椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。     

基于局部相互作用理论的侵彻弹头部形状优化及仿真

以局部相互作用理论为基础,引入与弹体头部形状相关的开坑计算方法和归一化弹体头部形状方程,给出了任意头部形状弹体侵彻混凝土深度的计算模型。利用最大侵深法,得到了无量纲头部形状控制参数表达式及经典变分头部形状优化设计方法。理论计算及弹靶分离仿真模拟计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明:弹体头部相对半径较小时,球头锥形和球头卵形弹体优化后得到的头部形状分别为尖头锥形和尖头卵形;优化截头弹体的侵彻深度大于优化尖头弹体,而优化截锥形弹体的侵彻深度最大;弹体头部形状对弹体侵彻过载的影响显著,优化弹体头部形状可以有效地提高侵彻深度。     

动能深侵彻弹的力学设计(Ⅱ):弹靶的相关力学分析与实例

介绍了作者关于动能深侵彻弹研究的部分工作。单纯动能弹侵彻存在侵彻深度上限，在技战术指标一定的前提条件下，弹体结构的优化可令动能深侵彻弹尽可能实现最大侵深。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。进一步开展弹体结构设计的力学研究，包括头部设计、战斗部后盖、装填比、弹形和弹材、侵彻效应中的尺度律、混凝土靶的设计，最后给出若干实例。     

弹体侵彻混凝土靶体的尺寸效应分析

由于混凝土靶体抗刚性弹侵彻实验大多基于缩比弹体展开，侵彻深度相似律是否成立显得尤为重要。在侵彻相似模型基础上，综合分析已有侵彻实验数据及经验公式，发现侵彻深度在通常情况下存在尺寸效应，且无量纲侵彻深度随弹体尺寸变大而增大。但如果模型以及原型实验中弹体与混凝土靶体（包括粗骨料）严格等比例设计，侵彻深度相似律是成立的。不变的骨料特征（粗骨料未随弹体尺寸缩放）是引起侵彻实验以及侵彻经验公式中尺寸效应的主要原因。为研究由粗骨料引起的侵彻尺寸效应，开发了混凝土二维细观有限元建模程序，细观数值实验成功地反映出了侵彻尺寸效应，考虑模拟尺寸效应后的侵彻公式能较好地预测不同尺寸侵彻实验。     

动能侵彻弹体的质量侵蚀模型分析

通过对高速侵彻弹体的质量侵蚀实验现象进行分析,建立了质量侵蚀的工程理论模型,可对动能侵彻弹体头部侵蚀后的头形和质量侵蚀进行预期. 讨论弹体质量侵蚀的主要影响因素,认为弹体动能(或质量和速度)以及混凝土骨料硬度对弹体的质量侵蚀有显著影响,给出了更一般化的弹体质量侵蚀与撞击函数$I$的关系. 通过图形分析明确弹体的质量侵蚀主要发生于头部,并且侵蚀后的弹头仍接近尖卵形,可以通过头形变化预期弹体的质量损失.      

卵形头部刚性弹侵彻厚靶的半解析模型

基于确定靶体中速度势和速度场的方法分析刚性卵形头部弹体对有限厚靶的侵彻问题。推导了靶体中速度场与应力场的计算方法,利用据此编制的计算程序,计算了卵形头部钢弹体对铝靶的侵彻与穿透问题,给出了侵彻深度与剩余速度同初始碰撞速度的关系。结果表明,在对实验参数不经过任何调整的情况下,得到了同试验曲线相吻合的结果。可以看出该方法的有效性。     

