射弹冲击下带预裂槽金属靶的防护性能研究（英文）

采用弹道实验和数值模拟的方法研究了带环形预裂槽的金属靶在射弹冲击下的毁伤模式和防护性能,分析了弹头形状、预裂槽直径及深度等因素对靶板防护性能的影响。结果表明:对带有环形预裂槽的金属靶板,存在两种主要毁伤模式,即环形槽内部的侵彻和环形槽底的冲击断裂;临界毁伤速度与毁伤模式密切相关,随着环形槽深度的增大或半径的变小,临界毁伤速度变小;与尖头弹相比,平头弹的临界毁伤速度更小;微观分析表明,在射弹冲击作用下,环形槽底部产生绝热剪切带,更容易形成充塞剪切破坏。     

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。     

分段PELE弹体冲击多层靶板数值分析

为了实现侵彻体对多层靶板的高效毁伤,采用数值模拟方法研究了分段式横向效应增强体(PELE)对4层金属靶的侵彻效应,获得了弹体侵彻速度和靶板厚度对弹体终点效应的影响。结果表明,分段PELE弹侵彻4层靶的靶后效果优于普通PELE弹。与金属杆相比,分段PELE弹侵彻多层靶后的弹孔直径更大。弹丸贯穿各层靶板后壳体的径向速度峰值随着靶板厚度的增加而增大,而壳体破碎长度并不随之线性变化。提高弹丸侵彻速度时,弹丸穿过第1层靶板后壳体破碎长度的变化趋势与径向速度峰值的变化相似,穿过第2层和第3层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值在侵彻速度为1.4km/s时达到极大值,随后下降,而穿过第4层靶板后壳体破碎长度和径向速度峰值随着初速度的增加而增大。     

动能杆侵彻目标靶毁伤效果研究

针对动能杆侵彻目标靶的毁伤评估问题,从有限元角度出发,在数值模拟的基础上,提出了单根动能杆的毁伤指数计算模型;以不同杆体角(从-60°到90°以30°递增)和速度角(从0°到75°以15°递增)对靶板进行侵彻仿真,得到了多种情况下动能杆的毁伤指数和分布规律。一般情况下,毁伤指数随速度角的增加而增大,但当速度角为30°或60°时,速度角和杆体角一致时毁伤指数最大,并针对此种情况进行了分析。将动能杆垂直侵彻靶板的仿真结果与经验公式的计算结果进行了对比,二者相差4.06%,证实该仿真方法是可行的。     

射弹动力学方程的修正与超空泡形态

超空泡的形成对水下高速射弹运动有着非常重要的影响,为了更加全面地反映超空泡对水下射弹运动的作用以及超空泡的形态变化规律,通过对通常的射弹动力学方程进行修正,并结合Logvinovich原理,得到了在超空泡的影响下水下射弹的速度和位移的解析表达式,同时结合数值仿真研究了水下射弹运动过程中产生的超空泡形态的变化规律.解析分析和数值仿真结果表明,如果修正项系数越大,将导致射弹速度衰减得越快,完整空泡扩展时间越短,空泡长度越小,以及最大空泡截面半径越小,从而越不利于超空泡的形成.     

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。     

弹丸高速斜侵彻入水流场显示的初步研究

为认识弹丸高速斜侵彻入水的气/水界面变形破碎、入水空泡和水中冲击波传播,利用可变发射角立式二级轻气炮发射高速弹丸,结合高速激光阴影和纹影流场显示,给出了高速弹丸斜侵彻入水流场的演化图像。结果表明:当弹丸速度在350 m/s附近时,弹丸尾部气流会越过弹丸头部产生冲击波,因为时间短且水惯性大,冲击波在气/水界面反射但不会影响弹丸姿态和气/水界面。弹丸斜侵彻在水中产生冲击波系,气/水界面发生形变和破碎("碎片云"),水中产生冲击波系和空化气泡区,难以识别气泡和"碎片云"的边界,不同头部构型弹丸会影响气泡和"碎片云"体积大小以及水下弹道稳定性。弹丸速度为1.8 km/s时,碎片云体积大于水下空泡体积,但流场结构和350 m/s情形相似。采用立式二级轻气炮和流场显示系统,为研究高速弹丸斜侵彻入水现象提供了新的途径。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题。采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟。选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1300m/s的子弹侵彻6mm靶板的的速度、加速度、能量变化曲线和Von-Mises应力云图,从而直观的显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程。验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义。并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

