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°。     

椭圆截面弹体侵彻性能的影响因素分析

为研究截面形状和头部曲径比对椭圆截面弹体侵彻性能的影响，开展了圆锥和椭圆锥压头的静态压痕试验，获得了不同截面压头缓慢贯入材料时的力-位移曲线。随后，基于30 mm弹道炮平台，开展了3种不同椭圆截面弹体在400～800 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12厚铝靶试验，获得了靶体的破坏形貌及弹体侵彻深度。基于空腔膨胀模型及阻力函数修正系数，建立了椭圆截面弹体侵彻金属厚靶侵彻动力学模型，结合试验结果验证了模型的有效性，并系统分析了弹体截面形状和头部曲径比对侵彻性能的影响。研究结果表明，与圆锥压头相比，具有相同截面面积的椭圆锥压头贯入材料时阻力更大，当压头的截面长短轴比从1.00增大至2.00时，贯入阻力增大10.1%。当弹体截面面积相当，且各横截面保持长短轴比不变时，椭圆截面弹体的长短轴比越大，其侵彻性能越差；椭圆截面弹体侵彻性能随着截面长短轴比的增大和头部曲径比的减小而降低。     

椭圆截面侵彻弹体结构优化设计与结构响应

针对异型截面侵彻弹体的工程应用需求,围绕椭圆截面侵彻弹体结构响应及优化设计问题开展研究。引入无量纲壁厚系数,改进了椭圆截面弹体参数化表达式;以提高短轴惯性矩和静矩、降低短轴方向结构响应为目标,开展了椭圆截面弹体抗弯优化设计。基于152 mm口径轻气炮开展了椭圆截面弹体反弹道侵彻试验研究,获得了软回收试验弹体的弯曲挠度结果;开展了试验工况的数值模拟研究,提取了数值模拟中弹体的变形结果;建立了椭圆截面侵彻弹体弯曲结构响应计算模型,利用此模型对试验弹体变形情况进行了计算。与原椭圆截面弹体相比,优化后截面短轴惯性矩、静矩提高比例约为16%,试验弹体弯曲挠度降低比例约为25.3%,数值模拟及理论模型计算结果与试验结果较为相符,验证了本文优化设计方法的有效性,可为工程设计提供参考。     

头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验与理论模型

在综合考虑弹体结构稳定性及截面比动能的前提下, 提出一种介于尖卵形弹体及尖锥形弹体间的头部对称刻槽弹体, 以期达到提高侵彻深度的目的。以尖卵形弹体侵彻深度为基准, 开展头部对称刻槽弹体侵彻半无限厚铝合金靶实验。在此基础上, 推导得到可描述头部对称刻槽弹体侵彻2A12铝合金靶过程的局部相互作用模型。同时, 结合头部对称刻槽弹体侵彻后靶体破坏现象, 提出适用于头部对称刻槽弹体的靶体响应力, 进而确立头部对称刻槽弹体的侵彻深度模型。实验结果与理论计算表明, 头部对称刻槽弹体具有相对于尖卵形弹体更好的侵彻能力。头部对称刻槽弹体侵彻深度提高的原因是弹体头部结构截面比动能增加及其侵彻过程中的靶体弱化效应, 其中弱化效应是侵彻深度提高的主控因素。     

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律，开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验，获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上，采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷，给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律，建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明，弹体以正着角水平侵彻多层钢板时，存在一个临界攻角；当攻角小于临界值时，侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象；当攻角大于临界值时，则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象；该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体，失效模式为脆性断裂，断裂位置距头部0.72～0.81倍弹长，弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外，在三种截面弹体中，非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。     

在椭圆横截面弹体正侵彻下有限厚铝靶的破坏模式及响应特性

基于30 mm口径弹道炮平台,开展了3种不同椭圆横截面弹体在200~600 m/s撞击速度范围内正侵彻2A12铝靶的实验,获得了2A12铝靶的破坏形貌及弹体的剩余速度。在此基础上,建立了相应的数值模型,结合实验结果验证了所建模型的有效性,并系统分析了弹体横截面长短轴长度比对靶体的破坏情况及响应特性的影响。研究结果表明:弹体最大横截面面积是影响弹体剩余速度的主要因素,而弹体横截面长短轴长度比对弹体剩余速度的影响较弱;在圆形横截面弹体侵彻下靶体背部形成的花瓣大小和形状一致,空间分布均匀,而在椭圆横截面弹体侵彻下,随着弹体横截面长短轴长度比的增大,靶体背部形成的花瓣数量增加、尺寸变小,且在短轴方向的花瓣数量和靶体表面隆起高度均大于长轴方向的;靶体在圆形横截面弹体侵彻下的径向位移、径向应力和切向应力与其在椭圆横截面弹体侵彻下的显著不同,前者沿周向方向各点的变化规律基本一致,靶体处于简单的压缩状态,切向应力为零,而后者各点的应力状态与弹体横截面长短轴长度比和周向角密切相关,靶体受到压缩和剪切应力的耦合作用。     