卵形头弹体对素混凝土高速侵彻的实验研究

利用二级轻气炮装置,选取材料为38CrMnSi的卵形头弹对素混凝土靶体进行了撞击实验。根据得到的实验数据以及实验后回收的弹体和靶体,分析了动能弹高速侵彻素混凝土时的弹靶响应特性,包括弹体质量损失规律及其机理、靶体损伤特征和侵彻深度随速度的变化规律。结果分析表明,弹体侵彻素混凝土靶体过程包括锥型弹坑阶段和隧道稳定阶段,从较低速到高速侵彻,弹体发生了CRH变小、头部半球化和锥形化的特征性现象,并伴随着不同程度的质量损失,由此引发侵彻深度在高速侵彻时较小的波动。进一步引用弹体侵彻混凝土靶响应模型进行了理论分析,发现在较低速撞击时,利用模型计算得到的值与实验结果比较吻合,而高速撞击条件下偏差则较大,需要考虑弹体头部形状变化对侵彻响应结果的影响。     

异型头部弹体增强侵彻性能机理研究

为了了解理想刚性弹丸的高速/超高速动能侵彻中弹体头部形状对侵彻能力的影响,在空腔膨胀理论基础上,基于双卵形异型头部设计,分析了头部形状系数与双卵形特征参数的依赖关系,得到了不同异型头部弹体对侵彻性能的影响规律,提出了具有较小侵彻阻力的异型头部侵彻体设计方案。与不同头部侵彻实验结果对比表明,本文的分析方法合理可行,可为高速侵彻体头部形状设计提供参考。     

考虑摩擦因数变化的弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型研究

弹体在高速侵彻混凝土介质时,由于弹靶之间强烈的局部作用,导致弹体发生质量损失和弹头钝化。为进一步探究弹体高速侵彻混凝土靶质量侵蚀效应及其影响因素,基于热熔化机制及变摩擦因数模型,考虑弹体侵彻过程中头部形状变化,修正了弹体高速侵彻混凝土质量侵蚀模型。为验证模型的可靠性,基于30 mm弹道炮平台,开展了卵形弹体高速(700～1 000 m/s)侵彻典型混凝土靶体实验,获得了弹体高速侵彻质量侵蚀结果。结合理论模型对本文实验及文献实验数据进行了对比分析计算,验证了本文修正模型的可靠性。结果表明:弹体侵彻过程中,滑动摩擦项占总摩擦力的10%～40%,它对弹体侵彻过程的影响不能被忽略;考虑摩擦因数变化的质量侵蚀模型预测结果与已有实验数据吻合得较好;与本文实验数据的最大误差不超过7%,能较准确地预测不同工况下弹体的质量损失。     

高速侵彻混凝土弹体侵蚀效应试验研究

为了探究高速侵彻条件下弹体侵蚀效应及其影响因素,本文利用滑膛炮发射平台,采用次口径发射技术,在800～1800m/s速度范围内,开展了卵形头部弹体高速侵彻混凝土终点效应试验,重点研究了弹体口径、材料、CRH(曲径比)、长径比、屈服强度等因素对侵蚀效应的影响。通过试验获得了高速侵彻条件下弹体侵蚀变形情况,分析了侵彻深度和弹体质量损失率的影响规律,对弹体侵蚀机理进行了探讨。结果发现:通过合理设计弹体结构,提高极限速度大小,增大弹体截面比动能,可以有效增加弹体最大侵彻深度;提高弹体材料动态屈服强度能在一定程度上减小弹体侵蚀效应,提高侵彻深度。     

卵形弹体侵彻预开孔靶理论分析

以破爆型串联战斗部后级随进弹对预开孔靶侵彻过程为研究对象,基于锥形预开孔和库仑摩擦模型,发展完善了包括扩孔/开坑和稳定侵彻的卵形弹体侵彻预开孔靶理论模型。分别对该模型在侵彻脆性和弹塑性靶体的有效性进行了实验验证。利用该模型分析了弹头曲径比、预开孔直径、预开孔形状等对侵彻结果的影响。研究结果表明:发展完善的模型计算结果与实验数据吻合较好。柱形开孔情况下,侵彻速度、弹头曲径比及相对孔径同侵彻深度呈正比;在侵彻容积相同的条件下,弹体侵彻预开锥孔的侵深结果与锥角及相对入孔孔径变化关系较大。     

