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。     

弹体超高速侵彻石灰岩靶体地冲击的数值模拟研究

为探究超高速动能武器的对地破坏效应及其影响因素,采用数值模拟方法对弹体超高速侵彻的地冲击规律进行了研究。首先,基于石灰岩静动态力学性能实验数据对材料模型参数进行了标定,并对已有弹体大范围着速侵彻石灰岩靶体进行了模拟,验证了所采用材料模型和数值模拟方法的合理性。随后,开展了钨合金长杆弹超高速侵彻石灰岩靶体的数值模拟,细致分析了地冲击传播的现象和机理:弹体超高速侵彻靶体时,弹靶交界面处会产生瞬时高压,并以应力波的形式在靶体中传播,对靶体内部造成破坏,且当弹体初速度高于3.0 km/s时,地冲击显著增强。最后,进一步研究了不同弹靶参数对地冲击的影响,发现从相对深度来看,弹体参数（弹体长径比、密度）对地冲击规律影响不大;而靶体特征特别是孔隙率对地冲击传播具有较大影响。     

弹体攻角侵彻混凝土数值模拟

利用LS-DYNA程序的用户自定义模型功能,在LS-DYNA程序中嵌入了用于描述混凝土及钢筋混凝土侵彻贯穿的动态损伤模型。模型拉伸部分用Taylor-Chen-Kuszmaul(TCK)模型描述,体现了应变率对拉伸作用的敏感性;压缩部分则采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC) 强度模型。模型中考虑了拉伸损伤、压缩损伤、应变软化、静水压力效应以及应变率效应。利用该方法对弹体攻角非正侵彻混凝土靶过程中的弹体变形、混凝土靶的损伤破坏、弹体的速度变化规律及弹体的变形进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较,结果表明,采用该模型可以较好地模拟弹体非正侵彻混凝土过程。     

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。     

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。     

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。     

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。     

弹体对超高性能混凝土侵彻深度的研究

为了评估超高性能混凝土（UHPC）的抗侵彻性能,对UHPC靶板进行了侵彻试验与数值模拟。首先,利用Φ35 mm火炮对抗压强度为160 MPa的UHPC靶板开展了216～345 m/s速度下的弹体侵彻试验,结果表明：随着弹体速度的增加,侵彻深度与开坑直径皆有明显增加。随后在数值模拟过程中,确立了UHPC的RHT材料模型参数,为了验证材料模型的有效性,采用单轴压缩与霍普金森压杆试验结果对三维有限元模型进行了验证,模拟结果与实验结果吻合良好,表明参数选取科学合理。最后,对弹体侵彻UHPC的过程进行数值模拟,参数化分析了UHPC抗压强度、弹体质量、侵彻速度、弹径、弹头形状对UHPC侵彻深度的影响,并据此推导出弹体对UHPC侵彻深度计算公式。     

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。     

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。     

碎片对铝合金薄板抗侵彻性能影响数值仿真研究

利用ABAQUS 有限元软件,采用合适材料参数及准则,建立平头弹及碎片撞击2A12-T4铝合金靶板的数值仿真模型。通过改变弹体与碎片之间的相对位置,研究弹体撞击靶板过程中碎片对其抗侵彻特性的影响规律及机理。通过数值仿真计算,分析弹体对靶体的撞击物理过程及失效机制。基于数值仿真计算结果可以发现,碎片对靶体抗侵彻性能受弹体速度以及弹体与碎片之间的相互位置等因素共同作用。对于靶体的抗撞击性能,弹体与碎片之间接触面积存在一个最佳值,接触面积太大或者太小都会减小靶板的损伤面积,从而减少撞击过程中靶板吸收的能量。     

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。     

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.     

装甲钢/UHPC复合靶体抗侵彻性能试验与数值模拟研究

装甲钢/超高性能混凝土（UHPC）复合防护结构在重点工程中抵抗弹体的高速侵彻作用具有广泛的应用前景。为评估该复合结构的抗侵彻性能,对两种复合靶体开展侵彻试验与数值模拟研究。首先,开展了12发30 mm口径30CrMnSiNi2A弹体372~646 m/s速度侵彻复合靶试验。随后通过一系列静动态力学性能试验标定装甲钢材料的本构模型参数,并建立三维有限元模型对上述试验开展数值模拟分析。通过对比试验和数值模拟得到的弹体侵彻深度、残余弹体长度和装甲钢板的失效模式,验证了装甲钢本构模型参数的可靠性。进一步基于弹道效益系数对复合靶抗侵彻性能进行了定量评估。最后,确定了不同装甲钢板厚度复合靶体的临界贯穿速度,并对弹体侵彻复合靶的弹、靶失效模式进行了讨论。     

混凝土复合靶结构参数对侵彻过载的影响

混凝土复合靶基体靶板的层数和中间粘结层厚度是复合靶能否模拟单一靶的两个重要影响因 素, 利用AUTODYN2D仿真软件, 重点研究了这两个因素对弹体侵彻过载的影响. 首先通 过已有的实验和理论公式验证了初始仿真模型和材料参数的合理性. 在此基础上, 通过改变 基体靶板的层数和中间粘结层厚度建立了多组侵彻复合靶的仿真算例. 通过弹体侵彻速度、 过载曲线的对比, 结果表明: 全尺寸深侵彻过载实验中复合靶能够代替单一靶, 但复合靶中 间粘结层的厚度不要大于1/2弹头部长度; 当中间粘结层厚度超过弹头部长度1/2时, 弹体 侵彻复合靶过载与侵彻单一靶的偏离程度随基体靶板层数的增加而增大, 上述结论可为实验 中构建混凝土复合靶提供参考.     

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。     

Incremental deformation and penetration analysis of deformable projectile into semi-infinite target

In this paper, a new analytical method for projectile deformation and penetration into a semi-infinite target has been developed. This method is based on separated, successive and incremental steps. In deformation step, the target assumed rigid and the increment of projectile deformation was evaluated, whilst in penetration step, the projectile assumed rigid and the increment of penetration was evaluated. These sequential steps continued untill the projectile stopped.Furthermore, a series of ballistic tests have been carried out with ogival projectiles with striking velocity of 600–900 m/s. The projectiles and target plates material has been chosen from 4 types of steel. In this way, 210 tests for 48 combinations of projectile, target and velocity have been carried out. Numerical simulation has been also performed using the LS-DYNA code.Comparison between the depth of penetration obtained by this analytical method and those of the experimental and numerical ones shows a good agreement.     

Deformation and Failure Modes of Soft Steel Projectiles Impacting Harder Steel Targets at Increasing Velocity

The present paper describes an experimental and numerical study concerning the impact of blunt steel projectiles against harder steel plates, at impact velocities between 200 and 800 m/s. In contrast with previously published observations, three modes of deformation and failure of the soft steel projectiles were observed in the present study. These included: Taylor cylinder mushrooming, sunflower-like petalling and plugging perforation. Individual velocity ranges and the transitions between the deformation/failure modes are identified by both experiments and numerical simulations. Complex material failure mechanisms of projectile and target play conflicting roles in the various penetration stages. Johnson–Cook models of strength and accumulative damage failure are employed in 3D numerical simulation to describe material behavior of both projectile and target. Computational evolutions of each scenario are offered in detail to understand the deformation and failure of projectile and target plate.