纲分析方法得到了靶板分层数与破片弹道极限的关系。研究结果可为未来装甲防护设计提供一定的参考。     

超高速碰撞微波辐射强度测量

 针对超高速碰撞物理现象研究需要,为了确认超高速碰撞过程中的电磁辐射信号能作为超高速碰撞产生的可探测物理量之一,利用研制的8 mm微波辐射计在中国空气动力研究与发展中心FD-18A超高速碰撞靶开展了超高速碰撞过程中的微波辐射强度测量初步试验研究。对试验测量方案进行了介绍,获得了弹丸超高速撞击半无限铝靶和半无限铜靶时产生的微波辐射强度测量试验结果。弹丸为直径5 mm 的LY12铝球,撞击速度1.98~4.3 km/s,撞击角为0°,结果表明：在本试验条件下,超高速碰撞产生了明显的微波辐射强度,材料的不同导致碰撞过程中产生的微波辐射强度差别较大。