Stability analyses of the mass abrasive projectile high-speed penetrating into concrete target. Part Ⅱ： Structural stability analyses

The initial oblique and attacking angles as well as the asymmetrical nose abrasion may lead to bending or even fracture of a projectile,and the penetration efficiency decreases distinctly.The structural stability of a high-speed projectile non-normally penetrating into concrete and the parametric influences involved are analyzed with the mass abrasion taken into account.By considering the symmetrical or asymmetrical nose abrasion as well as the initial oblique and attacking angles,both the axial and the transverse drag forces acting on the projectile are derived.Based on the ideal elastic-plastic yield criterion,an approach is proposed for predicting the limit striking velocity（LSV）that is the highest velocity at which no yielding failure has occurred and the projectile can still maintain its integral structural stability.Furthermore,some particular penetration scenarios are separately discussed in detail.Based on the engineering model for the mass loss and nose-blunting of ogive-nose projectiles established in Part I of this study,the above approach is validated by several high-speed penetration tests.The analysis on parametric influences indicates that the LSV is reduced with an increase in the asymmetrical nose abrasion,thelength-diameter-ratio,and the concrete strength,as well as the oblique and attacking angles.Also,the LSV raises with an increase in the initial caliber-radius-head（CRH）and the dimensionless cartridge thickness of a projectile.     

钨合金弹体对混凝土靶的超高速侵彻机理

为研究钨合金弹体超高速侵彻混凝土靶的相关机理,构建了适用于超高速撞击的金属强度模型、失效模型和混凝土的本构模型,对93钨合金弹体超高速撞击混凝土靶问题进行了数值模拟。开展了钨合金弹体超高速撞击混凝土靶实验,分析了靶板成坑特性,研究了侵彻总深度和残余弹体长度随撞击速度的变化规律,理论分析了长杆钨弹超高速撞击混凝土的侵彻模型和混凝土靶内的应力波传播。得到以下主要结论:（1）利用金属及混凝土的新本构模型获得的超高速撞击混凝土靶的破坏形貌数值模拟结果与实验结果一致;（2）超高速撞击条件下混凝土靶成坑为“弹坑＋弹洞”形,成坑体积与弹体动能近似成正比;（3）超高速撞击条件下,侵彻深度随弹速提高呈现先增大后减小的现象,高速段侵深降低是弹体经历销蚀侵彻后“刚体侵彻阶段”减少造成的;（4）建立的钨合金超高速撞击混凝土侵彻分析模型,可用来预估侵彻深度、残余弹长、蘑菇头直径等参数;（5）采用建立的超高速撞击混凝土靶内应力波传播理论模型得到的计算结果与实验结果吻合较好。     

弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型

既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力,提出了弹丸侵彻钢筋混凝土的工程解析模型。不同初速下弹丸的侵彻深度、侵彻过程中弹丸的位移、速度和负加速度时间历程的计算结果与测试数据符合很好,弹丸过载在12 000g~15 000g之间。该解析模型能够较真实的描述弹丸侵彻钢筋混凝土过程中的运动状态,并且该模型能够分析配筋结构、配筋尺寸、网眼尺寸对侵彻深度和侵彻过程的影响。     

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对穿甲弹准定常侵彻半无限厚靶 板的问题,提出了一个考虑应变率效应的包括带有蘑菇头的未碎弹体、弹的破碎及扩孔区、 靶的破坏和扩孔区的简化侵彻模型. 通过侵彻过程中简化模型各部分的力学守恒定律,得到 了侵彻问题的简化常微分方程组,并以分析和数值计算相结合的方法分析了弹、靶强度的应 变率效应及弹破碎应变的应变率效应对侵彻效果的影响. 数值计算结果跟实验结果对比基本 一致.     