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。     

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%。     

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。     

弹丸对钢筋混凝土中钢筋交汇处侵彻效应研究

考虑弹丸在钢筋交汇处与钢筋直接发生作用的情况,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的近似模型。利用该模型得到了弹丸侵彻钢筋混凝土过程中弹丸的加速度时间历程。计算结果与实验结果符合较好。用该模型分析了不同配筋结构、配筋尺寸和网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响,结果表明:弹丸从钢筋交汇处侵彻时,当弹丸动能相对较小时,随着网眼尺寸的减小,弹丸的大部分能量均消耗在侵彻第一层配筋结构中,当弹丸动能较大时,不管网眼尺寸多大,第一层配筋均只消耗掉弹丸的部分能量;配筋直径和网眼尺寸对侵彻深度的影响较大。     

Optical investigation of cavitation erosion by laser-induced bubble collapse

By means of a new force sensor based on optical beam deflection (OBD), the mechanical effects of laser-matter interaction underwater at different incident laser energy are investigated in detail. The experimental results show that a target underwater is impacted in turn by laser-plasma ablation force and high-speed liquid-jet impulse induced by bubbles collapse in the vicinity of a solid boundary. Furthermore, the amplitudes of the two forces increase monotonously with laser energy. According to the ablation force detected by the experiment and the theoretical relationship between laser intensity and ablation pressure, the value of liquid-jet impact against a solid boundary can be easily obtained. In addition, based on the model of a collapsing bubble, some characteristic parameters, such as the liquid-jet impact velocity, the maximum bubble radius, the bubble energy can also be obtained at different laser energy, which are valuable in the corresponding research fields.     

Mechanical effects of laser-induced cavitation bubble on different geometrical confinements for laser propulsion in water

Laser propulsions of six kinds of propelled objects in water and air are studied in this paper. The kinetic energy and momentum coupling coefficients gained by the objects after implementation of single laser pulses are investigated experimentally. It is shown that the propulsion effects are better in water than in air. Both in water and in air, the propulsion effects are better if there is a cavity on the laser irradiated surface of the object, and a hemispherical cavity works better than a 90°-conical cavity. A concept of equivalent reference pressure is proposed in this paper. It means that the asymmetry in the liquid induced by a rigid boundary near a spherical or nonspherical oscillating bubble can be approximated as the perturbation induced by a compressive stress wave passing through a bubble in the infinite static liquid. Thus, the collapse time and the pressure surrounding the nonspherical collapsing bubble can be estimated based on the maximum velocity of the liquid jet tip. Experiments also show that cavitation with oscillations and collapse can be induced at the object-water interface on the outside surface of the object head by the penetrating intensive stress wave and the elastic deformation of the object head. The bulging velocity of the object surface is calculated based on the propagation theory of stress waves at medium interfaces.     

聚能装药侵彻混凝土靶板的数值模拟

将MEPH2Y程序和LTZ-2D程序衔接在一起,应用于分析射流、射弹对混凝土靶板的侵彻问题.模拟射流对混凝土靶板的侵彻以及靶板的损伤破坏情况,计算结果与实验结果符合得较好.     

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。     

土介质对低速弹丸的抗侵彻性能实验研究

 通过低速条件下弹丸对硬土、中硬土和中软土不同土介质侵彻性能的实验研究，得到了弹丸对土介质垂直侵彻的弹道特点和不同弹丸速度对不同性能参数土介质的侵彻深度，拟合得到了不同土介质中侵彻深度随弹丸动压增加呈线性增加的无量纲关系式；基于低速弹丸对不同土介质具有不同侵彻性能的实验研究方法，可有效标定不同土介质抗侵彻性能和弹丸侵彻不同土介质性能；通过实验数据与Young侵彻公式计算结果的比较分析，验证了Young公式在侵彻深度小于弹丸直径3倍时的有效性。