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。     

钢芯弹冲击高强度钢过程的数值模拟分析

 通过材料特性实验获得7.62 mm×39 mm普通钢芯弹弹芯、N-1高强度钢靶板材料的力学本构模型参数,建立了弹体和靶板的精细有限元模型。对靶板钢材的J-C断裂准则进行改进,并在LS-DYNA软件中实现。应用改进的断裂准则进行了N-1钢受普通钢芯弹垂直冲击过程的数值模拟,计算结果可更准确地反映出实验中靶板出现的绝热剪切冲塞行为,冲塞尺寸较接近实验结果,弹道极限速度也与实验吻合。由此克服了基于原J-C断裂准则计算的缺陷——靶板发生与实验结果不符的拉伸型破坏、冲塞尺寸明显偏小。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

局部改性弹体低速贯穿金属靶板的破坏形式研究

为研究局部改性弹体结构的破坏和质量损失规律,设计了不同改性特征的侵彻弹体,在380~500m/s速度范围内进行了侵彻装甲靶板的实验研究,并对弹体的破坏形式、质量损失等问题进行了探讨。结果表明:随着初始速度的增加,实验弹体的弹长侵蚀率及相对质量损失率相应增加,而弹径磨损率变化较小;穿靶后实验弹体以头部剪切断裂为主要破坏形式,但主体部分仍然保持稳定。改性工艺(1)和工艺(5)既与弹体强度有较好的匹配性,又可保持良好的破碎性能。     

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。     

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。     

钝头弹体对韧性金属圆板的剪切冲塞和穿甲

刚性弹对金属靶的穿甲通常包括局部撞击响应和整体结构响应。针对穿甲问题要想获得一总体结构模型，将各种响应和失效模式同时包含在分析中，是非常困难或不现实的。发展简单而有合理精度并可预期实验观测的分析模型，是工程应用所迫切希望的。文中对此开展工作，针对钝头刚性弹撞击金属圆板的问题，提出一个剪切冲塞模型，用于分析终点弹道极限和剩余速度。除剪切破坏之外，模型还考虑了靶板弯曲、膜力拉伸和局部压入／侵彻等的作用。     

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。     

基于闪光光谱的侵彻过程光学观察窗口分析

可见光高速摄影是研究弹丸侵彻过程的重要方式,然而弹丸侵彻过程中发出的强烈闪光会导致高速摄影丢失诸如着靶、侵入等时刻的关键画面。因此,分析侵彻光谱发生机理、选取合适的侵彻过程光学观察窗口尤为重要。针对400 mm直径高强度钢卵形弹以804 m·s^-1侵彻20 cm厚度45^#钢靶的实验,设计了光谱瞄准采集设备。利用多模光纤耦合物镜在距离靶板25 m处采集了侵彻全过程积分光谱,采集区覆盖靶板直径431 mm。对侵彻靶板破片中可能存留的弹头熔融物质以及弹托其他样品进行LIBS(laser induced breakdown spectroscopy)分析,并与侵彻积分光谱成分对比分析。研究表明,侵彻光谱与高速碰撞闪光光谱发生机理相同,均包含连续光谱与线光谱。615～700 nm区间内的平稳积分连续光谱由两部分组成：(a)弹靶少量金属元素和OⅠ、 OⅡ发射光谱的展宽积分;(b)少量热辐射光谱积分。侵彻热辐射主要源于剪切应变做功和摩擦做功,然而侵彻光谱中的热辐射强度明显低于高速碰撞光谱,这是弹丸在剪切冲塞、侵彻后大部分动能得以保留造成的;侵彻过程可见光光...     

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。     

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。     

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。     

三维正交机织复合材料弹道侵彻数值模拟

利用LS-Dyna有限元软件开展球形弹弹道侵彻Kevlar/乙烯基树脂三维正交机织复合材料的模拟研究,靶板采用含损伤的正交各向异性本构模型和Hashin失效准则,子弹剩余速度的计算值和实验值符合较好,破坏形貌和实验基本一致,并给出侵彻速度时程曲线;结合x方向纤维和面内基体的损伤演化图,分析弹道侵彻过程和材料的破坏模式.     

GFRP复合三明治板在高速弹体冲击下的弹道极限预测（英文）

研究了玻璃纤维复合三明治板在圆柱形平头弹体打击下的预测弹道极限的理论预测方法。建立了玻璃纤维复合三明治板的三阶段侵彻模型,包括侵彻面板阶段、侵彻复合材料夹芯层阶段和侵彻内板阶段。基于高速弹体侵彻下靶板的局部变形假设建立了理论关系,将弹体侵彻复合材料夹心层时视为刚体处理,面板和背板的侵彻阶段考虑了弹体的墩粗效应和靶板的绝热剪切效应。基于能量平衡原理,推导了复合材料三明治板的弹道极限,并将理论计算结果与实验结果进行对比和分析,研究了不同侵彻速度、弹体质量和夹心层厚度对弹道极限的影响。结果表明,理论计算结果与实验结果具有较好的一致性。     

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。     

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。