混凝土侵彻数值模拟的影响因素

利用动力学计算软件AUTODYN 2D,采用拉格朗日网格描述弹、靶模型,对弹径比为0.3、直径为75 mm、长225 mm的卵形弹垂直侵彻直径为1.6 m、厚度为2 m的混凝土靶板的过程进行了数值模拟。通过设置静水压和主应力2种拉伸失效模式、不同的混凝土靶板网格尺寸以及不同的销蚀应变分别进行计算,考察以上因素对侵彻深度及靶板前表面损伤面积计算结果的影响。结果表明:3种因素对数值模拟结果的影响显著;靶板网格尺寸选择5.0 mm时,计算结果较合理;分别选用2种不同的拉伸失效模式,侵蚀应变取1.5时,计算结果与实验结果均较接近;而当选用静水压拉伸失效模式,侵蚀应变取2.0时,计算结果与实验结果吻合最好。     

刚性弹丸侵彻钢筋混凝土的实验和简化分析模型

通过Φ57mm半穿甲弹对钢筋混凝土的垂直侵彻实验,得到了弹丸的撞靶速度、成坑深度、最大侵彻深度以及过载时程曲线等实验数据.对实验后钢筋的断裂特征进行分析,得到钢筋的典型破坏模式.将钢筋的破坏简化为弯曲+剪切断裂和弯曲+拉伸断裂这两种模式.根据混凝土侵彻模型和梁断裂失效理论,建立了刚性弹丸垂直侵彻钢筋混凝土的简化分析模型.将理论计算得到的侵彻深度、速度与过载时间历程分别与实验数据进行对比,结果表明两者吻合较好.研究表明,钢筋只对弹体侵彻过程产生局部影响,混凝土的抗侵彻阻力仍是钢筋混凝土抗侵彻阻力的主要组成部分.     

配筋结构对弹丸侵彻过程影响的研究

本文提出的弹丸侵彻钢筋混凝土的解析模型,既考虑了弹丸侵彻过程中受到的动阻力与静阻力,又考虑了弹丸与钢筋发生碰撞时钢筋对弹丸的直接阻力.该解析模型的计算结果能反映弹丸与钢筋结构的作用过程,与测试数据符合较好.用该模型计算了配筋尺寸、网眼尺寸、配筋结构对侵彻深度、侵彻过程弹丸过载特性的影响.计算结果表明网眼间距越小,弹丸峰值负加速度越大;配筋直径增大,弹丸与钢筋的作用力显著增大,弹丸过载显著增大.     

超高韧性水泥基复合材料—纤维混凝土组合靶体抗两次打击试验研究

超高韧性水泥基复合材料（ultra high toughness cementitious composites, UHTCC）具有超高的韧性、良好的耐久性和优异的耗能效果,这些特性使得UHTCC在防护工程中具有广阔的应用前景。为了更好地研究UHTCC与纤维混凝土组合结构在二次打击条件下的抗侵彻性能,首先测量了UHTCC和聚乙烯醇纤维增强混凝土（polyvinl alcohol fiber reinforced concrete, FRC）的基本力学参数。然后采用25 mm口径的弹道滑膛炮对直径为750 mm、高为600 mm的圆柱形UHTCC靶体、FRC靶体、UHTCC-FRC组合靶体（UHTCC-FRC composite target）进行了弹体速度为550 m/s的二次侵彻试验,得到了弹体和三类靶体的破坏数据,包括弹体的侵彻深度、弹体的磨蚀、靶体迎弹面的开坑直径和面积、弹坑深度、迎弹面的裂纹数量以及裂纹最大宽度。在此基础上分析了骨料、结构形式和两次打击的间距对UHTCC-FRC组合靶体抗侵彻性能的影响。结果表明:相同试验条件下,与普通混凝土和超高性能混凝土相比,UHTCC能够有效的减小迎弹面的开坑直径,但会增加弹体侵彻深度;将50 mm的UHTCC置于组合靶的迎弹面可以有效地减少迎弹面的开坑直径;弹体二次侵彻深度大于弹体一次侵彻深度,靶体在二次冲击下的开坑面积小于靶体初次冲击下的开坑面积。