弹体在内摩擦介质中的斜侵彻深度计算

考虑介质处于内摩擦状态下,利用球腔膨胀理论及内摩擦介质侵彻近区运动方程求得刚性弹体在侵彻过程中的阻力。在此基础上,考虑自由表面对弹体斜侵彻的影响,将斜侵彻分为3个阶段,推导了斜向侵入弹体表面上任一点的应力公式,进而得出了新的刚性弹体的斜侵彻解析解。该解与别列赞公式在形式上一致,计算结果也符合较好,从而在理论上对别列赞经验公式进行了解释。     

Investigation of calculation method for anti-penetration of reactive power steel fiber concrete (RPC)

为了解决评估超高强活性粉末钢纤维混凝土的抗侵彻能力问题，根据混凝土在弹体侵彻过程中的介质状态及能量的分配关系，揭示了侵彻近区耗散能量结构与破碎区之间的比例尺度关系。由于近区介质的运动特性变形接近一维应变状态，受力类似于流体动力学状态，据此推导并简化了具有宽广的适用范围的侵彻计算公式，认为侵彻的深度主要由弹体的质量、形状、速度及靶体的强度、密度、断裂韧度、变形波速决定。通过多次的实弹试验，验证了公式的可靠性，得到了RPC的抗侵彻能力是普通混凝土的3倍的结论。     

岩石的动态压缩行为与超高速动能弹毁伤效应计算

目前正在研制的超高速动能武器对地打击速度达(5~15)马赫左右, 具有侵彻机理独特, 毁伤效应倍增的特点, 现有理论难以准确描述。本文系统总结了侵爆近区岩石介质的动态可压缩性行为, 发现(5~15)马赫超高速弹侵彻近区岩石介质介于流体和固体弹塑性之间的内摩擦侧限压力状态, 创新提出流体弹塑性内摩擦侵彻理论模型, 填补了低应力弹塑区到高应力流体区之间的应力状态表征空区, 首次获得随弹体侵速变化的弹靶相互作用全过程阻抗演变公式, 界定了钻地弹固体侵彻、拟流体侵彻和流体侵彻的最小动能阈值, 系统提出了超高速动能弹打击侵深、成坑及地冲击安全厚度的计算方法。通过弹体侵速1 100~4 200 m/s的(超)高速侵彻实验, 验证了理论计算公式的准确性。     

锥形端部弹体在岩石(混凝土)介质层中侵彻实用计算方法

采用刚塑性不可压缩的介质模型 ,用极限分析理论的上限方法 ,通过建立动力学许可速度场得到介质对弹体侵彻的静阻力分量 ,通过破碎介质动量守恒条件得到弹体侵彻的动阻力分量 ,在模型中还考虑了介质的尺度关系和弹体的弹头形状两种影响因素。侵彻过程中的速度、加速度、阻力和经历时间通过弹体的运动方程增量计算得到。通过与几种常用经验公式比较说明了本文方法的实用和可靠性。     

弹丸斜入射对侵彻深度的影响

假定弹体为刚体，利用空腔膨胀理论中应力与速度之间的关系模拟弹体表面上任一点的应力，并在计算分析过程中考虑自由表面等不对称因素，简要分析讨论了弹体在斜侵彻靶体过程中弹体初始偏航角和倾斜角对弹体侵彻过程的影响     

截锥形弹体在液体介质中运动速度衰减规律分析

水面舰船被动防护体系中液舱的主要功能之一是阻止高速弹体（爆炸破片）对内部重要结构、设备和人员的威胁,高速弹体打击液舱的过程包含着复杂的能量传递与耗散。为了分析弹体形状对其在液体介质中运动速度衰减的影响, 开展了一系列不同头形因数的截锥形弹体在不同入水速度下弹体垂直侵彻液体介质过程的数值模拟,得到了垂直侵彻液体介质时弹体速度衰减特性,发现高速弹体在液体介质中运动的阻力因数与弹体形状和无量纲速度有关。基于对系列数值模拟计算结果的拟合分析,提出了计及头形因数的截锥形弹体 垂直侵彻液体介质时的速度衰减经验公式,通过开展数值算例分析验证了公式计算结果的可靠性。本文中提出的经验公式可实现对高速弹体在液体介质中速度衰减的准确快速计算,为舰船防护液舱结构设计提供一定的参考。     

