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。     

不同头形弹丸对薄钢靶穿甲机理的数值模拟

为了研究弹丸头部形状以及初速对薄钢靶穿甲机理的影响，本文针对平头和球头弹丸对薄钢靶的穿甲问题，采用数值模拟的方式，基于文献试验数据和材料参数，利用LS-DYNA软件对质量m=38．5g，φ12．7mm的平头和球头弹丸以V0=200～900m／s的初速分别正穿ht=1．6mm和ht=3．2mm厚的靶板进行了数值模拟研究，主要讨论了弹丸头部形状、初速以及靶板厚度对弹丸穿靶机理的影响，并分析了弹靶撞击的结构响应和材料响应，通过研究获得了上述因素弹丸穿靶机理影响的认识。主要结果如图1和图2(局部放大)所示。研究结果表明：     

刚性弹对金属靶板的斜穿甲分析

刚性弹对金属靶穿甲通常由侵彻过程和最终失效模式控制，常用多阶模型进行分析。如何在斜穿甲分析模型中包括主要的变形和失效模式而同时保持模型的简便和合理精度，仍是值得尝试的。基于动态空腔膨胀和冲塞机制，文中研究不同头形刚性弹以斜角斛厚度Ⅳ的金属靶的斜穿甲。     

平头弹丸正撞击下延性金属靶板的破坏模式

 对延性金属靶板在刚性平头弹丸正撞击下的破坏模式进行了研究。一般而言，延性金属靶板的破坏模式可以分为两种：带有总体变形的局部简单剪切破坏和局部化的绝热剪切冲塞破坏。首先基于Bai-Johnson热塑性本构关系建立了一个局部化的绝热剪切冲塞模型，然后结合描述带有总体变形的局部简单剪切破坏的Wen-Jones模型，找出了两种模型之间转化的临界条件。理论预测与文献中的实验结果吻合得很好。     

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。     

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。     

刚性弹对混凝土靶的正侵彻

刚性弹对混凝土靶的侵彻和穿甲已有广泛研究。大量的经验公式(如ACE，UKAEA，NFDRC等)可为弹体侵彻及防护设计提供直接和便利的参考。但是，经验公式的缺点，如量纲依赖性、弹头形状因子经验定义以及有限的适用范围等，限制了它们的应用。本文借助动态空腔膨胀理论和量纲分析，对刚性弹侵彻混凝土靶的动力学问题开展理论研究，给出侵彻动力学中的无量纲控制参数。     

杆式钨合金弹超高速撞击薄靶的能量损耗

超高速撞击过程伴随着复杂的物理过程。为分析杆式圆柱形钨合金弹超高速撞击薄钢靶时的物理过程,采用AUTODYN/SPH数值仿真计算方法获得了撞击过程模型及每个光滑粒子流体动力学信息,并通过广度搜索破片识别程序识别每个破片所含粒子,利用MATLAB编程对破片粒子数据信息进行统计分析,获得弹靶撞击过程的变化特性、弹靶破片数量、相关能量随撞击时间的变化规律。通过分析发现:随着弹体撞击速度的增加,剩余弹体被严重侵蚀,且弹体能量损耗增加,弹体损失的能量主要转变为弹靶破片动能;计算得到了撞击20μs时的能量损耗直方图,同时分析了发生撞击时靶板的能量变化过程,并简要描述了该过程。     

钻地弹的力学设计

对于单纯动能侵彻的钻地弹，存在侵彻深度上限。在战术技术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可实现最大侵深，其中弹体结构的力学设计尤为重要，如弹形、弹材、质量比、长径比等。又因为弹体常为细长中空结构，其抗弯能力和各截断体的连接（包括连接位置和方式等）对其在斜撞击中过靶结构完整性有决定作用。为此，结合作者先前关于穿甲／侵彻的理论工作，开展钻地弹弹体设计的力学分析。     

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。     

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。     

石英玻璃球撞击刚性壁的破碎过程

利用高速枪对石英玻璃球撞击刚性靶板进行了实验研究,分析了不同速度下球体的破碎过程和失效模式。当冲击速度低于临界破坏速度时,石英玻璃球以略低于原速从靶板回弹;当超过临界破坏速度时,球体呈现“压缩破碎区-表面剥落区-剪切破坏区”的破坏结构;进一步提高碰撞速度,剪切破坏区的扩展导致球体碎裂为若干“月牙状”的碎块;更高撞击速度下,石英玻璃球发生坍塌式破碎,在远离撞击端处产生层裂现象。利用离散元软件对球体的撞击破坏过程进行了模拟研究,球体在高速碰撞下的破碎可以分为弹性压缩、整体破碎和二次撞击3个阶段。球体碎裂前Hertz接触理论可以较好描述其撞击力,而破碎后的撞击力由于碎裂卸载远小于理论值,且偏差随冲击速度逐渐增加。     

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。     

陶瓷球金属复合结构的抗弹性能和梯度设计

陶瓷是具有轻质高强特性的常用抗弹材料,但其本身的脆性特点使得陶瓷利用率较低,局部的击穿往往导致整块陶瓷破碎。为了提高陶瓷的利用率,提出了一种分层梯度陶瓷球金属复合结构,并通过数值模拟研究了陶瓷球尺寸及着弹点的影响。从子弹和靶板的变形、弹速变化和塑性波传播等角度分析了陶瓷球金属复合结构的抗弹机理,并对结构进行了梯度优化设计。研究结果表明,直径为7.2 mm的陶瓷球结构的综合抗弹性能良好,在此基础上设计的梯度陶瓷球结构能进一步提升抗弹性。陶瓷球金属复合靶板呈局部破坏,靶板其他位置仍具有抗打击能力。     

钨合金易碎穿甲弹对柴油的引燃特性

为研究着靶速度、着靶角度、靶板厚度和弹体截面形状对易碎穿甲弹引燃特性的影响,在对易碎穿甲弹引燃特性分析的基础上,开展了不同条件下钨合金易碎穿甲弹对0号柴油的穿甲引燃实验。结果表明:弹体的引燃特性随着着靶速度的增加而提高;在一定范围内,靶板厚度的增大有利于提高弹体的引燃特性,但是随着靶板厚度的进一步增大,弹体的引燃特性减弱;在不同着靶速度和着靶角度下,三角形截面易碎穿甲弹较等截面面积和弹长的圆形截面易碎穿甲弹有更好的引燃特性。     

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。     

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。     

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。