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。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究北大核心CSCD

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

考虑自由表面效应的弹体斜侵彻混凝土弹道的研究

研究了弹体斜侵彻混凝土的弹道问题。基于弹靶分离方法,利用考虑自由表面效应的衰减函数构造得到半经验阻力函数,并将靶体对弹体的作用以该阻力函数代替。通过对弹体斜侵彻过程的数值仿真和试验,得出不同工况下,弹体偏转角、加速度随时间的变化情况以及侵彻深度与弹体速度和靶体倾斜角的关系。结果表明,数值仿真结果与试验结果吻合较好,说明考虑自由表面效应的靶体响应力函数方法具有较高的可靠性。     

基于Lagrange及SPH算法的花岗岩侵彻数值模拟

为研究不同算法对弹体侵彻花岗岩模拟的影响,基于仿真分析软件LS-DYNA中的Lagrange算法及SPH(Smooth particle hydrodynamics)算法,采用Lagrange、SPH-Lagrange耦合及SPH算法分别对弹体侵彻、贯穿花岗岩靶体进行数值模拟,并从计算效率、侵彻深度、速度衰减、靶体损伤、Mises应力分布多方面对比模拟结果,分析3种算法用于研究岩石侵彻问题的优势和不足。研究表明:Lagrange算法的计算效率最高,计算精度高,但存在单元畸变、无撞击溅射、无后坑区等问题;SPH算法的计算效率最低,但模拟效果良好;SPH-Lagrange耦合算法兼具二者优势,但会导致应力滞后和应力波不稳定衰减。在大型模拟中应优先选用Lagrange算法和SPH-Lagrange耦合算法。     

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。     

旋转对卵形弹侵彻钢板影响的FEM-SPH耦合模拟

建立了卵形弹侵彻钢板的FEM-SPH耦合计算模型,研究了弹靶间摩擦系数对弹体剩余速度计算结果的影响,根据实验结果确定了合理的摩擦系数,使耦合计算模型能准确地预测弹体剩余速度和靶板弹道极限。以该模型为基础,在两种不同着靶速度下,研究了弹体的旋转对其正侵彻和以不同入射角斜侵彻钢板时剩余速度和弹道偏转的影响。正侵彻下:旋转对弹体剩余速度的影响大,而对弹道偏转的影响很小;随着转速的增加,剩余速度增大,弹体侵彻能力提高。斜侵彻下:旋转对弹体的剩余速度和弹道偏转都有明显影响,但弹体转速的增大并不总使其侵彻能力提高,与入射角和着靶速度有关;同时旋转使弹体沿入射面外发生偏转,其偏转方向与弹体的旋转方向相关。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验研究

为研究焊接薄壁侵彻弹体的技术可行性,进行了有限元数值仿真,并参考数值仿真结果设计了一组对比实验,利用100mm口径滑膛炮作为发射平台,开展了焊接薄壁弹体侵彻多层钢筋混凝土靶实验。通过实验对比分析了4种不同焊接薄壁弹体的结构响应和靶板破坏情况,优选出了较佳的头部焊接工艺和位置,并对尾部连接方式的强度进行了考核。研究结果可为焊接薄壁弹体的结构设计提供参考。     

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。     

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。     

复合材料弹侵彻混凝土靶的研究

 利用碳纤维复合材料壳体和金属弹头组成的复合弹体,对混凝土靶进行了高速侵彻实验,弹体分别以336、447和517 m/s的速度对强度为30 MPa、厚度为200 mm的混凝土靶进行正侵彻和30°斜侵彻。实验结果表明：碳纤维复合材料壳体具有较高的强度,在高速侵彻靶体的过程中弹体结构能够保持完整,复合材料壳体没有纤维分层和断裂产生。相对于同样结构尺寸的金属弹体（将复合材料壳体替换为密度7.8 g/cm³的金属材料）,复合材料弹填充物的质量分数（18.5%）约为金属弹体的两倍,因此采用轻质高强复合材料替代高密度金属弹身,不仅可以提高弹体装填比、增加比毁伤威力,而且还具有较高的侵彻能力。     

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。     

弹体侵彻混凝土开坑阶段阻力的计算

为了研究弹体侵彻开坑过程中弹头表面阻力,采用应力波表层损伤理论分析了混凝土开坑区的侵彻特性,并在应力波反射形成层裂的基础上解释了靶面成坑机理,建立了计算开坑区弹头表面阻力的新模型,通过数值仿真和实验方法对新模型进行验证。结果表明:数值模拟和实验与新模型的计算结果吻合较好,开坑过程中弹体表面阻力与速度和弹体头部形状有关。新模型能够较好地描述开坑深度与速度的关系,适用于弹体侵彻混凝土靶的阻力计算,克服了Forrestal半经验法的不足。     

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。     

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。     

长径比对长杆弹垂直侵彻能力影响机制的研究

 以长杆弹垂直侵彻半无限靶为研究对象,利用量纲理论,分析了影响侵彻深度的主要因素,采用经验公式和数值仿真对长杆弹侵彻机理进行了系统研究。结果表明：要达到同样的侵彻效率,长径比的增加会增大单位侵彻深度所耗的能量密度;对于具有相同体积的不同弹体,侵彻深度随长径比增加而增大,直至达到某一最大值。研究发现,造成这种现象的主要原因是侵彻过程中后续不稳定阶段产生的漏斗形弹坑和高温影响弹体侵彻,虽然交界面对侵彻深度的影响较大,但与长径比对侵彻效率的影响无明显关系。