长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶实验研究及开坑分析

随着超高速动能武器的发展，长杆弹超高速侵彻混凝土靶机理成为当前的研究热点。为了探究长杆弹超高速侵彻混凝土靶的侵彻机理和开坑规律，本文中开展了TU1铜、Q235钢两类长杆弹以初速度1.8～2.4 km/s正侵彻强度26.5、42.1 MPa混凝土靶的超高速实验。结合文献和本文中的实验数据，对开坑直径和开坑体积进行量纲分析，基于开坑截面的弓形形貌几何关系，得到了开坑深度预测公式。结果表明:靶面开坑尺寸明显大于中低速侵彻时的靶面开坑尺寸，在分析侵彻机理的过程中不能忽略开坑阶段；弹体发生严重的长度缩短，直至最后完全侵蚀，弹洞半径明显大于弹体半径，说明长杆弹超高速侵彻半无限混凝土靶属于半流体侵彻机制。另外，在超高速侵彻条件下:弹体长度是影响侵彻深度的最主要参数；侵彻深度随弹体长度和密度的增大而增大，受弹体强度影响不大。     

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。     

高速侵彻弹体层合木靶脱壳

利用实验和数值模拟方法研究一种利用层合松木靶作为脱壳装置的机械式脱壳方法。首先讨论了一种正交各向异性材料模型用于高速侵彻木材的可行性及其参数变化规律,结合美军的高速侵彻实验数据对数值模拟方案进行了验证与确认。在此基础上,讨论了不同弹靶作用下含弹托弹体对松木靶的侵彻/贯穿规律。数值模拟与实验研究结果表明:在垂直入射条件下,通过合理的层合木靶设计可对次口径发射弹体有效脱壳,高速侵彻弹体可垂直入射靶板,弹体速度衰减可控;在初始攻角入射条件下,层合靶将使高速侵彻弹体攻角放大。随入射速度增加,弹体贯穿层合木靶消耗动能增加,体现了木材具有明显的应变率增强效应。     

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。     

椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板能量耗散分析

为获得椭圆截面截卵形刚性弹体正贯穿加筋板的剩余速度，根据椭圆截面弹体贯穿靶板的破坏特征，认为贯穿过程中靶板的能量耗散方式主要为塞块剪切变形功与塞块动能、扩孔塑性变形功、花瓣动力功、花瓣弯曲变形功、靶板整体凹陷变形功、加强筋侧向凹陷变形功。推导了每种能量计算方法，计算中定量考虑了靶板扩孔、花瓣弯曲、凹陷变形的应变率效应。根据能量守恒关系，得到了椭圆截面弹体剩余速度和弹道极限速度预测公式。并通过实验结果对模型进行了验证。结果表明:考虑靶板应变硬化、应变率效应的贯穿模型可以准确预测弹体剩余速度；随着椭圆截面弹体长短轴之比的增大，靶板的弹道极限速度近似线性增大；长短轴之比小于3时，加筋板的主要耗能为花瓣弯曲变形能、整体凹陷变形能。     

弹体侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余深度

为了研究钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)透明陶瓷及玻璃材料的抗弹性能和冲击破坏机制，开展了12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻YAG透明陶瓷/玻璃的剩余侵彻深度实验研究。基于变形侵彻和刚性侵彻机制建立理论模型分析子弹撞击YAG透明陶瓷和玻璃的作用过程，并利用空腔膨胀模型确定了剩余弹体对2024T351航空铝的剩余侵彻深度。实验结果表明:YAG透明陶瓷对子弹有较强的破碎作用，其防护能力显著高于玻璃材料。理论模型计算得到的剩余弹体质量和侵彻深度结果与实验结果吻合较好，可见本文建立的理论模型可用于评估不同面板材料的抗弹性能。     

带模拟装药弹体高速冲击岩石靶时的断裂特性

针对高速侵彻过程中的弹体破碎断裂问题，本文中设计2种不同壁厚的试验弹，进行约1 000 m/s着速的高强度岩体侵彻试验，试验表明:在该高着速条件下，两种结构的试验弹体均发生完全破碎且未能有效侵入岩石靶，而岩石靶体仅在表层产生粉碎性破坏；另外，高速侵彻岩石靶的弹体头部破碎情况与侵彻金属薄靶有所区别。在试验基础上，利用Autodyn-3D建立了弹体侵彻岩石靶的物理模型，结合SPH算法与Mott失效模型对弹体破坏过程进行了数值模拟，可有效地揭示弹体破碎机理，并进一步讨论模拟装药和小范围内不同高速对弹体破坏的影响。试验结果和建立的数值模型可为研究高速侵彻中弹体结构安全提供参考。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土靶试验研究