基于Archard理论分析弹体质量侵蚀

基于模具与工件磨损中的Archard粘着磨损理论,分析弹体表面微粒的细观塑性变形,建立弹体质量侵蚀表征模型,运用动态空腔膨胀理论得到弹体表面应力,再通过差分计算得到高速侵彻中弹体宏观轮廓的钝化回退过程。计算得到的弹体外部轮廓、质量损失及侵彻深度等参数与实验结果基本吻合。结果表明;弹体侵蚀效应对侵彻时间和深度的影响随着撞击速度的增大愈加显著;弹体侵彻过程中最大过载与刚性条件下有较大区别,提高弹体材料的屈服强度能有效减少侵彻过程中弹体的质量损失,提高最终侵彻深度。     

新型头形弹体对混凝土的侵彻

针对几种典型的新型头形弹体开展了对抗压强度为9.0、28.4MPa的混凝土靶的侵彻实验,通过观测回收弹体和解剖靶体,初步认识了新型头形弹体侵彻混凝土介质的侵彻机理。在此基础上,提出了混凝土强度弱化量纲一因子S2和头部小圆柱侵彻开孔半径bt,并基于空腔膨胀理论初步建立了新型头形弹体侵彻混凝土介质的理论分析模型。结果表明,对28.4MPa混凝土,理论预测结果与实验数据具有较好的一致性;对9.0MPa混凝土,理论预测结果与实验数据具有一定偏差,但仍可基本反映新型头形弹体的侵彻规律。最后分析了提高新型头形弹体侵彻性能的2个途径:减小S2和增大bt。     

弹体侵彻超高性能混凝土反弹效应理论初探

为了探究弹体在侵彻超高性能混凝土过程中弹体出现的反弹现象，基于空腔膨胀理论，分析了弹体从侵彻到反弹全过程的受力情况；分别以一维弹性杆弹性势能模型和一维应力波模型为理论基础，推导得到两种反弹速度的解析解，分析了影响反弹速度的物理量；通过数值模拟复现了弹体反弹现象，验证了理论模型的合理性，数值计算结果和两种解析解吻合良好。研究表明：侵彻阻力使弹体积累变形势能，侵彻结束后变形势能释放造成弹体反弹；反弹初速与着靶速度无关，与靶体材料的屈服强度和弹头形状系数等成正比，与弹体弹性模量和密度成反比。     

基于Ottosen屈服条件的不同强度混凝土空腔膨胀模型及侵彻机理

针对毁伤与防护领域对深层超硬目标理论研究及工程应用的迫切需求，引入改进的Ottosen屈服条件，对混凝土空腔膨胀过程中的响应分区和边界条件进行优化，求解空腔膨胀的全过程，分析不同强度混凝土响应分区的变化规律；根据空腔边界应力和空腔膨胀速度的关系，建立了弹体侵彻深度计算模型，对弹体侵彻不同强度混凝土工况进行了对比计算，并深入分析了靶体强度对侵彻深度影响的机理。通过与实验数据进行对比发现，改进的空腔膨胀理论对于普通混凝土和高强混凝土均有很好的适用性，可准确计算径向应力与空腔边界速度关系以及侵彻深度。研究结果显示，高强混凝土的弹塑性开裂区范围更大，密实区范围更小，表明了高强混凝土脆性大，材质密实的特点，引入塑性开裂区可以更好地反应侵彻过程中高强混凝土压实时对应速度更高的现象；随着混凝土强度的提高，其屈服包络面变化越来越小，因此混凝土的空腔边界应力增大但变化程度越来越小，导致弹体侵彻深度随速度增加的增量变小。     

On the deep penetration and plate perforation by rigid projectiles

We present results of a large number of 2D numerical simulations in which we investigated various aspects in the deep penetration of rigid short projectiles into semi-infinite targets, as well as their perforation through thin metallic plates. In particular, we analyze the effect of the entrance phase on the penetration characteristics of short ogive and spherical nosed projectiles. The second issue which we investigate here concerns the perforation of metallic plates by sharp nosed projectiles. Our simulation results show that a simple model, which is based on energy conservation, accounts for the residual velocities when the target is penetrated by the ductile hole enlargement process. In addition, we define a new concept, the effective resisting stress which the plate exerts on the projectile during perforation. We show that it has some valuable insights for the process of perforation and we perform a parametric study to understand its dependence on various parameters. This effective stress, which determines the ballistic limit velocity of the projectile, depends on the strength of the plate, as well as on its thickness, as we show here.     

