刚体与SPH耦合的三维数值方法研究

 研究了刚性体与SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法相耦合的计算方法和技术,以此技术为核心,在原有三维综合拉氏程序CL3D的基础上,研制了适用于斜侵彻问题数值研究的刚性弹体与SPH靶体耦合计算的拉氏三维数值模拟程序CRSPH3D。针对金属材料编入了Johnson-Cook本构模型计算模块,针对混凝土材料编入了Johnson-Holmquist本构模型及与之配套的损伤模型和状态方程等的计算模块。用研制的计算程序对弹体分别正碰和斜碰穿透中厚铝靶和侵彻厚混凝土靶的过程进行了数值模拟计算和分析。结果表明,对于铝靶穿透问题,模拟计算得到的弹体剩余速度、弹体动能损失和贯穿图像与实验结果符合得较好。对于混凝土靶的侵彻问题也得到了与实验现象一致的、定性合理的图像。     

PELE弹丸壳体的损伤断裂模型

结合横向效应增强型侵彻体(PELE)侵彻金属靶板的数值模拟结果和实验结果,将PELE弹丸壳体膨胀断裂过程分为加速膨胀和匀速膨胀两个阶段。在封加波提出的损伤度模型的基础上,推导得到PELE弹丸壳体的损伤断裂方程;并通过PELE壳体断裂实例计算了PELE弹丸壳体膨胀断裂过程的参数,分析了弹丸着靶速度与壳体断裂之间的关系,为PELE弹丸设计提供了理论指导。     

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。     

卵形弹侵彻混凝土靶实验研究

 采用电探针测试技术和分幅照相技术测定了按比例缩小的三种弹丸的着靶速度及侵彻过程，获得了弹丸着靶速度及对应的最大侵彻深度数据。通过对实验数据的分析，给出了估算弹丸着靶速度与最大侵彻深度的经验公式，计算结果与本实验和文献［2, 3, 4］的实验数据相符。     

锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻与穿透的理论研究(英文)

研究了在不同速度的刚性锥头弹丸撞击下固支金属厚靶的侵彻和穿透性能。假定靶板的变形是局部化的,且冲击能量仅通过侵彻过程吸收,同时假定弹体在侵彻过程中表面所受靶体的平均压力是由基于空穴膨胀理论的靶体材料弹塑性变形所引起的静态阻力以及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静阻力要进行自由表面效应修正,而且动阻力是瞬时侵彻速度的函数。获得了锥头弹丸在侵彻和贯穿过程中的弹道极限速度和残余速度的公式。将理论预测与实验结果进行比较,发现两者符合得很好。     

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。     

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。     

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。     

弹丸碰靶的数值分析

弹丸高速碰靶是穿甲力学的重要研究课题,也是研究材料动态弹塑性特性的重要内容。本文用双向Lagrange APHEMP^[1]程序对圆截面柱体钢弹丸碰击铝靶板进行了数值模拟,理论计算结果与实验结果作了对比,并对碰撞过程中的力学图象进行了分析研究。     

双硬度靶对球形弹丸的防护性能

以钢/铝双硬度爆炸焊接复合靶为研究对象,采用系列弹道实验和数值模拟方法,研究了其在球形弹丸垂直侵彻作用下的抗侵彻性能。侵彻实验利用直径为14.5mm的滑膛枪发射直径为6mm的钢质球形弹丸;采用LS-DYNA3D非线性有限元程序和有限元-光滑粒子流体动力学(FE-SPH)耦合法,进行数值模拟。基于实验和数值模拟结果,分析了不同靶板的毁伤机理和破坏模式,以及靶板厚度、强度等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形弹丸的垂直侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;对于双层靶而言,钢面板与铝背板的厚度比约为2/3时,复合靶的抗侵彻性能最差;数值计算结果与实验结果吻合良好,表明FE-SPH耦合算法可较好地预测双层复合靶板的抗侵彻性能。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

球弹丸超高速碰撞双层板防护结构撞击极限分析

 防护结构的撞击极限是空间防护领域的重要研究内容。基于对理想弹塑性薄板的分析，得到了双层板结构的撞击极限方程。所得方程适用于球形弹丸超高速正撞击双层板结构的情况，分析时采用了Rayleigh-Ritz法及Tresca屈服准则。为验证方程的有效性，对实验进行了预报分析，并且与已有的经验方程的撞击极限曲线进行了对比。结果发现，方程预测结果的准确率为80%，且所得的撞击极限曲线与已有的经验方程曲线吻合得很好。     

铝球弹丸超高速斜撞击薄铝板特性研究

 利用2017铝合金球形弹丸超高速斜撞击2A12铝合金薄板，模拟空间碎片对航天器防护屏的超高速撞击作用。分析了铝合金薄板超高速斜撞击穿孔特性与弹丸滑弹返溅特性，建立了铝合金球形弹丸超高速斜撞击铝合金薄板的穿孔经验公式。弹丸撞击速度分别为2.58、3.56和4.31 km/s，撞击角度为10°~80°。实验结果表明：铝合金薄板超高速斜撞击椭圆穿孔尺寸与撞击速度和撞击角度有关，直径为3.97 mm的铝合金球形弹丸超高速斜撞击厚度为1 mm的铝合金薄板时，发生滑弹返溅的临界撞击角在30°~40°之间。最大滑弹返溅角随着撞击角的增大而逐渐减小，此时滑弹返溅碎片云的影响范围缩小，但破坏能力增强。弹丸撞击速度对铝合金薄板超高速斜撞击穿孔的椭圆度影响较小。     

超高速弹丸撞击三维编织C/SiC复合材料双层板结构的实验研究

 目前在航天器防护结构设计中,采用的方案仍是双层（或多层）屏蔽结构 。双层板屏蔽结构由前板、后板和空隙组成。实验采用一种新型三维四向碳纤维织物结构增强SiC陶瓷基复合材料（简写为3DBC/SiC）做前板,其在超高速弹丸冲击作用下发生粉末化,和铝板做前板相比,所形成的碎片云团中有效碎片数目大大减少,减轻了对后板的破坏作用。结果表明：3DBC/SiC是航天器防护结构设计中一种比较理想的防护材料。