为研究结构弹体对钢筋混凝土靶的高速侵彻破坏效应,利用口径35 mm弹道炮开展了1 030～1 520 m/s速度范围内的高速侵彻试验,获得了弹体的撞击速度、破坏形态、剩余长度、剩余质量和靶体中的侵彻深度及成坑尺寸等试验数据,分析了侵彻深度和侵彻机理随速度的变化关系。结果表明:在1 030～1 390 m/s的速度范围内,弹体头部磨蚀,磨蚀程度随侵彻速度增加而加剧,侵彻深度随撞击速度近似线性增大;撞击速度在1 390～1 480 m/s范围内,弹体头部严重磨蚀,侵彻深度随撞击速度增加而减小;撞击速度大于1 480 m/s后,弹体严重破碎,侵彻深度急剧下降。针对结构弹体高速侵彻过程中的破坏特点,将侵彻速度划分为刚体侵彻区、准刚体侵彻区、侵蚀体侵彻区和破碎体侵彻区,可为钻地弹结构设计提供参考。     

弹体高速侵彻钢筋混凝土的实验与数值模拟研究

为了得到钢筋混凝土目标在动能弹高速冲击作用下的破坏数据，基于大口径发射平台进行了100 mm口径卵形弹体高速侵彻钢筋混凝土靶体的实验，弹体质量为5.4 kg，靶体尺寸分为2 m × 2 m × 1.25 m 和 2 m × 2 m × 1.50 m两种，混凝土抗压强度为50 MPa，弹体侵彻速度为1 345～1 384 m/s，实验获得了弹体的侵彻深度及钢筋混凝土靶体的破坏数据。通过“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”建立钢筋混凝土靶体模型，结合Riedel-Hiermaier-Thoma本构模型对实验工况进行计算。数值模拟给出了侵彻过程中钢筋的拉压力变化和分布规律，很好地模拟出贴近迎弹面钢筋在弹体高速冲击作用下伴随混凝土反向飞溅而产生的反向拉伸现象及靶体背面钢筋在混凝土崩落作用下发生的拉伸现象；数值模拟得到的弹体侵深数据、现象与实验结果吻合良好，实验验证了“钢筋混凝土全体单元分离式共节点建模方法”的可靠性。     

异型截面长杆弹侵彻半无限厚金属靶板实验研究

为了研究截面形状对长杆弹侵彻半无限金属靶板的最终侵彻深度的影响规律,开展了截面形状为圆形、三角形、正方形、十字形的等截面积的长杆弹侵彻半无限厚靶板的实验研究。实验分为两组,分别为长径比为8、弹芯材料为93钨合金的长杆弹侵彻装甲钢靶板实验以及长径比为15、弹芯材料为45钢的长杆弹垂直侵彻45钢靶板实验。实验后得到不同截面形状、不同长径比、不同弹靶材料的长杆弹在不同着靶速度下的侵彻深度。结果表明:三种异型截面长杆弹的侵彻能力均高于相同工况下的圆形截面长杆弹,且其中十字形截面长杆弹侵彻能力最优,正方形截面次之。通过对实验结果的宏观分析,得到三种异型截面长杆弹的截面形状对长杆弹侵彻半无限靶板侵彻威力的影响规律以及侵彻机理的宏观表现。     

考虑尺寸效应的典型钻地弹侵彻混凝土深度分析

准确评估精确制导武器的侵彻深度可为防护工程设计提供重要参考。已有研究工作大多集中于中、小口径弹体和普通强度混凝土靶体,且由于尺寸效应的影响使得现有计算方法对预测大口径典型钻地弹侵彻深度的适用性值得商榷。首先,综合分析了已有弹体侵彻试验数据,发现引起侵彻深度尺寸效应的主要原因是混凝土粗骨料粒径未随弹体尺寸进行同比缩放;其次,开展了5发100.0和203.0 mm口径缩比钻地弹侵彻C40和C100混凝土的试验和数值模拟分析,提出并验证了大口径弹体侵彻混凝土深度的实用化有限元计算方法;然后,确定了美军5种典型钻地弹在不同侵彻速度（100~600 m/s）下对上述2种强度混凝土靶体的侵彻深度,并对现有7种计算公式的适用性进行了评估;最后,基于已有大量试验数据拟合确定了侵彻深度随混凝土强度的衰减规律,并计算得到340 m/s侵彻速度下5种典型钻地弹对C40~C200混凝土的侵彻深度。