尖头碎片撞击小尺寸储罐的模拟实验

化工园区内,容器爆炸事故易引发多米诺效应,产生的碎片击中临近目标设备或装置可能造成事故后果升级。通过开展尖头碎片撞击小尺寸储罐模拟实验,得到了不同轴向撞击角的尖头碎片撞击不同壁厚小尺寸储罐的穿透形貌、穿透能量以及穿孔直径。结果表明:（1）尖头碎片以0°轴向撞击角穿透罐壁形成的穿孔正面近似圆形,以15°、30°及45°轴向撞击角撞击形成的穿孔正面近似椭圆形且有2个条形翻边,穿孔背面均呈现花瓣型开裂;（2）轴向撞击角越大,壁厚越大,所需的穿透能量越大;（3）轴向撞击角与壁厚对穿孔轴向直径影响显著,但穿孔环向直径变化幅度不大。最后,根据穿甲力学理论和动量守恒定理,推导出适用于0°~45°轴向撞击角的尖头碎片剩余速度理论计算公式。     

攻角和入射角对弹体侵彻混凝土薄靶弹道特性影响规律研究

为了研究弹体斜侵彻有限厚混凝土靶板的作用特性,开展了尖卵形弹体斜侵彻间隔混凝土靶实验,获得了弹体侵彻过程中的姿态及弹道特性、靶板破坏参数,分析了攻角与入射角联合作用对弹体侵彻混凝土靶板“二次偏转现象”、靶后偏转角以及弹体侵彻间隔靶板弹道轨迹的影响规律。研究结果表明:入射角越大,“二次偏转现象”越明显,弹体靶后偏转角越大;初始攻角抑制“二次偏转现象”,攻角越大,抑制作用越显著;初始攻角与入射角方向相同时,初始攻角加剧靶后偏转角的增大;当攻角与入射角方向相反时,较小的攻角能够抑制弹体靶后偏转角的增大,而当初始攻角较大时,攻角成为影响弹体偏转的主要因素,攻角越大,弹体靶后偏转角越大。     

Modeling of perforation of plates and multi-layered metallic targets

The perforation of monolithic and multi-layered thin metallic plates by flat-ended cylindrical penetrator is considered. The most relevant analytical penetration models with their most important assumptions, basic process mechanisms, and key analytical relations for plugging mode of monolithic plates penetration are reviewed. Comparative analysis of computational results and our experimental data show significant compatibility of process basic parameters and also indicates certain limitations of the analytical models. It has been concluded that phenomenological model with deformable penetrator represents the best analytical approximation of penetration process. By modification of this model, the improved penetration model is created, whose results better correspond with experimental data. The improved model is applied to the analysis of perforation of multi-layered targets with spaced layers. Theoretical results for the case of double-layer target are especially analyzed. These results enable the formulation of certain conclusions of considerable practical importance.     

穿甲/侵彻问题的若干工程研究进展

作为爆炸力学的一个分支,穿甲/侵彻力学是研究高速/超高速弹体撞击靶体后,钻入或穿透靶体的力学, 又称终点弹道学.综述作者及其合作者最近几年在穿甲及侵彻力学领域的若干工程研究工作,包括混凝土靶的侵彻和穿甲、控制刚性弹侵彻动力学的无量纲数、金属靶穿甲的理论模型、钻地弹的相关力学问题、穿甲弹体的破坏与失效等.同时也给出该领域的国外最新研究工作进展.      

聚能射流侵彻页岩储层损伤裂隙形成机制

为研究药型罩对聚能射孔弹侵彻页岩储层的射孔和损伤致裂效果的影响机理，建立了射孔弹-空气-页岩三维模型，设置药型罩的锥角分别为50°、60°、70°和80°，壁厚分别为0.5、1.0和1.5 mm，材料分别为铜、钢、钛和钨。利用ANSYS/LS-DYNA软件进行数值计算，分别从射流速度与形态、页岩射孔效果及页岩孔裂隙形成规律特征等进行系统性分析。研究结果表明：在射孔弹结构中，随着药型罩锥角的减小，射流速度提高、杵体速度降低、侵彻深度增大同时开孔孔径减小。在一定范围内，适当减小药型罩的壁厚，可以提高射流速度、减小杵体质量、增大侵彻深度和开孔倾斜度。药型罩材料对射流速度、杵体结构和页岩射孔效果均有显著影响，其中钨药型罩射孔弹的侵彻深度最大但开孔孔径最小，钛药型罩射孔弹的侵彻深度最小但开孔倾斜度最大，铜比钢药型罩射孔弹的侵彻深度略大但开孔孔径略小。通过研究不同对照组的页岩孔裂隙形成规律特征发现，页岩孔裂隙发育主要发生在杵体对页岩的再扩孔阶段，减小射流初始扩孔孔径、增大杵体直径、提高杵体速度，可以促进页岩孔裂隙发育程度。     

Semi-theoretical analyses of the concrete plate perforated by a rigid projectile

Based on the three-stage perforation model, a semi-theoretical analysis is conducted for the ballistic performances of a rigid kinetic projectile impacting on concrete plates. By introducing the projectile resistance coefficients, dimensionless formulae are proposed for depth of penetration (DOP), perforation limit thickness, ballistic limit velocity, residual velocity and perforation ratio, with the projectile nosed geometries and projectile-target interfacial friction taken into account. Based on the proposed formula for DOP and lots of penetration tests data of normal and high strength concrete targets, a new expression is obtained for target strength parameter. By comparisons between the results of the proposed formulae and existing empirical formulae and large amount of projectile penetration or perforation tests data for monolithic and segmented concrete targets, the validations of the proposed formulae are verified. It is found that the projectile-target interfacial friction can be neglected in the predictions of characteristic ballistic parameters. The dimensionless DOP for low-to-mid speed impacts of non-flat nosed projectiles increases almost linearly with the impact factor by a coefficient of 2/(πS). The anti-perforation ability of the multilayered concrete plates is dependent on both the target plate thickness and the projectile impact velocity. The variation range of the perforation ratio is 1–3.5 for concrete targets.     

Kevlar层合板动静态侵彻贯穿特性的实验研究

本文以Kevlar/环氧树脂层合材料为对象,通过动静态侵彻实验,研究层合板的抗贯穿特性。利用MTS810材料试验机进行准静态侵彻实验,根据测得的加载载荷-位移曲线及靶板的破坏模式,分析了靶板的准静态侵彻行为。实验指出,准静态侵彻时层合板的整体弯曲变形是其主要吸能模式,织物铺层板的吸能量要高于无编织铺层板,表现出更好的抗侵彻性。采用7.62mm口径滑膛枪开展了初速为200～700m/s的弹道冲击实验,讨论了不同弹形弹丸侵彻靶板的效果以及不同铺设方式靶板的抗弹性能和破坏模式。通过与准静态侵彻实验结果的对比,发现靶板的抗侵彻性能和破坏模式与侵彻速度有明显关系。动态侵彻时层合板的破坏局域化,破坏模式多样化。弹形对侵彻效果的影响主要体现于接近弹道极限的低速段。     

Analysis of the mechanics of perforation of projectiles in metallic plates

A mathematical model has been developed to describe the mechanism of normal perforation of projectiles in metallic targets. The perforation process is considered to be divided into three interconnected stages. The analysis accounts for an effective mass of the bullet due to part of the target material moving with the bullet, the deformation of the bullet during penetration, and the increased strength of the target material at high rates of loading. The analysis enables the residual velocity to be calculated as a function of the target thickness and its mechanical and physical properties, and of the mass, geometry and impact velocity of the projectile. The geometry of the cavity, i.e. entrance and exit diameters and plug thicknesses, are factors in the analysis and are empirical quantities. The present theory can also predict the force-time curve and the contact time for the perforation process.     

基于无网格Galerkin法的穿甲侵彻数值模拟

将无网格Galerkin法与LS-DYNA软件相结合,建立了穿甲侵彻的分析模型,对三维球形弹体侵彻双层无限大钢靶板进行了数值模拟,解决了该过程中出现的负体积现象,并将结果与空穴膨胀理论和有限元法进行了对比,所得结果证实了无网格Galerkin法在模拟穿甲侵彻时的可行性与优越性.